ITMI20131609A1

ITMI20131609A1 - Sistema di protezione di un sistema turbocompressore, in particolare per la prevenzione di un relativo danneggiamento quando una pressione di un relativo olio di lubrificazione e' insufficiente

Info

Publication number: ITMI20131609A1
Application number: IT001609A
Authority: IT
Inventors: Michele Lafiandra; Enrico Sticchi
Original assignee: Fpt Ind Spa
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-03-31
Also published as: EP2853714B1; JP6513921B2; CN104514620A; KR102201580B1; BR102014024021A2; US20150089939A1; US10054040B2; BR102014024021B1; RU2669889C2; EP2853714A1; CN104514620B; RU2014139356A; KR20150037570A; JP2015096723A; ES2647489T3

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

SISTEMA DI PROTEZIONE DI UN SISTEMA TURBOCOMPRESSORE, IN PARTICOLARE PER LA PREVENZIONE DI UN RELATIVO DANNEGGIAMENTO QUANDO UNA PRESSIONE DI UN RELATIVO OLIO DI LUBRIFICAZIONE È INSUFFICIENTE

DESCRIZIONE

Campo di applicazione dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi di protezione del gruppo di sovralimentazione di motori a combustione interna. In particolare la presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi di prevenzione del danneggiamento del turbocompressore quando la pressione dell’olio di lubrificazione risulti insufficiente.

Stato della tecnica

La viscosità dell’olio di lubrificazione è fortemente influenzata dalle condizioni ambientali. Pertanto, quando il motore è freddo, a bassa temperatura, la viscosità dell’olio aumenta e di conseguenza aumenta il tempo che l’olio impiega a raggiungere il carter della turbina e/o compressore e dunque i cuscinetti della stessa.

In questo arco di tempo, il turbocompressore gira in assenza di olio, con grave deterioramento dei cuscinetti.

Sommario dell’invenzione

Pertanto scopo della presente invenzione è quello di superare tutti gli inconvenienti suddetti e di indicare un sistema di protezione della turbina, semplice ed efficace, che consenta di prevenire il danneggiamento del turbocompressore quando una pressione di un relativo olio di lubrificazione è insufficiente.

L’idea di base della presente invenzione è quello di introdurre una valvola di bypass dei gas esausti comandata dalla pressione dell’olio di lubrificazione del turbocompressore, in modo da permettere ad almeno una parte dei gas di scarico del motore a combustione interna, di bypassare la turbina e defluire verso l'esterno, fintanto che l’olio non raggiunge una predefinita pressione.

Pertanto detta valvola di bypass è una “valvola di pressione minima”.

Secondo una variante preferita dell’invenzione tale valvola di bypass è integrata in una speciale valvola wastegate.

Le valvole wastegate sono “valvole di pressione massima”, generalmente impiegate per bypassare la turbina quando la pressione nel circuito di aspirazione supera una determinata soglia.

Una implementazione preferita del sistema oggetto della presente invenzione, prevede che una valvola wastegate integra, in un unico corpo, la suddetta valvola di pressione minima in modo da bypassare la turbina quando la pressione dell’olio di lubrificazione del turbocompressore non raggiunge una predefinita soglia di pressione, la quale è preferibilmente regolabile.

E’ oggetto della presente invenzione un sistema di protezione di un sistema turbocompressore in particolare per la prevenzione di un relativo danneggiamento quando una pressione di olio di lubrificazione è insufficiente, conformemente alla rivendicazione 1.

Forma pure oggetto della presente invenzione un metodo di protezione di un sistema turbocompressore in particolare per la prevenzione di un relativo danneggiamento quando una pressione di olio di lubrificazione è insufficiente.

Un altro oggetto della presente invenzione è un veicolo comprendente un motore a combustione interna dotato di sistema turbocompressore e del suddetto sistema di protezione.

Vantaggiosamente, la gestione della pressione di sovralimentazione è resa funzione della pressione dell’olio di lubrificazione.

Inoltre, la soluzione qui descritta può essere applicata ad un sistema tradizionale; tale invenzione,

attraverso l’utilizzo di un dispositivo atto alla modulazione della pressione dell’olio di lubrificazione, permette di sfruttare il comando di bypass della turbina, che pure continua a poter essere attuato pneumaticamente, con il vantaggio di avere un bacino di energia disponibile in anticipo rispetto al comando pneumatico per la gestione termica del motore a freddo.

