ITMI20132165A1

ITMI20132165A1 - Sistema turbo compound migliorato

Info

Publication number: ITMI20132165A1
Application number: IT002165A
Authority: IT
Inventors: Epiro Clino D
Original assignee: Fpt Ind Spa
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-21
Also published as: EP3147478B1; EP3147478A1; EP2886827B1; EP2886827A1; ES2701310T3; ES2615327T3

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

SISTEMA TURBO COMPOUND MIGLIORATO

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DESCRIZIONE

Campo di applicazione dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi turbocompound, vale a dire quei sistemi in cui una turbina alimentata dai gas di scarico di un motore a combustione interna, ha il proprio asse collegato con l’albero motore e veicolare in modo da cooperare col motore a combustione interna oppure con un generatore elettrico.

Tale turbina viene normalmente chiamata, secondo la nomenclatura anglosassone, “power turbine” oppure “turbina del compound”.

Stato della tecnica

La gestione termica degli ATS (After Treatment System) riveste un ruolo fondamentale per garantire una efficiente conversione degli inquinanti contenuti nei gas di scarico. Pertanto, il rapido riscaldamento –conosciuta secondo l’espressione anglosassone, come warm up - dei dispositivi che formano l’ATS ed il loro mantenimento ad una temperatura uguale o superiore alla temperatura di attivazione, rappresentano l’obiettivo fondamentale perseguito dai costruttori di veicoli, soprattutto di veicoli industriali. L’ATS comprende ad esempio il DOC (Diesel Oxidation Catalyst) e l’SCR (Selective Catalytic Reduction), ma anche altri dispositivi possono essere presenti.

E’ indispensabile che alcuni di tali dispositivi raggiungano temperature dell’ordine dei 250 – 300°C per essere in grado di abbattere gli inquinanti presenti nei gas di scarico.

Una tecnica solitamente utilizzata per favorire il riscaldamento dell’ATS è quella di predisporre una valvola, cosiddetta flap, a monte dell’ATS, subito a valle della/delle turbine.

La chiusura di tale valvola determina una contropressione (backpressure) nel collettore di scarico, che induce il motore a compiere un ulteriore lavoro di pompaggio che deve essere superato mediante l’aumentando dell’iniezione di carburante e dunque della temperatura del motore e dei relativi gas di scarico, che favoriscono il warm up dell’ATS. Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di presentare un sistema per favorire il riscaldamento dell’ATS e più in generale di migliorare il rendimento dell’ATS in qualunque condizione operativa del motore/veicolo.

Il principio di base della presente invenzione è quello di disporre una power turbine a geometria variabile, disposta sulla linea di scarico dei gas esausti, a valle dell’ATS, cioè a valle del DOC e dell’SCR, in modo da aumentare mediamente la contropressione sulla linea di scarico, così da migliorare l’efficienza dell’ATS.

Si intende che l’ATS è unico, nel senso che non sono previsti ulteriori ATS a valle della power turbine.

Dunque, la power turbine è regolata in modo da garantire una contropressione apprezzabile in qualunque condizione operativa del motore a combustione interna e dunque non soltanto agli alti carichi e/o giri motore.

Pertanto, la turbina è regolata per ridurre la velocità di transito dei gas di scarico attraverso l’ATS in base al principio del Space x Velocity, inoltre invece che dissipare l’energia contenuta dei gas, questa viene recuperata dalla turbina che la converte in energia meccanica che può essere sfruttata in diversi modi. Il fatto di essere disposta a valle dell’ATS e di essere a geometria variabile, consente di variare, in modo controllabile, il tempo di permanenza dei gas all’interno dell’ATS, con incrementi di pressione superiori ad 1 bar relativo, permettendo sia un più rapido warm up e, successivamente, un miglioramento dell’efficienza dell’ATS, al punto che a parità di efficienza, le sue dimensioni possono essere ridotte.

Vantaggiosamente, la sezione di efflusso del distributore della turbina può essere controllata in funzione della temperatura dei gas di scarico.

L’energia prodotta dalla power turbine può essere ceduta all’albero motore oppure ad un generatore elettrico, per qualunque ulteriore scopo.

