ES2239346T3 - Valvula de salida de gases residuales de escape controlada electronicamente. - Google Patents
Valvula de salida de gases residuales de escape controlada electronicamente.Info
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Abstract
UNA COMPUERTA DE DESCARGA ELECTRONICAMENTE CONTROLADA SE AJUSTA DE MANERA QUE LA CAIDA DE PRESION A TRAVES DE UNA VALVULA ESTRANGULADORA EN EL MOTOR SE APROXIME A UN VALOR DE RESERVA DE PRESION DE LA VALVULA ESTRANGULADORA, DESEADO, ADAPTATIVAMENTE GENERADOR. EL VALOR DE LA RESERVA DE PRESION DESEADA DE LA VALVULA DE ESTRANGULACION SE BASA AL MENOS EN PARTE EN UN HISTORIAL DE LA CARGA DEL MOTOR. EN UNA REALIZACION PREFERIDA, LA VELOCIDAD DEL MOTOR SE UTILIZA COMO UNA SUSTITUCION PARA LA CARGA DEL MOTOR PARA DETERMINAR EL VALOR DE RESERVA DE PRESION DE LA VALVULA ESTRANGULADORA DESEADO. EL VALOR DE RESERVA DE PRESION, DE LA VALVULA ESTRANGULADORA DESEADO ES PREFERIBLEMENTE BAJADO A LO LARGO DEL TIEMPO MEDIANTE EL USO DE UN TERMINO DE GANANCIA, NEGATIVO EN EL CONTROLADOR ELECTRONICO. DE ESTA MANERA, EL CONTROL DE LA COMPUERTA DE DESCARGA SUMINISTRA UNA RESERVA DE PRESION DE LA VALVULA ESTRANGULADORA SUFICIENTE PARA UNA ACEPTACION SATISFACTORIA DE LA CARGA CUANDO LA CARGA DEL MOTOR FLUCTUA, MINIMIZANDO AUN LA RESERVA DE PRESION DE LA VALVULA ESTRANGULADORA PARA MEJORAR EL CONSUMO DE COMBUSTIBLE DEL MOTOR CUANDO LA CARGA DEL MOTOR ES RELATIVAMENTE ESTACIONARIA.
Description
Válvula de salida de gases residuales de escape
controlada electrónicamente.
La invención está relacionada con el control de
una válvula de salida de gases residuales de escape en un motor de
combustión interna.
La invención está dirigida principalmente a los
grandes motores industriales de combustión interna que están
alimentados con gas natural, y que tiene por objeto operar durante
grandes periodos, y siendo capaces de generar potencias de miles de
caballos de vapor. Estos grandes motores se utilizan típicamente
para generar energía eléctrica, bombeado de gas natural y petróleo,
o bien como fuente de energía para operaciones de perforaciones de
pozos en alta mar.
La invención se aplica a motores de combustión
interna con sobrealimentación por compresor que tienen una válvula
de salida de gases residuales de escape. El turboalimentador incluye
una turbina y un compresor. En un motor turboalimentado, los gases
de escape accionan una rueda de turbina en la turbina, la cual a su
vez acciona un eje conectado a la rueda del compresor en el
compresor. Los gases de escape que salen del turboalimentador se
descargan a través de un conducto de salida de escape. El compresor
presuriza típicamente o turboalimenta el aire ambiente, y fuerza el
aire de admisión presurizado a través de un refrigerador intermedio
y un carburador (o bien otro dispositivo de adición de combustible
tal como la inyección electrónica de combustible), pasando por una
válvula de regulación del acelerador, y hacia el interior del
colector de admisión del motor. En algunos sistemas, el carburador
está situado en zona de aguas arriba del compresor de forma que el
compresor presurice una mezcla de combustible y aire.
Los gases de escape se descargan desde el motor a
través de un colector de escape del motor, y son dirigidos a través
de un conducto de descarga del colector de escape hacia la turbina
del turboalimentador. Se encuentra provista frecuentemente una
válvula de salida de gases residuales de escape para separar parte o
la totalidad de la energía de los gases de escape del motor fuera de
la turbina del turboalimentador. Usualmente, la válvula de salida de
gases residuales de escape está situada dentro de un conducto entre
el conducto de descarga del colector de escape y el conducto de
salida del sistema de escape.
Utilizando un control estándar de salida de gases
residuales de escape, conocido como regulador elevador máximo, la
válvula de salida de gases residuales de escape permanece cerrada
hasta que la presión del aire de admisión presurizado del compresor
llegue a ser lo suficientemente grande para que accione un mecanismo
de resorte en el actuador de la salida de gases residuales de
escape, para abrir la válvula de salida de gases residuales de
escape. El sistema desvía así los gases de escape del motor
alejándolos de la turbina en el turboalimentador, cuando la presión
de descarga del compresor alcance un valor elevador máximo. En
dicho sistema de elevación máxima, la válvula de salida de gases
residuales de escape permanece cerrada para cargas ligeras y
continua cerrada hasta que el motor alcance aproximadamente del 80%
al 90% de la carga total. Incluso aunque el regulador de velocidad
esté totalmente abierto en un sistema elevador máximo, la apertura
de la válvula de salida de gases residuales de escape reducirá la
cantidad de energía suministrada a la turbina en el
turboalimentador, y a su vez mantendrá la presión de descarga del
compresor a un valor elevador máximo.
Es conocido en el arte utilizar un control fijo
\DeltaP de la salida de gases residuales de escape, conjuntamente
con un regulador elevador máximo. En un control fijo de salida de
gases residuales de escape \DeltaP, la válvula de salida de gases
residuales de escape se ajusta para que mantenga una reserva de
presión fija a través de un regulador de aceleración (es decir, una
caída de presión fija a través del regulador de aceleración para
cargas ligeras o medias del motor). En comparación con un control de
salida de gases residuales de escape estándar, utilizando solo un
regulador elevador máximo, el control fijo \DeltaP de salida de
gases residuales de escape tiene a mejorar el rendimiento del motor
para cargas ligeras o medias, debido a la reducida presión de los
gases de escape y a las pérdidas de bombeado asociadas. El regulador
elevador máximo en un control fijo \DeltaP de salida de gases
residuales de escape opera de forma similar al control estándar de
salida de gases residuales de escape, para limitar la presión máxima
de descarga del compresor.