Le rivendicazioni formano parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

nella figura 1 è indicato schematicamente un motore a combustione interna sovralimentato e dotato del sistema di protezione di un sistema turbocompressore in particolare per la prevenzione di un relativo danneggiamento quando una pressione di olio di lubrificazione è insufficiente,

nelle figure 2a – 2c è mostrata una implementazione preferita di una parte del sistema di figura 1, in modo schematico;

nella figura 3 è mostrata una variante preferita del della parte mostrata nelle figure 2a – 2c in una prima configurazione di funzionamento,

nelle figure 4 – 6 sono mostrate ulteriori configurazioni di funzionamento della variante preferita mostrata in figura, nella figura 7 è mostra una parte della variante preferita delle figure precedenti 3 - 6.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti. Per comodità, soltanto la figura 4 è dotata di tutti i segni di riferimento, che si intendono ripetuti sulle altre figure. Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

La figura 1 mostra uno schema di motore a combustione interna E dotato di almeno uno stadio di sovralimentazione comprendente una turbina T avente un ingresso collegato con il collettore di scarico del motore a combustione interna e un compressore C, guidato dalla turbina T, avente una uscita collegata con il collettore di aspirazione del motore a combustione interna E.

Tra il collettore di scarico del motore a combustione interna E e l’ingresso della turbina T è disposta una valvola di pressione OV comandata dall’olio di lubrificazione della turbina T o più in generale del gruppo turbina-compressore. Di seguito, tale valvola OV è indicata per comodità come “valvola ad olio” o “valvola di pressione minima”.

Nei disegni la scritta “aria dal compressore” indica il collegamento pneumatico con un condotto disposto tra il collettore di aspirazione del motore a combustione interna e l’uscita del compressore di sovralimentazione.

Nei disegni la scritta “olio dal bearing housing” indica il collegamento idraulico con il circuito di lubrificazione del gruppo turbocompressore che lubrifica i cuscinetti del gruppo stesso.

Tale valvola OV comprende

- un ingresso di comando collegato al circuito di lubrificazione del gruppo turbo-compressore,

- mezzi di bypass (SH,GB) per controllare/deviare il flusso dei gas esausti provenienti dal collettore di scarico del motore a combustione interna E, in modo da bypassare la turbina T del gruppo turbocompressore.

La valvola di pressione ad olio OV funziona in modo opposto ad una valvola wastegate, in quanto essa induce i gas di scarico a bypassare la turbina quando la pressione del l’olio di lubrificazione è inferiore ad una predefinita soglia, preferibilmente regolabile.

Le valvole wastegate, invece, comandano il bypass della turbina quando il livello di pressione nel circuito di aspirazione eccede un’altra predefinita soglia.

La variante preferita mostrata in figura 1 può essere combinata con l’impiego di una valvola wastegate nota in sé. In particolare, lo schema può prevede che la valvola wastegate consenta di bypassare la turbina T mediante un ulteriore od il medesimo condotto di bypass GB.

Una implementazione preferita dell’invenzione prevede che la valvola ad olio OV sia integrata in una valvola wastegate e viceversa. Ciò consente di utilizzare soltanto un condotto di bypass, senza modificare il layout dello schema.

Le figure 2a, 2b e 2c mostrano schematicamente tale “valvola nella valvola”.

In particolare, la valvola ad olio OV è integrata in una valvola wastegate WG.

Secondo le figure da 3 a 7, tale valvola a “doppio-ingresso di comando”, comprende

- un primo ingresso GI, destinato ad essere collegato operativamente con il collettore di aspirazione del motore a combustione interna,

- una prima camera R1 espandibile, in cui sia apre detto primo ingresso GI, ricavata tra l’involucro CE ed una prima parte mobile D1,

- una prima molla S1, interposta tra la prima parte mobile D1 ed un primo punto fisso SF1, interno all’involucro CE, opponendosi ad una espansione della prima camera R1 contro la pressione che si instaura in essa per il primo ingresso GI, - un secondo ingresso GO, destinato ad essere collegato operativamente con il circuito di lubrificazione del gruppo turbo-compressore, preferibilmente con l’ingresso di tale circuito di lubrificazione,

- una seconda camera R2 espandibile, in cui si apre detto secondo ingresso GO, ricavata tra l’involucro CE ed una seconda parte mobile D2,

- una seconda molla S2, interposta tra la seconda parte mobile D2 ed un secondo punto fisso SF1, interno all’involucro CE, opponendosi ad una espansione della seconda camera R2 contro la pressione che si instaura in essa per il secondo ingresso GO,

- un unico albero SH, mobile tra una posizione ritratta ed una posizione distesa, collegato con le membrane D1 e D2 per comandare il bypass della turbina T.