Se la power turbine è operativamente collegata con la trasmissione, essa può essere controllata anche in funzione della coppia motrice richiesta al motore a combustione interna. Pertanto, secondo una variante preferita dell’invenzione, almeno due mappature diverse del controllo della power turbine sono memorizzate in una centralina di controllo della stessa: una mappatura di controllo é adoperata in fase di warm up, cioè finalizzata al riscaldamento rapido di motore ed ATS, ed un’altra mappatura è adoperata in condizioni di regime termico, cioè quando l’ATS ha raggiunto la temperatura di attivazione dei propri dispositivi di purificazione.

Preferibilmente, tale seconda mappatura di controllo può essere finalizzata al minimo consumo specifico mediante un accurato bilanciamento tra l’efficienza del motore in sé ed il recupero energetico sulla power turbine.

La power turbine, essendo a geometria variabile, anche dopo la fase di warm up può essere controllata per determinare un rallentamento del deflusso dei gas che attraversano l’ATS. Ciò consente di trattare più efficacemente i gas di scarico, potendo dunque, a parità di condizioni di funzionamento di un sistema turbocompound tradizionale, ridurre l’ampiezza delle superfici attive e dunque le dimensioni di alcuni dei dispositivi di purificazione che formano l’ATS. Ma questo si ripercuote anche sul tempo di warm up, in quanto, dispositivi di dimensioni inferiori possono essere riscaldati con minore energia termica: per la minore superficie esterna disperdente e per la minore inerzia termica legata alla minore massa da riscaldare.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, la power turbine è a palette orientabili, pertanto, non soltanto è in grado di variare la propria sezione di efflusso, ma anche l’angolo di impatto del gas, iniettato dal/dagli ugelli nello scroll, con le palette della propria girante. Preferibilmente, quando la turbina è a palette orientabili, le palette possono orientarsi in modo che l’angolo di impatto del gas sulle palette della girante porti a rallentare il moto rotatorio della girante. Se la turbina è collegata all’albero motore, è evidente che la girante non può invertire il proprio senso di rotazione perché vincolata all’albero motore, ma ciò implica il trasferimento di coppia frenante al motore a combustione interna.

Pertanto, il motore a combustione interna, non soltanto deve superare il lavoro di pompaggio offerto dalla contropressione generata dalla power turbine, ma anche il lavoro negativo trasferito dalla stessa all’albero motore. Pertanto, grazie a questa variante preferita dell’invenzione, la procedura di warm up risulta ancora più rapida.

Terminata la fase di warm up, la power turbine può essere regolata in modo da offrire coppia negativa al motore a combustione interna nelle fasi di freno motore.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, terminata la fase di warm up, la power turbine può essere regolata anche in funzione della quantità di soluzione acquosa a base di urea che viene iniettata nell’ATS a monte dell’SCR definendo un ciclo Rankine aperto.

Viceversa, l’iniezione di soluzione acquosa a base di urea può essere opportunamente controllata in funzione del controllo operato sulla power turbine. Infatti, il miglioramento della efficienza del convertitore può permettere di eliminare gli eccessi di soluzione acquosa iniettati, rispetto alla stechiometria delle reazioni, che generalmente sono necessari per aumentare il tasso di conversione del convertitore in condizioni sub-ottimali di temperatura di esercizio. Ciò significa ridurre notevolmente la formazione di depositi cristallini di urea.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, l’ATS può essere dotato di un iniettore secondario di carburante, vale a dire un iniettore disposto sulla linea di scarico dei gas esausti, a monte almeno del filtro antiparticolato, per iniettare carburante durante la rigenerazione del filtro antiparticolato. Secondo tale variante preferita dell’invenzione, tale iniettore può essere utilizzato in cooperazione con la power turbine anche durante altre condizioni operative del sistema di propulsione, vale a dire per realizzare un ciclo Brayton, capace, pertanto di sfruttare la linea di scarico dei gas esausti del motore a combustione interna come parte attiva della generazione di energia meccanica veicolare. In altri termini, la stessa linea di scarico può essere controllata in modo da fornire un over-boost al sistema e dunque al veicolo.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, la power turbine trasferisce il proprio lavoro meccanico direttamente alle ruote del veicolo, pertanto essa è collegata alla driveline a valle del cambio.

In altre parole, la power turbine è collegata all’albero motore indirettamente, attraverso la catena cinematica di trasmissione (driveline), ed in particolare a valle del cambio, preferibilmente all’albero secondario del cambio, che spesso è dotato di predisposizione per una presa di forza. Tale collegamento può essere realizzato, ad esempio, attraverso opportuni ruotismi oppure un giunto idraulico tradizionale.