En un control fijo \DeltaP de salida de gases
residuales de escape, la reserva de presión del regulador de
velocidad puede ser monitorizada mecánicamente, utilizando una toma
de presión en zona de aguas arriba del regulador de velocidad y otra
toma de presión en zona de aguas debajo del regulador de velocidad.
La diferencia de presión entre las tomas de presión acciona
típicamente un actuador de la válvula de salida de gases residuales
de escape accionada por resorte. Alternativamente, la reserva de
presión del regulador de velocidad puede determinarse
electrónicamente mediante la detección de la presión tanto en zona
de aguas arriba y aguas abajo del regulador de velocidad, y restando
las dos presiones detectadas electrónicamente para determinar una
diferencia de presión a través del regulador de velocidad.
Los grandes motores industriales de combustión
interna operan típicamente a una velocidad fija, pero varía la carga
sobre el motor. Si existe un gran incremento en la carga, el
regulador de velocidad se abre y cae la diferencia de presión a
través del regulador de velocidad, lo cual proporciona un incremento
inicial en la salida de potencia del motor. En otras palabras, la
reserva de presión del regulador de velocidad proporciona el
incremento inicial en la salida de potencia del motor. El incremento
restante en la salida de potencia es debido al hecho de que el
turboalimentador continuará acelerándose conforme la salida de gases
residuales de escape permanezca cerrada. La salida de gases
residuales de escape permanecerá cerrada hasta que la reserva de
presión del regulador de velocidad (es decir, la caída de presión a
través del regulador de velocidad) se recupere. Esto llevará un
tiempo relativamente largo (por ejemplo, 5 segundos) para que el
turboalimentador acelere para que la caída de presión a través del
regulador de velocidad se recupere completamente. En los grandes
motores industriales de combustión interna que tiene un control fijo
\DeltaP de salida de gases residuales de escape, la reserva de
presión deseada del regulador de velocidad se selecciona
normalmente para sea un compromiso entre un consumo de combustible
razonable y el mantenimiento de la aceptación de una carga
satisfactoria.
Con un control fijo \DeltaP de la salida de
gases residuales de escape, puede mejorarse el rendimiento del
motor, mediante el mantenimiento de la caída de baja presión a
través del regulador de velocidad, pero la aceptación de la carga
del motor queda reducida. Una reserva más alta de la presión del
regulador de velocidad permite al motor aceptar cargas mayores a una
velocidad constante, o acelerar con una carga constante con la
apertura del regulador de velocidad de forma inmediata debido a la
falta de presión del colector de admisión. No obstante, para
conseguir un rendimiento óptimo, se desea mantener el regulador de
velocidad en su posición abierta, reduciendo así la reserva de
presión del regulador de velocidad y la aceptación de carga del
motor. Existe por tanto una compensación entre la respuesta del
motor y el consumo de combustible.
Puede apreciarse que sería deseable mantener una
reserva de presión del regulador de velocidad relativamente pequeña
para mejorar el rendimiento del motor cuando la carga en el motor
sea relativamente estable, manteniendo no obstante una reserva de
presión del regulador de velocidad de un valor relativamente grande,
para mejorar la aceptación de la carga en el motor cuando la carga
en el motor pueda fluctuar. En la patente de los EE.UU. número
5551236, solicitud número 08/236467, titulada "Sistema de gestión
del control del turboalimentador", y concedida al concesionario
de la presente solicitud, se expone un sistema de control fijo
\DeltaP de salida de gases residuales de escape en relación con un
controlador electrónico. En dicha solicitud, se sugiere que la
reserva de presión deseada del regulador de velocidad puede
ajustarse dependiendo de una respuesta a la carga deseada del
motor, la cual está correlacionada con el controlador dependiendo de
varias condiciones. No obstante, incluso con el sistema en la
solicitud anterior aludida, es difícil predecir cuando debería ser
grande la reserva de presión del regulador de velocidad y cuando
debería ser pequeña la reserva de presión del regulador de
velocidad.
La invención proporciona un motor turboalimentado
de combustión interna que comprende:
un motor;
un turboalimentador que tiene una turbina y un
compresor;
un regulador de velocidad conectado entre el
compresor y el motor;
un sensor de presión de zona de aguas arriba que
detecta la presión en zona de aguas arriba del regulador de presión
entre el regulador de velocidad y el compresor, en el que el sensor
de presión de aguas arriba genera una señal de presión de aguas
arriba en respuesta a la misma;
un sensor de presión de aguas abajo que detecta
la presión de aguas abajo del regulador de velocidad entre el
regulador de velocidad y el motor, en el que el sensor de presión de
aguas abajo genera una señal de presión de aguas abajo en respuesta
a la misma;
un sensor de carga del motor que genera una señal
de carga del motor;
un controlador electrónico que recibe las señales
de presión de aguas arriba y aguas abajo y la señal de carga del
motor, y da salida a una señal de control de la salida de gases
residuales de escape; y
una salida de gases residuales de escape
conectada entre el motor y la turbina que desvía los gases de escape
del motor alejándolos de la turbina, en respuesta a una señal de
control de la salida de gases residuales de escape; caracterizado
porque al menos con una carga del motor predeterminada, el
controlador electrónico genera la mencionada señal de control de
salida de gases residuales de escape y un valor de reserva de
presión deseada del regulador de velocidad, al menos en parte,
mediante la utilización de una pluralidad de las pasadas señales
mencionadas de la carga del motor, generadas por el mencionado
sensor de carga del motor a través de un periodo de tiempo deseado,
por lo que el controlador electrónico tiene en cuenta si la carga
del motor está fluctuando o es relativamente estable, y generando la
mencionada señal de control deseada de la salida de gases residuales
de escape del regulador de velocidad, utilizando el mencionado valor
de reserva de presión deseada del regulador de velocidad.
En una realización, el sensor de carga del motor
es un sensor de la velocidad del motor, y la señal de carga del
motor es una señal de la velocidad del motor.
El sensor de velocidad del motor puede ser un
sensor de las revoluciones por minuto (rpm) del motor, y la señal de
velocidad del motor es una señal de las revoluciones por minuto
(rpm) del motor.
En otra realización, el sensor de la carga del
motor es un sensor eléctrico para monitorizar la salida eléctrica de
un generador eléctrico que es accionado por el motor.