Preferibilmente, punti fissi SF1, SF2 e le membrane D1, D2 sono disposte reciprocamente in modo da muoversi in modo contrapposto, l’una rispetto all’altra, al raggiungimento di rispettive soglie di pressione che si instaurano nelle rispettive camere R1, R2, cosicché l’albero SH è indotto a portarsi in posizione estesa (o viceversa ritratta) quando almeno una delle seguenti condizioni è verificata:

- la pressione dei gas di aspirazione è uguale o superiore a detta prima predefinita soglia,

- la pressione dell’olio di lubrificazione è uguale o inferiore a detta seconda predefinita soglia.

Ovviamente, il legame tra la condizione di distensione/ritrazione dell’albero SH e la condizione di apertura/chiusura del condotto di bypass GB dipende dal montaggio desiderato dal tecnico del ramo.

La figura 3 o 2a mostra una condizione in cui la prima camera R1 è espansa (R1E) mentre la seconda camera R2 risulta contratta (R2C), pertanto l’albero SH è in condizione distesa di apertura del condotto di bypass.

La figura 4 o 2b mostra una condizione in cui la prima camera R1 è contratta (R1C) mentre la seconda camera R2 risulta espansa (R2E), pertanto l’albero SH è in condizione ritratta di chiusura del condotto di bypass GB.

La figura 5 o 2c mostra una condizione in cui sia la prima camera R1, che la seconda camera R2 risultano contratte (R1C, R2C), pertanto l’albero SH è in condizione distesa di apertura del condotto di bypass.

La figura 6 o 2d mostra una condizione in cui sia la prima camera R1, che la seconda camera R2 risultano espanse, pertanto l’albero SH è in condizione distesa di apertura del condotto di bypass.

La condizione di apertura del condotto di bypass può essere operata in modo da deviare completamente o parzialmente i gas esausti.

Inoltre, la condizione di espansione della prima camera R1 può indurre una porzione differente di gas esausto attraverso il condotto di bypass GB, rispetto ad una condizione di contrazione della seconda camera R2. Ciò perché, ad esempio, in condizioni di motore freddo e dunque di inefficiente lubrificazione del gruppo turbo-compressore, può essere desiderabile che questo sia completamente disattivato piuttosto che essere parzialmente bypassato, come solitamente avviene ad opera delle valvole wastegate.

In altri termini, l’albero SH può avere una escursione diversa in relazione al fatto che sia attivato dalla espansione della valvola wastegate WG, piuttosto che dalla valvola ad olio OV.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione le due membrane/pistoni sono parallele/i tra loro. Secondo un’altra variante preferita dell’invenzione le molle S1 ed S2 sono di tipo elicoidale e coassiali tra loro. Preferibilmente, la prima molla S1, dovendo contrapporsi a forze maggiori, risulta disposta esternamente alla seconda molla S2.

Tra le due molle elicoidali è interposto un involucro interno CI, di forma cilindrica, coassiale con le molle S1 ed S2, in cui entrambe le basi hanno rispettivi fori centrali, in cui passa l’albero SH. Almeno la seconda base R2B2 di tale involucro interno CI, che concorre a definire la seconda camera R2, è dotata di idonea guarnizione di tenuta G dell’olio. La prima base R2B1, invece, confina con la zona di espansione della prima camera R1.

Vale la pena evidenziare che la seconda base dell’involucro interno, coincide si sovrappone ad una base dell’involucro esterno CE.

Vale la pena evidenziare, che nei disegni la prima camera R1 è dotata di una membrana D1, mentre la seconda camera R2 è dotata di un pistone mobile D2. Ciò non toglie che entrambi i componenti D1 e D2 possano essere membrane o pistoni mobili. In modo più generale, tali membrane/pistoni possono essere indicati genericamente come “parti mobili”.

Secondo una ulteriore variante, combinazione delle prime due, conformemente a quanto mostrato nelle figure, l’albero SH è perpendicolare ad entrambe le membrane D1 e D2 ed la seconda parte mobile D2 risulta anulare rispetto all’albero SH, potendo scorrere su di esso fino ad un punto di battuta PB dell’albero SH.