Secondo un perfezionamento di tale variante preferita dell’invenzione, la power turbine è operativamente collegata al secondario del cambio mediante una trasmissione a rapporto continuamente variabile anche nota con l’acronimo anglosassone CVT.

La particolare disposizione proposta comporta vantaggi energetici e di controllabilità.

Secondo un’altra variante preferita dell’invenzione la power turbine è associata ad un motogeneratore elettrico, in modo da convertire la relativa energia meccanica in energia elettrica, specialmente durante le fasi di warm up dell’ATS.

E’ oggetto della presente invenzione un sistema turbo compound migliorato, così come descritto nella rivendicazione 1.

Forma pure oggetto della presente invenzione un metodo di controllo del suddetto turbocompound.

Un ulteriore oggetto della presente invenzione è un veicolo terrestre implementante il suddetto sistema turbo compound.

Le rivendicazioni descrivono realizzazioni preferite dell’invenzione, formando 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 uno schema di massima del sistema turbo compound migliorato oggetto della presente invenzione,

nella figura 2 è indicato un diagramma riportante un esempio di variazione dimensionale dell’SCR dello schema di figura 1, in funzione della contropressione sulla linea di scarico,

nella figura 3 viene mostrato un triangolo di velocità della power turbina di figura 1, in una specifica condizione operativa.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

Secondo la figura 1 un motore a combustione interna E, per esempio Diesel, ha un collettore di aspirazione In ed un collettore di scarico Ex. Una unità di turbo compressione TC definisce un primo stadio di sovralimentazione del motore a combustione interna, eventualmente opzionale, con la prima turbina T operativamente disposta immediatamente a valle del collettore di scarico. Il compressore C, guidato dalla prima turbina T, aspira aria fresca dall’ambiente, la comprime, mentre un intercooler CAC raffredda l’aria compressa prima di entrare nel collettore di aspirazione In.

Un sistema di ricircolazione di gas di scarico EGR può essere implementato. Preferibilmente esso è del tipo noto in sé “ad alta pressione”, nel senso che la ricircolazione è operata spillando gas esausti a monte della prima turbina ed immettendo tali gas esausti nel collettore di aspirazione In a valle del compressore C.

Ciò non toglie che anche una ricircolazione di bassa pressione possa essere operata, cioè spillando gas esausti a valle della turbina del turbocompressore ma a monte del turbocompound e reimmettendolo nella linea di aspirazione a monte del/dei compressori.

Preferibilmente, il gas esausto ricircolato è preventivamente raffreddato per esempio mediante distinto raffreddatore EGR Cooler.

Una seconda turbina PT, detta power turbine, é disposta sulla linea di scarico IL, a valle della prima turbine T, se presente, secondo il flusso dei gas esausti.

Secondo la presente invenzione la power turbine PT é a geometria variabile e disposta sulla linea di scarico dei gas esausti IL, a valle dell’ATS, cioè a valle del DOC e dell’SCR. Preferibilmente un filtro antiparticolato è arrangiato a valle del DOC e a monte dell’SCR.

Subito a monte dell’SCR sono disposti mezzi EJU per iniettare un mistura a base di urea per l’abbattimento, in cooperazione con l’SCR, degli NOx.

La sezione di efflusso della power turbine può essere controllata in funzione della temperatura dei gas di scarico in modo da rallentare l’efflusso dei gas esausti, migliorandone lo scambio termico con i dispositivi di purificazione ed in modo da realizzare una contropressione nel motore a combustione interna che favorisca, come descritto sopra, in condizioni di warm up, il riscaldamento del motore e dell’ATS.

Preferibilmente, in condizioni di regime termico, cioè terminata la fase di warm up dell’ATS, la power turbine può essere regolata in funzione della coppia motrice richiesta al motore a combustione interna. In particolare, la riduzione della sezione di efflusso del distributore della turbina diventa direttamente proporzionale alla coppia richiesta al motore a combustione interna ed inversamente proporzionale alla temperatura dei gas di scarico.