En otra realización incluso, el sensor de carga
del motor es un sensor MAP que mide la presión absoluta del colector
de admisión, y generando la señal de carga del motor en respuesta a
la misma.
El controlador electrónico puede generar la
mencionada señal de control de salida de gases residuales de escape,
utilizando las señales pasadas de la carga del motor y la señal de
carga del motor en curso.
La señal de control de salida de gases residuales
de escape puede ser generada utilizando sucesivos valores de reserva
deseados de la presión del regulador de velocidad generados por el
mencionado controlador electrónico al menos en parte mediante la
utilización de las mencionadas señales pasadas de carga del
motor.
El controlador electrónico puede generar los
mencionados valores de reserva sucesivos de la presión del regulador
de velocidad, utilizando una ganancia negativa fija que controle los
sucesivos valores deseados de reserva del regulador de velocidad en
sentido descendente en ausencia de una fluctuación significativa en
la carga del motor, para controlar en sentido ascendente el valor de
la reserva de presión deseada.
El controlador electrónico puede generar varios
valores de reserva sucesivos de la presión del regulador de
velocidad, utilizando una señal de carga del motor en curso.
El controlador electrónico puede generar la señal
de control de la salida de gases residuales de escape utilizando los
sucesivos valores de la reserva de presión del regulador de
velocidad que estén determinados por el controlador electrónico de
acuerdo con la siguiente ecuación:
\DeltaP (t+1) = -GANANCIA + P * NSE + I* \int
NSE + \DeltaP(t) en donde:
\DeltaP (t) es el valor de reserva deseado de
la presión del regulador de velocidad para un periodo de tiempo en
curso;
\DeltaP (t+1) es la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad para el siguiente periodo de tiempo
subsiguiente;
GANANCIA es el valor fijo seleccionado para
controlar lentamente la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad en ausencia de una fluctuación significativa en la carga
del motor;
P es una ganancia proporcional;
NSE es un error de velocidad negativa, el cual es
igual a un punto de configuración de la velocidad del motor
preseleccionada menos la velocidad del motor, según lo medido por el
sensor de velocidad del motor durante el periodo de tiempo en curso,
a menos que la velocidad del motor medida por el sensor de velocidad
del motor durante el periodo de tiempo en curso sea más rápida que
la velocidad del motor preseleccionada en cuyo caso NSE
\hbox{será igual a 0:}
I es la ganancia integral; y
\int NSE es la integral del error de velocidad
negativa a través de la mencionada duración de tiempo en el
pasado.
La carga del motor predeterminada puede ser una
carga del motor más grande que el 25% de la carga nominal máxima del
motor.
El error de velocidad negativa puede ser
calculado teniendo en cuenta una banda inactiva en la cual el error
de velocidad negativa se fija como igual a cero en tanto que la
velocidad del motor medida por el sensor de velocidad del motor no
sea significativamente inferior al punto de configuración de la
velocidad del motor preseleccionada.
La invención incluye también un método de control
de la posición de la válvula de salida de gases residuales de escape
en un motor turboalimentado de combustión interna, comprendiendo el
método las etapas de:
medir una diferencia de presión a través del
regulador de velocidad en el motor;
medir la carga en el motor de forma repetida a
través del tiempo; y
caracterizado porque genera un valor de reserva
de presión deseada del regulador de velocidad en al menos una carga
del motor predeterminada, al menos en parte por el uso de una
mencionada pluralidad de señales de carga del motor a través de un
periodo de tiempo deseado, de forma que se tenga en cuenta si la
carga del motor está fluctuando o está relativamente estable;
comparar la diferencia de presión medida a través
del regulador de presión con la reserva de presión deseada del
regulador de velocidad, y generando electrónicamente una señal de
control de la salida de gases residuales de escape en respuesta a la
misma; y
utilizar la señal de control de la salida de
gases residuales del escape para controlar un actuador de la salida
de gases residuales para abrir la válvula de salida de gases
residuales cuando la diferencia de presión medida a través del
regulador de velocidad sea mayor que la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad, y para cerrar la válvula de salida de
gases residuales cuando la diferencia de presión a través del
regulador de velocidad sea inferior a la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad.
El valor generado de la reserva de presión del
regulador de velocidad puede depender también al menos en parte de
la ganancia negativa constante que controla los valores sucesivos
deseados de la reserva de presión del regulador de velocidad en
forma descendente en ausencia de una fluctuación significativa en la
carga del motor, para controlar en sentido ascendente el valor
deseado de la reserva de la presión del regulador de velocidad.
Los valores de reserva sucesivos deseados de la
presión del regulador de velocidad pueden ser generados
adaptativamene con un esquema de actualización con configuración de
bucle.
En una realización, la carga del motor se mide
mediante la medición de la velocidad del motor con un sensor de
velocidad del motor, y el valor de reserva deseado del regulador de
velocidad se genera adaptativamente para los sucesivos periodos de
tiempo de acuerdo con la siguiente ecuación:
\DeltaP (t+1) = -GANANCIA + P * NSE + I* \int
NSE + \DeltaP(t) en donde:
\DeltaP (t) es el valor de reserva deseado de
la presión del regulador de velocidad para un periodo de tiempo en
curso;
\DeltaP (t+1) es la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad para el siguiente periodo de tiempo
subsiguiente;
GANANCIA es el valor fijo seleccionado para
controlar lentamente la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad en ausencia de una fluctuación significativa en la carga
del motor;
P es una ganancia proporcional;
NSE es un error de velocidad negativa, el cual es
igual a un punto de configuración de la velocidad del motor
preseleccionada menos la velocidad del motor, según lo medido por el
sensor de velocidad del motor durante el periodo de tiempo en curso,
a menos que la velocidad del motor medida por el sensor de velocidad
del motor durante el periodo de tiempo en curso sea más rápida que
la velocidad del motor preseleccionada en cuyo caso NSE será igual a
0:
I es la ganancia integral; y
\int NSE es la integral del error de velocidad
negativa a través de la mencionada duración de tiempo en el
pasado.
La magnitud de un incremento del valor de reserva
deseado de la presión del regulador de velocidad entre dos
sucesivos valores de reserva deseados del regulador de velocidad
puede estar limitada a un valor preseleccionado.