L’albero SH ha dunque un primo estremo atto ad entrare in contatto ed essere spinto con/dal centro della prima parte mobile D1 ed un secondo estremo che aziona i mezzi di bypass. Quando la seconda parte mobile R2 – a seguito di una contrazione della seconda camera R2 - preme contro il punto di battuta PB, allora l’albero è portato in condizione distesa.

Il punto di battuta PB è in posizione intermedia tra i suddetti due estremi dell’albero SH.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione che si combina con le precedenti descritte, la seconda molla può essere pre-caricata.

La figura 7 mostra dettagliatamente la seconda parte mobile D2. Essa comprende un manicotto M (detto anche corsoio) coassiale con e scorrevole sull’albero SH ed una parte di tenuta T2 anulare rispetto al manicotto M. La parte di tenuta T2 è preferibilmente avviata sul manicotto M. In figura 7, pertanto si vede il contro-dado CD2, anch’esso avvitato sul manicotto M per bloccare la parte di tenuta T2, la quale presenta una gola anulare in cui è alloggiato un o-ring.

La parte di tenuta T2 può essere direttamente in contatto con la molla elicoidale S2. Preferibilmente, il manicotto è dotato di una opportuna espansione anulare SF3 che definisce una seconda superficie di compressione della seconda molla S2. La prima superficie di compressione della seconda molla è preferibilmente l’interno della prima base R2B1 dell’involucro interno CI, opposta alla suddetta seconda base R2B2.

Dalla configurazione mostrata, risulta che l’involucro esterno CE, sostanzialmente cilindrico, contiene la prima parte mobile D1 e la prima molla cilindrica S1, questa, a sua volta contiene il secondo involucro CI, nel quale è alloggiata la seconda molla S2 e la seconda parte mobile D2. Se il manicotto è dotato di detta espansione anulare SF3 spostando assialmente la parte di tenuta T2 rispetto al manicotto scorrevole M è possibile definire un precarico per la seconda molla S2. In particolare, mano a mano che la parte di tenuta T2 della seconda parte mobile D2 si distanzia dalla espansione anulare SF3, il precarico per la seconda molla S2 aumenta.

Il manicotto scorrevole M può trovare nella prima base R2B1 dell’involucro interno CI un punto di battuta. Oppure opzionalmente, esso può attraversare la prima base dell’involucro interno CI nel suo rispettivo foro centrale, fino all’interferenza tra la base stessa ed un elemento di battuta SF4, ricavato anularmente sul manicotto scorrevole M stesso.