Secondo una variante preferita dell’invenzione, almeno due mappature diverse del controllo della power turbine sono memorizzate in una centralina di controllo della stessa: una mappatura di controllo é adoperata in fase di warm up e l’altra è adoperata in condizioni di regime termico, cioè quando l’ATS ha raggiunto la temperatura di attivazione dei propri dispositivi di purificazione.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, la power turbine PT è operativamente collegata direttamente o indirettamente all’albero motore del motore a combustione interna ed è a palette orientabili. Pertanto, una connessione della power turbine alla trasmissione veicolare é intesa come un suo collegamento all’albero motore oppure ad un qualunque altro organo coinvolto nella trasmissione del moto alle ruote.

In particolare, la power turbine, non soltanto è in grado di variare la propria sezione di efflusso, ma anche l’angolo di impatto del gas iniettato dal/dagli ugelli dello scroll, con le palette della propria girante. Preferibilmente, quando il distributore della turbina è a palette orientabili, le sue palette possono orientarsi in modo che l’angolo di impatto del gas sulle palette della girante porti a rallentare il moto rotatorio della girante. Se la turbina è collegata all’albero motore, è evidente che la girante non può invertire il proprio senso di rotazione perché vincolata all’albero del motore a combustione interna, ma ciò implica il trasferimento di coppia frenante dalla power turbine alla trasmissione veicolare.

La figura 3 mostra un esempio di triangolo di velocità, applicato ad una power turbine adatta ad offrire coppia frenante all’albero motore a combustione interna.

In figura 3 viene mostrato un triangolo di velocità della power turbina di figura 1, in una specifica condizione operativa, in particolare durante la generazione di coppia frenante. Soltanto due palette mobili adiacenti P1 e P2 ed una paletta della girante P3 sono mostrate. Si può osservare come le palette mobili P1 e P2 siano orientatate in modo da definire un angolo α di uscita del flusso di gas esausto, che in figura è identificato col suo stesso vettore velocità assoluta Vp. Tale flusso incontra la paletta della girante P3, a sua volta avente velocità angolare ω e periferica Vω, secondo il vettore Vp_rel, risultato della somma vettoriale dei due vettori Vp e Vω . Tale velocità porta il flusso ad impattare contro le palette della ruota turbina creando una resistenza aerodinamica e quindi un assorbimento di coppia. Pertanto, il motore a combustione interna, non soltanto deve superare il lavoro di pompaggio offerto dalla contropressione generata dalla power turbine, ma anche il lavoro negativo trasferito dalla stessa all’albero motore.

Secondo un’ulteriore variante preferita della presente invenzione, la power turbine, terminata la fase di warm up, può essere regolata per frenare il motore E in condizioni di freno motore attivato.

Quando la condizione di freno motore è attivata, il motore a combustione interna è trascinato dall’inerzia del veicolo, senza immissione di combustibile. Esso, pertanto, funziona come una pompa volumetrica, dotata o meno di sistemi di rilascio dell’aria compressa al/dopo il punto morto superiore, che spinge aria dal collettore di aspirazione allo scarico.

Risulta evidente, che l’innalzamento medio della backpressure, induce il motore E ad assorbire maggiore energia meccanica per spingere l’aria verso il collettore di scarico frenando maggiormente il veicolo.

Secondo la presente invenzione, non soltanto è possibile innalzare la backpressure mediante la power turbine, ma risulta possibile trasferire coppia negativa direttamente al motore oppure alla driveline del veicolo.

Secondo un’ulteriore variante preferita della presente invenzione, la power turbine, terminata la fase di warm up, può essere regolata anche in funzione della quantità di soluzione acquosa a base di urea che viene iniettata nell’ATS a monte dell’SCR. Tale soluzione acquosa, infatti, ad alta temperatura evapora completamente ed in parte si converte in ammoniaca e di conseguenza aumenta la portata massica e volumetrica di gas che investe la power turbine.

La soluzione acquosa a base di ammoniaca subisce le seguenti trasformazioni:

- pompaggio nell’ATS a monte dell’SCR, mediante detto iniettore EJU,

- evaporazione, a causa della temperatura dei gas di scarico,

- espansione attraverso la power turbine.

Si tratta, pertanto della sequenza di trasformazioni di un ciclo Rankine (o Hirn) aperto, cioè senza il recupero del fluido mediante condensazione.