El método puede comprender además la etapa de
proporcionar un enriquecimiento transitorio de la mezcla de
combustible/aire que se introduce en el motor en el principio de un
incremento de la carga, después de un periodo de estabilidad
ampliada de la carga.
Con el fin de que la invención pueda ser
comprendida bien, se describirá una realización de la misma a modo
solamente de ejemplo con referencia a los dibujos.
La figura 1 es un dibujo esquemático que muestra
un motor turboalimentado de combustión interna con un control
estándar de salida de gases residuales del escape, tal como es
conocido en el arte.
La figura 2 es un dibujo esquemático que muestra
un motor turboalimentado de combustión interna, que tiene un control
de salida de gases residuales de escape \DeltaP, tal como es
conocido en el arte.
La figura 3 es un dibujo esquemático que muestra
un motor turboalimentado de combustión interna que tiene un control
de salida de gases residuales del escape \DeltaP adaptativo de
acuerdo con la invención.
La figura 4 es un diagrama de flujo que muestra
el esquema preferido para ajustar en forma continua la reserva de
presión deseada del regulador de velocidad para el sistema mostrado
en la figura 3.
Las figuras 5a a 5c son gráficos que representan
el punto de ajuste \DeltaP, velocidad del motor, y el par motor
con respecto al tiempo, que describen la respuesta del control de
salida de gases residuales del escape \DeltaP adaptativo que se
muestra en las figuras 3 y 4 con respecto a los cambios en la carga
del motor.
Las figuras 1 y 2 muestran esquemáticamente dos
versiones de un gran sistema interno de un motor industrial 10 que
tiene un turboalimentador 12 y una válvula 14 de salida de gases
residuales del escape, que están controlados de una forma conocida
en el arte. En particular, la figura 1 muestra un sistema con un
control estándar de salida de gases residuales del escape conocido
como regulador elevador máximo, la figura 2 muestra un sistema con
un control fijo \DeltaP (es decir, un control de reserva de la
presión del regulador de velocidad).
En la figura 1, el motor 10 incluye un colector
de admisión 16 y un colector de escape 18. Los gases de escape se
descargan desde el colector de escape 18 a través del conducto de
descarga 20 del colector de escape, y circulan hacia el
turboalimentador 12. El turboalimentador incluye una turbina 22 y
un compresor 24. Los gases de escape del motor pasan a través del
turboalimentador 12 al interior del conducto de salida del escape
26.
El aire ambiente entra en el compresor 24 a
través de un conducto 28 de admisión de aire. Se encuentra situado
normalmente un filtro limpiador de aire (no mostrado) en el conducto
28 de admisión de aire. Puesto que la entrada de aire ambiente en el
compresor 24 es aspirado a través de un filtro limpiador de aire,
el conducto 28 de admisión de aire se encuentra normalmente bajo un
vacío parcial. La energía en los gases de escape que circulan a
través de la turbina 22 acciona una rueda de turbina 30, la cual a
su vez acciona un eje 32 para accionar la rueda del compresor 34. La
rueda del compresor 34 comprime (es decir, presuriza, turboalimenta,
o refuerza) el aire ambiente que circula hasta el compresor 24 a
través del conducto 28 de admisión de aire, y el aire de admisión
presurizado es suministrado al compresor 24 en el conducto de
descarga del compresor 36. El aire presurizado en el conducto 24 de
descarga del compresor es forzado a través de un refrigerador
intermedio 38, el cual funciona como un intercambiador de calor para
eliminar el calor en exceso del aire de admisión turboalimentado. El
aire de admisión turboalimentado es entonces canalizado a través del
carburador 39, un regulador de velocidad 40, y el colector de
admisión 16 hasta el motor 10.
El carburador 39 está situado típicamente entre
el refrigerador intermedio 38 y el regulador de velocidad 40. El
combustible se mezcla con el aire comprimido dentro del carburador
39, y la mezcla de combustible-aire circula entonces
hasta el regulador de velocidad 40. En grandes motores industriales
de combustión interna, le combustible es típicamente gas natural,
aunque pueden utilizarse otros combustibles. Alternativamente, el
carburador 39 puede estar situado en zona de aguas arriba del
compresor 24 en el conducto de admisión de aire 28. En dicha
configuración, el compresor 24 para el turboalimentador 12 comprime
la mezcla de aire-combustible en el conducto 28 y
descarga la mezcla de aire-combustible presurizada
en el conducto 36 de descarga del compresor.
El regulador de velocidad 40 crea una caída de
presión de forma tal que la presión de aire en el regulador de
velocidad 40 se encuentra a la presión de descarga del compresor o
ligeramente por debajo de la misma, y la zona de aguas debajo de la
presión de aire del regulador de velocidad 40 se encuentra a la
presión del colector de admisión. La magnitud de la caída de presión
a través del regulador de velocidad 40 es denominada como la reserva
de presión del regulador de velocidad. La reserva de presión del
regulador de velocidad, o la magnitud de la caída de presión a
través del regulador de velocidad, depende del flujo de aire a
través del regulador de velocidad 40 y de la posición del regulador
de velocidad 40.
Se encuentra provisto un conducto 42 de salida de
gases residuales del escape entre el conducto 20 de descarga del
colector de escape desde el colector de escape 18 y el conducto de
salida de escape 26 de la turbina 22 del turboalimentador 12. La
válvula de salida de gases residuales de escape 14 está situada
dentro del conducto 42 de salida de gases residuales del escape para
regular la cantidad de energía en el escape del motor que puentea la
turbina 22 del turboalimentador 12. Cuando la válvula de salida de
gases residuales del escape 14 está abierta parcialmente o en forma
total, el escape del motor en el conducto 20 de descarga del
colector de escape está desviado al conducto de salida de escape 26,
disminuyendo por tanto el flujo de la masa de gases de escape hacia
la turbina 22 en el turboalimentador 12. La disminución del flujo de
la masa de gases de escape hacia la turbina 22 reduce la potencia de
salida del compresor 24, y a su vez reduce la presión de descarga
del compresor en el conducto de descarga 36 del compresor.