La presente invenzione, in termini di metodo prevede di operare il bypass dei gas di scarico quando la pressione dell’olio di lubrificazione della turbina è insufficiente.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda. Quanto descritto nella descrizione dello stato della tecnica, se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio, deve essere considerato in combinazione con le caratteristiche della presente invenzione, formando parte integrante della presente invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di protezione di un sistema turbocompressore (T, C), in particolare per la prevenzione di un relativo danneggiamento quando una pressione di un relativo olio di lubrificazione è insufficiente, comprendente primi mezzi di bypass (OV, GB) di gas esausti, comandati in funzione di una pressione dell’olio di lubrificazione del sistema turbocompressore (T, C), in modo da permettere ad almeno una parte di detti gas di scarico di bypassare la turbina (T) quando detta pressione è inferiore ad una prima predefinita soglia.
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detto sistema turbocompressore (T, C) comprende un circuito di lubrificazione ed in cui detti mezzi di bypass comprendono una valvola di pressione minima (OV) avente un ingresso di comando operativamente collegato con detto circuito di lubrificazione.
3. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti 1 o 2, ulteriormente comprendente secondi mezzi di bypass di gas esausti, comandati in funzione di una pressione di aria fresca misurata ad un relativo collettore di aspirazione.
4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui detti primi e secondi mezzi di bypass comprendono un comune condotto di bypass (GB) oppure distinti condotti di bypass.
5. Sistema secondo una delle rivendicazioni 3 o 4, in cui detti secondi mezzi di bypass comprendono una valvola wastegate.
6. Sistema secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta valvola wastegate e detta valvola di pressione minima (OV), sono integrate in un unico corpo (CE) definendo una valvola a doppio ingresso di comando.
7. Sistema secondo la rivendicazione 6, in cui detta valvola a doppio ingresso di comando comprende - un involucro esterno (CE), - un primo ingresso (GI), destinato ad essere collegato operativamente con un collettore di scarico di un motore a combustione interna (E), - una prima camera (R1) espandibile, in cui sia apre detto primo ingresso (GI), ricavata tra l’involucro esterno (CE) ed una prima parte mobile (D1), - una prima molla (S1), interposta tra la prima parte mobile (D1) ed un primo punto fisso (SF1) interno all’involucro esterno (CE), opponendosi ad una espansione della prima camera (R1), - un secondo ingresso (GO), destinato ad essere collegato operativamente con il circuito di lubrificazione del gruppo turbo-compressore, - una seconda camera (R2) espandibile, in cui si apre detto secondo ingresso (GO), ricavata tra l’involucro esterno (CE) ed una seconda parte mobile (D2), - una seconda molla S2, interposta tra la seconda parte mobile (D2) ed un secondo punto fisso (SF1), interno all’involucro esterno (CE), opponendosi ad una espansione della seconda camera (R2), - un unico albero (SH), mobile tra una posizione ritratta ed una posizione distesa, collegato con dette parti mobili (D1, D2) per comandare il bypass della turbina T.
8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui i punti fissi (SF1, SF2) e le parti mobili (D1, D2) sono disposti reciprocamente in modo da muoversi in modo contrapposto, l’una rispetto all’altra, al raggiungimento di rispettive soglie di pressione che si instaurano nelle rispettive camere (R1, R2), cosicché l’albero (SH) è indotto a portarsi in posizione estesa (o viceversa ritratta) quando almeno una delle seguenti condizioni è verificata: - la pressione dei gas di aspirazione è uguale o superiore a detta prima predefinita soglia, - la pressione dell’olio di lubrificazione è uguale o inferiore a detta seconda predefinita soglia.
9. Sistema secondo una delle rivendicazioni 8 o 9, in cui le parti mobili (D1, D2) sono parallele tra loro e/o in cui detta seconda parte mobile (D2) comprende mezzi per precaricare della seconda molla (S2) e/o in cui le molle (S1, S2) sono di tipo elicoidale e coassiali tra loro e/o in cui le molle (S1, S2) sono di tipo elicoidale e coassiali tra loro e tra di esse è interposto un involucro interno (CI), di forma cilindrica, coassiale con le molle (S1, S2), in cui entrambe le basi del cilindro hanno rispettivi fori centrali, in cui passa l’albero (SH).
10. Sistema secondo la rivendicazione 9, in cui l’albero (SH) è perpendicolare ad entrambe le parti mobili (D1, D2) ed ha un primo estremo con un centro di detta prima parte mobile (D1), mentre la seconda parte mobile (D2) é anulare rispetto all’albero (SH), potendo scorrere su di esso fino ad un punto di battuta (PB) dell’albero (SH).
11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui una base di detto cilindro (CI) definisce una prima superficie di compressione di detta seconda molla (S2) ed in cui detta parte mobile (D2) comprende una membrana/pistone (T2) solidale con un manicotto (M) coassiale con e scorrevole sul l’albero (SH) ed in cui detto manicotto scorrevole (M) ha una espansione anulare (SF3) che definisce una seconda superficie di compressione della seconda molla (S2) e/o una base di detto cilindro (CI) definisce una prima superficie di compressione di detta seconda molla (S2) ed in cui detta parte mobile (D2) comprende una membrana/pistone (T2) solidale con un manicotto (M) coassiale con e scorrevole sull’albero (SH) ed in cui detto manicotto scorrevole (M) ha una espansione anulare SF3 che definisce una seconda superficie di compressione della seconda molla (S2) ed in cui una posizione reciproca tra detta espansione anulare (SF3) e detta membrana/pistone (T2) è regolabile per definire detto precarico per detta seconda molla (S2).
12. Veicolo comprendente un motore a combustione interna (E) avente un sistema turbocompressore (T, C) ed un sistema di protezione del sistema turbocompressore (T, C) conformemente ad una qualunque delle rivendicazioni 1 – 11.
13. Metodo di protezione di un sistema turbocompressore (T, C) in particolare per la prevenzione di un relativo danneggiamento quando una pressione di un relativo olio di lubrificazione è insufficiente, comprendente il passo di indurre gas di scarico a bypassare almeno parzialmente una turbina (T) di detto sistema turbocompressore (T, C), quando una pressione di detto olio di lubrificazione è inferiore ad una prima predefinita soglia.