Vale la pena evidenziare che la portata di soluzione acquosa è direttamente dipendente dalla quantità di Nox da convertire ed abbattere. Ma tale quantità è anche proporzionale alla efficienza del convertitore SCR, che a sua volta è proporzionale alla temperatura e alla pressione dei gas al suo interno. Pertanto, anche dopo l’ultimazione della fase di warm up, l’incremento di pressione ottenuto dalla regolazione della sezione di efflusso della power turbine consente di innalzare l’efficienza di purificazione dell’SCR e pertanto consente, contemporaneamente, di ridurre la quantità di soluzione a base di urea iniettata nell’ATS e di recuperare l’energia di pompaggio del motore a combustione interna come energia meccanica alla power turbine.

Vantaggiosamente, risulta possibile incrementare la portata di soluzione acquosa iniettata per ottenere un overboost dalla power turbine e viceversa risulta possibile aumentare la contropressione generata dalla power turbine per ridurre la quantità di soluzione acquosa iniettata. Pertanto, il controllo della power turbine, in condizione di regime termico, risulta strettamente interrelato con l’iniezione di soluzione acquosa a base di urea.

La pratica di iniettare del carburante, come post iniezioni oppure mediante un apposito iniettore EJF alloggiato direttamente nella linea IL di scarico dei gas esausti, a monte del DPF, è nota, allo scopo di rigenerare il filtro antiparticolato DPF.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, la power turbine può essere controllata in condizioni di regime termico del sistema di propulsione, in combinazione con l’iniezione aggiuntiva di carburante, non allo scopo di rigenerare il DPF, ma allo scopo di ottenere ulteriore energia meccanica dalla power turbine.

La porzione di gas di scarico relativo al carburante iniettato mediante le post iniezioni evolve secondo un ciclo di trasformazioni comprendenti:

- Un compressione a pressione superiore all’ambiente (backpressure),

- un riscaldamento (ossidazione carburante post iniettato) a pressione costante ed

- una espansione attraverso la power turbine.

Si tratta, sostanzialmente, di un ciclo Brayton a lavoro positivo, il quale, non solo consente di ottenere ulteriore energia meccanica sulla power turbine, ma consente anche di migliorare l’efficienza del DOC DPF in quanto le reazioni si innescano più facilmente a temperature più basse al crescere della contropressione.

Al limite, le procedure di rigenerazione forzata del DPF vengono eliminate/ridotte, in quanto le reazioni naturali sono fortemente facilitate. Inoltre, se il veicolo è provvisto di EGR, l’aumento della pressione media sulla linea di scarico, facilita la ricircolazione dei gas esausti.

Entrambi gli effetti dell’espansione sia dell’ammoniaca, che della combustione di carburante iniettato mediante post iniezioni oppure mediante apposito iniettore disposto a monte del filtro antiparticolato risultano apprezzabili grazie alla combinazione della power turbine a geometria variabile, che innalza, la pressione media nella linea di scarico su tutto l’arco di utilizzo del motore, aumentando il rapporto di compressione con cui evolvono entrambe le frazioni gassose citate in precedenza. Vantaggiosamente, entrambi i cicli Rankine e Brayton hanno un rendimento crescente con il rapporto tre le pressioni massime e minime tra cui evolve il rispettivo fluido.

Senza la possibilità di operare con la geometria della power turbine il controllo di tale rapporto di pressioni, l’aumento di rendimento legato allo sfruttamento di questi due effetti diventa mediamente trascurabile.

Inoltre, l’energia meccanica recuperata contribuisce al miglioramento dell’efficienza del sistema contrariamente ai flap disposti sulla linea di scarico e/o sulla linea di aspirazione del motore a combustione interna E.

Vantaggiosamente, il fatto di operare a pressioni mediamente più alte di quelle note, cioè a valori di pressione dell’ordine di 1-2 bar relativi, consente di adoperare, come power turbine, una turbina centripeta simile alle turbine del gruppo turbocompressore T, C, piuttosto che turbine assiali che hanno grado di reazione prossimo allo zero (impulse turbine).

Pertanto, la presente soluzione, non soltanto consente di ridurre i tempi di warm up dell’ATS, ma consente anche di ridurre le dimensioni stesse dei componenti di purificazione dell’ATS e consente di sfruttare positivamente l’innalzamento di pressione lungo la linea di scarico recuperando energia meccanica che può essere convertita in energia elettrica, collegando la power turbine ad un generatore elettrico oppure può essere ceduta alla trasmissione G1 del veicolo.