El control estándar del arte previo de la salida
de gases residuales del escape que se muestra en la figura 1 es un
regulador elevador máximo, e incluye un actuador 46 de la válvula de
salida de gases residuales del escape y una toma de presión 48. La
toma de presión 48 monitoriza típicamente la presión en el conducto
de descarga del compresor 36 en zona de aguas arriba del regulador
de velocidad 40. Aunque la figura 1 muestra la toma de presión 48
monitorizando la presión en el conducto 36 de descarga del compresor
entre el refrigerador intermedio 38 y el compresor 34, es conocido
también la monitorización de la presión de aire en el conducto 36 de
descarga del compresor entre el regulador de velocidad 40 y el
refrigerador intermedio 38.
La toma de presión 48 está conectada a un
actuador 46 de la válvula de salida de gases residuales del escape,
y está accionado mediante un resorte. El actuador 46 controla la
válvula 14 de salida de gases residuales del escape, tal como se
muestra esquemáticamente por la línea 47. En la realización en
particular mostrada en la figura 1, la válvula 14 de salida de gases
residuales del escape permanecerá cerrada hasta que la presión en el
conducto 36 de descarga del compresor y la toma de presión 48 sean
suficientes para accionar el actuador 46 cargado con un resorte. La
línea 45 del actuador 46 de la válvula de salida de gases residuales
del escape está abierta para las condiciones ambientes, y se
muestra para indicar que el actuador 46 actúa en la válvula 14 de
salida de gases residuales dependiendo de la diferencia de presión
en la línea 48 por encima de la presión ambiente en la línea 45.
Este tipo de control estándar de los gases residuales del escape, o
regulador elevador máximo, sirve para limitar la operación del
compresor 24 cuando el motor está funcionando para altas cargas
tales como del 80% al 90% de la carga total máxima. El sistema del
arte previo de la figura 1 limita por tanto la potencia de salida
máxima del motor 10, limitando la potencia de salida o refuerzo
elevador del compresor 24 en el turboalimentador 12.
Aunque la figura 1 describe una configuración
mecánica del control estándar de salida de gases residuales de
escape, son conocidos en el arte los esquemas electrónicos que
utilizan un transductor de presión para medir la presión en el
conducto 36 de descarga del compresor.
Aunque la toma de presión 48 es la mostrada en la
figura 1, para monitorizar la presión en el conducto 36 de descarga
del compresor en zona de aguas arriba del regulador de presión 40,
la toma de presión 48 puede monitorizar alternativamente la presión
16 del colector de admisión en zona de aguas abajo del regulador de
velocidad 40, sin afectar significativamente a la operación del
regulador elevador máximo 46. Esto se debe a que el regulador de
velocidad 40 estará normalmente abierto en su totalidad, cuando el
motor 10 esté operando con altas cargas. Bajo dichas condiciones
elevadoras máximas, la presión en zona de aguas debajo del regulador
de velocidad 40 será substancialmente la misma o ligeramente
inferior a la presión en zona de aguas arriba del regulador de
presión 40.
La figura 2 describe un control fijo \DeltaP de
salida de gases residuales del escape, tal como es conocido en el
arte. Además del control de los gases residuales del escape, el
sistema mostrado en la figura 2 es similar al sistema mostrado en la
figura 1, y los numerales de referencia iguales se utilizan en la
figura 2 cuando sea lo apropiado. El control fijo \DeltaP de
salida de los gases residuales de escape mostrado en la figura 2
incluye una toma de presión 50 en zona de aguas arriba para
monitorizar la presión en el conducto 36 de descarga del compresor,
en la zona de aguas arriba del regulador de presión 40, y una toma
de presión 52 en zona de aguas abajo para monitorizar la presión del
colector de admisión en zona de aguas abajo del regulador de
velocidad 40. Tal como se ha descrito con respecto al sistema
mostrado en la figura 1, la toma de presión 50 en zona de aguas
arriba puede estar situada en el conducto 36 de descarga del
compresor, entre el refrigerador intermedio 38 y el compresor 34, o
alternativamente entre el refrigerador intermedio 38 y el regulador
de velocidad 40.
La toma de presión 50 en zona de aguas arriba se
comunica con un actuador 54 de la válvula de salida de gases
residuales del escape de \DeltaP fijo, al igual que lo hace la
toma de presión 52 en zona de aguas abajo. El regulador 56 de
refuerzo se coloca en la toma de presión 50 en zona de aguas arriba,
o bien puede ser colocado alternativamente en la toma de presión 52
en zona de aguas abajo. El regulador elevador 56 opera de forma
similar al regulador elevador 46 tal como se describe en la figura
1, y funciona para abrir la válvula 14 de salida de gases residuales
del escape esquemáticamente por medio de la línea 58 cuando la
presión en la toma de presión 50, o alternativamente la línea 52,
exceda de un valor de umbral para controlar la potencia máxima del
comprensor 24 normalmente del 80% al 90% de la carga máxima del
motor. La línea 60 del regulador elevador máximo 56 se abre a las
condiciones ambientales, y se muestra para indicar que el regulador
elevador 56 actúa en la válvula 14 de salida de gases residuales del
escape, dependiendo de la diferencia de presión en la línea 50 (o
alternativamente la línea 52) por encima de la presión ambiente en
la línea 60.
El actuador 54 de \DeltaP fijo de la salida de
gases residuales del escape opera para controlar la válvula 14 de
salida de gases residuales, tal como se muestra esquemáticamente por
la línea 62 cuando el motor está operando con una carga parcial, con
el fin de mantener una diferencia de presión fijada entre las tomas
de presión 50 y 52. En otras palabras, el actuador 54 de la salida
de gases residuales de \DeltaP fijado opera para mantener una
reserva de presión fija del regulador de velocidad. En particular,
el actuador 54 de salida de gases residuales de \DeltaP fijado
abre la válvula 14 de salida de gases residuales para cargas ligeras
o medias del motor, cuando la presión de descarga del compresor
monitorizada por la toma 50 de presión de aguas arriba excede a la
presión del colector de admisión monitorizada por la toma de presión
52 en zona de aguas abajo, con un valor superior a la reserva de
presión del regulador de velocidad seleccionada, o punto de ajuste
\DeltaP. Para un \DeltaP fijado el control de salida de gases
residuales tiene un punto de ajuste \DeltaP o una reserva de
presión deseada del regulador de velocidad de aproximadamente 22,86
centímetros de mercurio (4 libras/pulgada^{2}) para cargas
estables, y un punto de ajuste \DeltaP de 33,02 centímetros de
mercurio (6 libras/pulgada^{2}) para cargas fluctuantes.