In figura 2 è mostrato un grafico che mostra un esempio di riduzione dimensionale dell’SCR in funzione della contropressione sulla linea di scarico. E’ chiaro che con una contropressione di 1.5 bar relativi (cioè rispetto alla pressione atmosferica) sia possibile dimezzare le dimensioni dell’SCR.

Secondo una variante preferita della presente invenzione, la power turbine è collegata alla trasmissione a valle del cambio. Preferibilmente è collegata all’albero secondario del cambio G1, preferibilmente attraverso una presa di forza G1, generalmente disponibile nei cambi dei veicoli pesanti.

Vantaggiosamente, dal punto di vista energetico, il collegamento ad un elemento della catena cinematica molto vicino alle ruote del veicolo e quindi non soggetto alle vibrazioni torsionali proprie dell’albero motore, permette l’eliminazione del giunto smorzatore idraulico, tipicamente usato per le power turbine dei sistemi turbocompound. Tale giunto infatti comporta solitamente una perdita energetica pari ad almeno il 15% di quanto recuperato dalla ruota della power turbine.

Secondo la presente invenzione, la power turbine PR è collegata al cambio mediante rotismi oppure un giunto idraulico tradizionale.

Preferibilmente, la power turbine è operativamente collegata al secondario del cambio mediante una trasmissione a rapporto continuamente variabile CVT.

La sostituzione del tradizionale giunto idraulico con un CVT, a fronte di una piccola perdita di rendimento di trasmissione (4-5% rispetto ad una cascata di ingranaggi), permette però di mantenere la velocità periferica della power turbine sempre nel range di rapporto ottimo U/C, cioè velocità efflusso U del gas diviso la velocità periferica C della girante, da cui dipende in misura preponderante il rendimento fluidodinamico della turbina stessa.

Pertanto, mediante un CVT è sempre possibile mantenere la power turbine nel regime di funzionamento in cui esprime il miglior rendimento. Ciò consentendo un ottimale recupero dell’energia termodinamica a valle dell’ATS.

Oltre al miglioramento dell’efficienza del recupero, questo ha l’effetto di disaccoppiare, senza penalizzazione, la gestione della geometria variabile della power turbine dalla velocità di rotazione della stessa. Quindi le procedure sopra descritte di gestione della turbina in fase di warm up, oppure in fase di regime termico, per minimizzare il consumo specifico di carburante, oppure per incrementare la potenza disponibile alle ruote, possono essere praticate mantenendo la power turbine in condizioni di massima efficienza.

La variante che prevede la connessione della power turbine alla driveline é sinergica col fatto di aver disposto la power turbine a valle dell’ATS.

L’ATS risulta essere particolarmente ingombrante, dunque la power turbine si trova distante dal motore. Pertanto, grazie ad una variante preferita della presente invenzione risulta agevole collegare la power turbine direttamente sul cambio. Ciò inoltre comporta l’ulteriore vantaggio di offrire coppia motrice alle ruote anche durante i cambi di marcia, cioè quando l’albero motore viene disconnesso dal cambio mediante la frizione, potendo pertanto evitare di implementare cambi automatici o a doppia frizione, solitamente utilizzati per non far rallentare il veicolo durante i cambi marcia. Vale la pena evidenziare che ogni rallentamento deve poi essere recuperato bruciando combustibile addizionale e che un cambio di marcia di un veicolo pesante può durare anche alcuni secondi.

Preferibilmente, l’albero secondario G2 del cambio è ulteriormente collegato alle ruote motrici del veicolo, per esempio, attraverso un differenziale D.

Risulta vantaggioso quindi, durante i cambi di marcia

- controllare il motore a combustione interna in modo da incrementare la portata e la temperatura dei gas di scarico, e/o

- incrementare l’iniezione di soluzione acquosa a base di urea, e/o

- realizzare delle post iniezioni di carburante per sfruttare il suddetto ciclo Bryton.

Risulta anche vantaggioso, regolare il distributore della power turbine in modo da aumentare il recupero di energia meccanica, con un ovvio aumento della contropressione.

Se il motore a combustione è controllato dalla ECU per trovare un equilibrio dinamico ad un carico superiore per via di tale contropressione generata, l’effetto della power turbine risulta amplificato, riuscendo a fornire al veicolo la coppia necessaria a mantenere una velocità costante mentre la frizione è staccata ed il cambio esegue un cambio di rapporto.