Aunque la figura 2 muestra una configuración
mecánica para un control de salida de gases residuales de \DeltaP
fijado, son conocidos en el arte los esquemas electrónicos que
utilizan un transductor de presión en zona de aguas arriba, para
detectar la presión de descarga del compresor y un transductor de
presión en zona de aguas abajo para medir la presión del colector de
admisión. Dicha exposición es la expuesta en la patente de los
EE.UU. anteriormente mencionada número 5551236, solicitud numero
08/236467, titulada "Sistema de gestión del control del
turboalimentador", concedida al concesionario de la presente
solicitud, la cual se incorpora aquí como referencia. En dicho
sistema, la reserva de presión del regulador de velocidad puede
estar determinada electrónicamente mediante la detección de la
presión en las zonas de aguas arriba y aguas abajo del regulador de
velocidad, y restando electrónicamente las dos presiones detectadas.
Tal como se expuso anteriormente, esta solicitud sugiere que la
reserva de presión deseada del regulador de presión pueda ser
ajustada dependiendo de una respuesta a la carga deseada del motor,
la cual puede estar correlacionada con un controlador electrónico
dependiendo de varias condiciones.
La figura 3 muestra esquemáticamente un gran
sistema industrial interno de un motor 10 que tiene un
turboalimentador 12 y una válvula 14 de salida de gases residuales
de escape que está controlada de acuerdo con la invención. Además
del control de la salida de gases residuales del escape, el sistema
mostrado en la figura 3 es similar al sistema mostrado en las
figuras 1 y 2, y los numerales de referencia iguales se utilizan en
la figura 3 cuando sea lo apropiado. En la invención se utiliza un
controlador electrónico 64 para generar adaptativamente un valor de
reserva de presión deseado del regulador de presión, de forma que la
respuesta a la carga se mejore cuando la carga del motor esté
fluctuando, y mejorándose el consumo de combustible cuando la carga
del motor sea relativamente estable.
En la realización preferida de la invención, el
sensor de presión 66 de zona de aguas arriba monitoriza la presión
en el conducto 36 de descarga del compresor, y genera una señal de
presión de aguas arriba en la respuesta. La señal de presión de
aguas arriba se transmite al controlador electrónico 64 a través de
la línea 68. La señal de presión de aguas arriba es preferiblemente
una señal analógica tal como una señal de 0-5
voltios o una señal de 4-20 miliamperios. El
transductor 70 de presión de aguas abajo detecta la presión del
colector de admisión, y genera una señal de presión de aguas abajo
en respuesta a la misma. La señal de presión de aguas abajo se
transmite al controlador electrónico 64 a través de la línea 72. La
señal de presión de aguas abajo es también preferiblemente una señal
analógica, tal como una señal de 0-5 voltios, o una
señal de 4-20 miliamperios.
El sensor 74 de carga del motor monitoriza la
carga del motor, y genera una señal de carga del motor en respuesta
a la misma. La señal de la carga del motor se transmite al
controlador electrónico 64 a través de la línea 76. El sensor de
carga del motor 74 puede ser generalmente cualquier tipo de sensor
que detecte alguna característica de la operación del motor 10, a
partir de la cual se pueda determinar o inferior la carga del motor.
Por ejemplo, en un sistema en el que el motor 10 acciona un
generador eléctrico, la carga del motor puede medida directamente
por la medida de la potencia eléctrica de salida del generador,
utilizando un transductor de potencia en vatios o similar. Otra
forma común de determinar los cambios en la carga del motor seria la
monitorización de la presión absoluta del colector de admisión,
utilizando un sensor de presión absoluta del colector en el colector
de admisión 16. la forma preferida de monitorizar el cambio en la
carga del motor es monitorizar la velocidad del motor utilizando
preferiblemente un sensor de las revoluciones por minuto (RPM) del
motor, y generando una señal de rpm del motor, la cual se transmita
a un controlador electrónico. El cambio de la velocidad del motor es
un valor substituto práctico y fiable del cambio de la carga del
motor en las aplicaciones en que estén incluidos grandes motores
industriales de combustión interna, porque las fluctuaciones en la
velocidad del motor indican que ha existido una fluctuación en la
carga del motor. Un tipo adecuado de sensor de rpm es el tipo de
sensor que utiliza un captador magnético para generar una señal
basada en la frecuencia de las revoluciones del motor.
El controlador electrónico 64 genera
adaptativamente una reserva de presión deseada del regulador de
velocidad no solo sobre la señal de carga del motor en curso, sino
también basándose en las señales anteriores de la carga del motor.
Si el controlador electrónico 64 determina que la carga del motor
está fluctuando, el controlador electrónico 64 fijará el valor de la
reserva de presión deseada del regulador de velocidad a un valor
relativamente grande. Si el controlador electrónico 64 determina que
la carga del motor es relativamente estable, el controlador
electrónico 64 fijará la reserva de presión deseada a un valor
relativamente pequeño. Una vez que el controlador electrónico 64
haya determinado el valor de reserva de presión deseada del
regulador de velocidad, el controlador electrónico 64 comparará
dicho valor de reserva de presión deseado del regulador de velocidad
con la reserva de presión en curso del regulador de velocidad, que
se determina como la diferencia entre la señal de presión de aguas
arriba en la línea 68 y la señal de presión de aguas abajo en la
línea 72.
El controlador electrónico 64 da salida a una
señal de control de salida de los gases residuales del escape en la
línea 78, para operar el actuador 80 de gases residuales, el cual
controla la posición de la válvula 14 de salida de gases residuales
del escape. Si la reserva de presión en curso del regulador de
velocidad es mayor que el valor de la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad, el controlador electrónico 64 transmite
una señal de control a la línea 78 dando ordenes al actuador 80 de
la salida de gases residuales del escape para que abra la posición
de la válvula 14 de salida de gases residuales. Si la reserva de
presión en curso del regulador de velocidad es menor que el valor de
la reserva de presión deseada del regulador de velocidad, el
controlador electrónico 64 transmitirá una señal en la línea 78
dando orden al actuador 80 de la salida de gases residuales para
abra la posición de la válvula 14 de gases residuales del
escape.