Tale controllo è realizzabile abbastanza facilmente se il cambio è automatico o automatizzato, potendosi predire con sufficiente anticipo la cambiata e dunque, potendo controllare l’alimentazione del motore a combustione interna concordemente.

Secondo la presente invenzione, pertanto, durante la fase di warm up dell’ATS, la power turbine è controllata in modo da incrementare la contropressione al collettore di scarico del motore.

Se la power turbine è a palette orientabili e l’asse della power turbine è collegata con l’albero motore, durante la fase di warm up, le alette possono essere orientate in modo che l’asse della turbina trasferisca una coppia negativa al motore a combustione interna.

Pertanto, la power turbine è controllata in funzione della temperatura dei gas di scarico ed in subordine, in funzione della potenza richiesta al motore a combustione interna.

Le precedenti operazioni di controllo possono essere vantaggiosamente implementate in una unità di elaborazione ECU tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando questo programma è eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l’ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando detto programma è eseguito su di un computer.

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 turbocompound migliorato, il sistema comprendendo - un motore a combustione interna (E) avente un collettore di scarico (Ex) ed una linea di scarico (IL) collegata e contigua con il collettore di scarico, - un unico sistema di purificazione dei gas di scarico (ATS) disposto su detta linea di scarico (IL), - una power turbine (PT), disposta sulla linea di scarico (IL) a valle di detto unico sistema di purificazione (ATS), in cui la power turbine (PT) è a geometria variabile, controllata da mezzi di elaborazione (ECU), per innalzare mediamente una contropressione sulla linea di scarico (IL).
2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per controllare una sezione di efflusso della power turbine (PT) in funzione della temperatura dei gas di scarico per rendere più rapido il processo di warm up del sistema di purificazione (ATS).
3. Sistema secondo una delle rivendicazioni 1 o 2, in cui detto sistema di purificazione comprende un SCR e mezzi (EJU) per iniettare una soluzione acquosa a base di urea controllati da detti mezzi di elaborazione (ECU).
4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per controllare detta geometria variabile di detta power turbine e detti primi mezzi di iniezione (EJU) in modo da minimizzare l’iniezione di soluzione acquosa a base di urea, incrementando una contropressione alla linea di scarico (IL).
5. Sistema secondo le rivendicazioni 3 o 4, in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per controllare detta power turbine e detti primi mezzi di iniezione (EJU) in modo da massimizzare una energia meccanica recuperata dalla power turbine, incrementando contemporaneamente un contropressione alla linea di scarico (IL) ed una portata di soluzione acquosa a base di urea, in modo da sfruttare un ciclo Rankine aperto.
6. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detta linea di scarico (IL) comprende un filtro antiparticolato (DPF) e secondi mezzi (EJF) per iniettare carburante nella linea di scarico, a monte di detto filtro antiparticolato, controllati da detti mezzi di elaborazione (ECU) ed in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per controllare detta power turbine e detti secondi mezzi di iniezione (EJF) in modo da massimizzare una energia meccanica recuperata dalla power turbine, incrementando contemporaneamente la contropressione alla linea di scarico (IL) ed una portata di carburante iniettato, in modo da sfruttare un ciclo Bryton aperto.
7. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto motore a combustione interna (E) è ulteriormente munito di un collettore di aspirazione (In) e di un gruppo turbocompressore (T, C) avente una prima turbina (T) disposta a valle del collettore di scarico (Ex) ed a monte di detto sistema di purificazione (ATS).
8. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto motore a combustione interna (E) è ulteriormente munito di mezzi EGR ed in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per controllare detta geometria variabile di detta power turbine in modo da favorire una ricircolazione di gas di scarico.
9. Sistema secondo la rivendicazione 8, in cui detti mezzi EGR sono di alta pressione e/o di bassa pressione.
10. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti in cui detta power turbine è operativamente collegata ad un generatore elettrico per generare corrente elettrica oppure in cui detta power turbine è operativamente collegata alla trasmissione veicolare.
11. Sistema secondo la rivendicazione 10, in cui detto motore a combustione interna (E) comprende un cambio (G) ed in cui la power turbine è operativamente collegata a valle del cambio, preferibilmente, ad un albero di trasmissione secondario del cambio (G1).