El esquema preferido para generar adaptativamente
el valor de reserva de presión deseado del regulador de velocidad en
el controlador electrónico 64 se muestra esquemáticamente en la
figura 4. En el arranque del motor (tiempo (t) = 0), el valor de
reserva de presión deseado del regulador de velocidad, o punto de
ajuste \DeltaP, es típicamente de 33,02 centímetros de mercurio
aproximadamente, que corresponde a un valor de reserva de presión
deseado típico del regulador de velocidad para una carga fluctuante.
No obstante, puede ser seleccionado un punto de ajuste \DeltaP
diferente. El diagrama de la figura 4 indica que después del
arranque del motor (es decir, tiempo (t) = \theta), el valor de
reserva de presión deseado del regulador de velocidad se adaptará
continuamente de acuerdo con un esquema del tipo de bucle, a menos
que se ajuste por algunas otras razones el valor de reserva de
presión deseado del regulador de velocidad. Por ejemplo, el consumo
de combustible para cargas ligeras puede no ser relativamente
importante algunas veces, por lo que puede ser deseable fijar el
valor de reserva de presión del regulador de velocidad a un valor
alto para cargas ligeras y utilizan el esquema adaptativo solo para
cargas medias o altas.
El bloque 82 muestra que un valor de reserva de
presión deseado del regulador de velocidad se encuentra seleccionado
en el instante (t) = 0. La figura 4 indica que el valor de reserva
de presión deseado del regulador de velocidad para cada periodo de
muestreo subsiguiente, bloque 84, está determinado por la resta de
una ganancia fija o constante, bloque 86, y sumando una ganancia
proporcional, bloque 88, y una ganancia integral, bloque 90, al
valor de reserva de presión deseado anterior del regulador de
velocidad. La velocidad de muestreo del controlador electrónico
sería típicamente del orden de 10-50 Hz, aunque la
invención no está limitada a la misma.
Se prefiere que la ganancia fija, bloque 86, sea
restada siempre del valor de reserva de presión anterior deseado del
regulador de velocidad. La resta de la ganancia fijada, bloque 86,
forzará hacia abajo el valor de la reserva de presión deseada del
regulador de velocidad, mejorando por tanto el rendimiento del
motor, a menos que el termino de la ganancia proporcional, bloque
88, o el termino de la ganancia integral, bloque 90, fuerce hacia
arriba la reserva de presión deseada del regulador de velocidad,
cuando se desee una repuesta mejorada del motor debido a las
fluctuaciones pasadas o presentes de la carga.
El bloque 88 indica un término de ganancia
proporcional que está sumado para elevar el valor de la reserva de
presión deseada del regulador de velocidad, cuando aumente la carga
en curso del motor. El propósito del bloque 88 es permitir que
ascienda el valor de la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad si se incrementa la carga del motor. Puede ser deseable
situar límites máximos en el incremento del valor deseado de la
reserva de presión del regulador de velocidad, para evitar problemas
transitorios que pueden tener lugar cuando la carga en el compresor
24 sea relativamente inestable. El término proporcional, bloque 88,
incluye típicamente un término indicando el cambio en la carga
multiplicado por un valor de ganancia proporcional. El bloque 90
indica que se ha sumado un término de ganancia integral para
controlar la reserva de presión deseada del regulador de velocidad
si la carga ha estado fluctuando históricamente a través del
tiempo.
La forma preferida de llevar a cabo el esquema
mostrado en la figura 4 incluye el uso de un error de velocidad
negativa como una indicación de la carga del motor. El error de
velocidad negativa puede ser definido como el punto de fijación de
la velocidad deseada para el motor 10 menos la velocidad en curso
del motor 10. En las aplicaciones del generador electrónico, el
punto de fijación de la velocidad deseada sería típicamente de 60 Hz
en los Estados Unidos y de 50 Hz en Europa. El error de velocidad
negativa es una indicción de la carga del motor, porque el motor 10
tenderá a disminuir la velocidad conforme aumente la carga.
Utilizando el error de velocidad negativa como sustituto para la
carga del motor, el esquema de la figura 4 puede ser llevado a cabo
de acuerdo con la fórmula siguiente (1):
\DeltaP (t+1) = -GANANCIA + P * NSE + I* \int
NSE + \DeltaP(t)
en donde:
\DeltaP (t) = el valor de reserva deseado de
la presión del regulador de velocidad para un periodo de tiempo en
curso;
GANANCIA = el valor fijo seleccionado para
controlar lentamente la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad en ausencia de una fluctuación significativa en la carga
del motor;
P = un término de ganancia proporcional;
NSE = error de velocidad negativa, (es decir,
un punto de ajuste de la velocidad del motor preseleccionada menor
que la velocidad del motor según lo medido por el sensor de
velocidad del motor);
I = término de la ganancia integral; y
\int NSE = integral del error de velocidad
negativa a través de la mencionada duración de tiempo en el
pasado.
Al aplicar la ecuación (1) se prefiere que el
error de la velocidad negativa (NSE) se ajuste a cero cuando la
velocidad del motor en curso esté por encima del punto de ajuste de
la velocidad del motor preseleccionada. Utilizando la ecuación (1),
el término de ganancia fija, bloque 86, controlará el valor de la
reserva de presión deseada en el regulador de velocidad siendo
inferior hasta la aparición de dificultades con la controlabilidad
del motor, debidas a las fluctuantes cargas en el motor con una
reserva de presión insuficiente en el regulador de velocidad. Por
supuesto, el valor de \DeltaP (t + \Delta) nunca se deja que
llegue a estar por debajo de cero, y preferiblemente nunca se
permitirá que llegue a estar por debajo de un valor pequeño
positivo. Cada uno de los términos de ganancia en la ecuación (1),
(es decir, GANACIA, P e I) pueden ser seleccionados entre sí para
determinar el comportamiento del esquema de control.
Preferiblemente, los términos de ganancia (GANANCIA, P e I) serán
seleccionados de forma que tomen el valor de la reserva de presión
deseada del regulador de velocidad, en al menos varios minutos para
recuperarse después de haberse producido una anormalidad en la
carga.
Puede utilizarse también una banda inactiva para
el error de velocidad negativa mediante el ajuste del error de
velocidad negativa a cero si la velocidad del motor en curso es
inferior al punto de ajuste de la velocidad del motor
preseleccionada mediante solo algunas pocas revoluciones por minuto.