12. Sistema secondo la rivendicazione 11, in cui detto cambio comprende una presa di forza (G2) ed in cui detta power turbine è operativamente collegata all’albero di trasmissione secondario del cambio (G1) mediante detta presa di forza (G2).
13. Sistema secondo una delle rivendicazioni 11 o 12, in cui detta power turbine è operativamente collegata all’albero di trasmissione secondario del cambio (G1) mediante opportuni rotismi oppure un cambio CVT controllato da detti mezzi di elaborazione (ECU).
14. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 11 – 13, in cui il distributore di detta power turbine è a palette orientabili ed in cui le palette possono orientarsi in modo che un angolo di impatto del gas esausto sulle palette della turbina sia tale da rallentare il moto rotatorio della girante trasferendo una coppia frenante alla trasmissione veicolare.
15. Sistema secondo la rivendicazione 14, in cui detti mezzi di elaborazione sono adattati per controllare della orientazione delle palette in modo che la power turbine genera coppia negativa in fase di warm up del sistema di purificazione (ATS) e/o in condizioni di freno motore.
16. Sistema secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 11 - 15, in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per controllare detta power turbine in modo da incrementare o massimizzare una energia meccanica recuperata dalla power turbine e trasmessa alla trasmissione veicolare durante un cambio di marcia.
17. Sistema secondo la rivendicazione 16, in cui detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per indurre il motore a combustione a trovare un equilibrio dinamico ad un carico superiore per via di una contropressione generata dalla power turbine, amplificando il contributo della power turbine durante i cambi di marcia.
18. Sistema secondo le rivendicazioni da 13 a 17, in cui detta power turbine è operativamente collegata all’albero secondario del cambio (G1) mediante un cambio CVT controllato da detti mezzi di elaborazione (ECU), detti mezzi di elaborazione sono adattati per controllare detto cambio CVT in modo da mantenere la power turbine in un regime di rotazione tale che il suo rendimento é ottimale.
19. Metodo di controllo di sistema turbocompound migliorato secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, comprendente il passo di regolare detta geometria variabile della power turbine: - durante una fase di warm up dell’ATS, per rendere più rapida la procedura stessa e/o - durante una condizione di regime termico del sistema di purificazione (ATS), per minimizzare l’iniezione di soluzione acquosa a base di urea e/o - durante una condizione di regime termico del sistema di purificazione (ATS), per favorire una ricircolazione di gas EGR e/o - durante una condizione di regime termico del sistema di purificazione (ATS), per recuperare una predefinita energia meccanica mediante la power turbine e/o - durante una condizione di freno motore, per incrementare il lavoro di pompaggio del motore a combustione interna.
20. Metodo secondo la rivendicazione 19, in cui quando la power turbine è a palette orientabili ed è operativamente collegata alla trasmissione veicolare, il metodo di controllo comprende un passo di regolare una orientazione delle palette in modo che la power turbine generi e trasferisca alla trasmissione veicolare coppia frenante in fase di warm up del sistema di purificazione (ATS) e/o in condizioni di freno motore.
21. Metodo secondo la rivendicazione 20, in cui, se il sistema turbocompound comprende secondi mezzi di iniezione (EJF) di carburante, detti mezzi di elaborazione (ECU) sono adattati per - comandare almeno una iniezione di carburante, e - per ridurre concordemente una sezione di efflusso della power turbine (PT), in modo da incrementare una potenza meccanica recuperata dalla power turbine (PT).
22. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui il sistema turbocompound comprende primi mezzi (EJU) di iniezione di una soluzione acquosa a base di urea disposti su detta linea di scarico (IL) a monte di detto ATS e controllati da detti mezzi di elaborazione, allora detti mezzi di elaborazione sono adattati per - comandare almeno una variazione di iniezione di soluzione acquosa a base di urea, e - per ridurre concordemente una sezione di efflusso della power turbine (PT), in modo da incrementare una potenza meccanica recuperata dalla power turbine (PT).
23. Veicolo terrestre implementante un sistema turbo compound migliorato secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 18.
24. Programma di computer che comprende mezzi di codifica di programma atti a realizzare i passi delle rivendicazioni da 19 a 22, quando detto programma è fatto girare su di un computer.
25. Mezzi leggibili da computer comprendenti un programma registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma atti a realizzare i passi delle rivendicazioni da 19 a 22, quando detto programma è fatto girare su di un computer. (FIU/lm)