Dicha banda inactiva de velocidad negativa impedirá el ajuste
innecesario del valor de reserva de la presión deseada del regulador
de velocidad, en circunstancias en las que la velocidad del motor
cae solo ligeramente por razones no asociadas con la carga del
motor, tal como fallos de encendido de las bujías, etc.
Las figuras 56a - 5c muestran gráficamente la
respuesta adaptativa \DeltaP del control de salida de gases
residuales de escape ante los cambios de la carga del motor. Las
figuras 5b - 5c muestran los cambios en el par motor de la carga del
motor en el instante = 20 segundos indicado por el punto 92. Este
cambio en la carga del motor en el punto 92 da lugar a un cambio de
la velocidad del motor no deseable. En el punto 93 disminuye el
par motriz de la carga del motor, y se incrementa en la forma
correspondiente la velocidad del motor. La figura 5a muestra el
punto de ajuste \DeltaP, o valor de reserva de presión deseada del
regulador de velocidad, que comienza a cambiar en el punto 94 en
respuesta a los cambios de la carga 92 y 93. El valor de reserva de
presión deseada del regulador de velocidad se eleva hasta un valor
suficiente para mantener una velocidad constante del motor indicada
como numeral de referencia 95. Después de que la carga se mantenga
estable, se reduce la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad para mejorar el consumo de combustible según lo expuesto
por el numeral de referencia 96. Reduciendo el valor de reserva
deseada de presión del regulador de velocidad no solo se tiende a
mejorar el consumo de combustible, sino también a reducir las
emisiones no deseables que pueden tener lugar durante los cambios
transitorios de la carga.
Puede observarse por tanto que el esquema de
control descrito en la figura 4, y ecuación (1), no solo tiene en
cuenta el historial de las cargas pasadas del motor, sino también
programa el valor de reserva de presión deseada del regulador de
velocidad en función de los cambios en curso de la carga del
motor.
Después de un periodo extendido de tiempo sin
cambios en la carga, la salida de gases residuales de escape se
habrá ajustado para proporcionar una reserva muy baja del regulador
de velocidad. Cuando tenga lugar un cambio incipiente de la carga
bajo estas condiciones, existirá una reserva de presión muy pequeña
en el regulador de velocidad para poderse acomodar a un incremento
de carga repentino. Para solucionar este problema, se prefiere
aplicar un enriquecimiento transitorio en la mezcla de
combustible/aire que se introduce en el motor 10 en donde exista un
incremento de carga repentino después de un periodo de estabilidad
ampliada de la carga.
La realización proporciona un control de salida
de gases residuales del escape de forma adaptativa en el que la
reserva de presión deseada del regulador de velocidad, o punto de
ajuste \DeltaP, se determina dependiendo del historial de la carga
del motor, o del historial de otros factores tales como la velocidad
del motor o de la presión absoluta del colector de admisión, que
pueden dar una indicación de la carga del motor. De esta forma, la
realización puede proporcionar una gran reserva de presión del
regulador de velocidad cuando la carga del motor esté fluctuando,
mejorando así la respuesta del motor antes los cambios en la carga,
y una reserva de presión más pequeña en el regulador de velocidad
cuando la carga de motor sea relativamente estable, mejorando así el
consumo de combustible.
En particular, la realización preferida incluye
el uso de un controlador electrónico que recibe una señal de un
transductor de presión situado en zona de aguas arriba del regulador
de velocidad, una señal de otro transductor de presión situado en
zona de aguas abajo del regulador de velocidad, y una señal de la
carga del motor desde un sensor de carga del motor. El controlador
electrónico genera una señal de control de la salida de gases
residuales del escape que da orden a un actuador de la salida de
gases residuales para cerrar o para abrir la válvula de salida de
gases residuales del escape. El controlador electrónico genera
adaptativamente un valor de reserva de presión deseado del regulador
de velocidad, que depende al menos en parte del historial anterior
de la carga del motor. Si la caída de presión a través del regulador
de velocidad, tal como se determina por las señales del transductor
de presión de aguas arriba y de aguas abajo, es mayor que el valor
de reserva de la presión deseada del regulador de velocidad, el
controlador electrónico generará una señal de control de salida de
gases residuales del escape que de orden de apertura de la válvula
de salida de gases residuales del escape. Si la caída de presión a
través del regulador de velocidad es inferior al valor de la reserva
de presión deseada del regulador de velocidad, el controlador
electrónico dará orden al actuador de la salida de gases residuales
de que cierre la válvula de salida de gases residuales del escape.
Puesto que el valor de reserva de presión deseada del regulador de
velocidad depende al menos en parte del historial de la carga del
motor, el controlador electrónico puede proporcionar una reserva de
presión relativamente grande del regulador de velocidad para carga
fluctuantes para mejorar la aceptación de la carga, y puede
proporcionar una reserva de presión relativamente baja del regulador
de velocidad, para mejorar el consumo de combustible cuando las
cargas se encuentren relativamente estabilizadas.
Se prefiere que el valor de reserva de presión
deseado del regulador de velocidad sea controlado en forma
consistente en sentido descendente, mejorando así el rendimiento del
motor o el consumo de combustible en ausencia de una fluctuación
significativa en el motor, para controlar en sentido ascendente el
valor de reserva de presión deseado. Esto puede llevarse a cabo en
el controlador electrónico mediante la aplicación de un término de
ganancia negativa constante, así como también como términos de carga
del motor, en un esquema de actualización en forma de bucle.
La invención no requiere que tenga que utilizarse
este tipo de esquema adaptativo a través de todos los rangos de la
carga del motor. Por ejemplo, en aplicaciones industriales de
energía eléctrica, el rendimiento del motor con cargas ligeras en el
motor no es relativamente importante, de forma que puede ser
deseable ajustar la reserva de presión en el regulador de velocidad
a un alto nivel para cargas ligeras, y el uso de un esquema
adaptativo para mejorar el rendimiento del motor solo para cargas
más altas.
La carga del motor puede ser monitorizada de
varias formas, y la invención no tiene por objeto que esté limitada
a cualquiera de estas formas en particular para monitorizar la carga
del motor. Una forma práctica de monitorizar el cambio en la carga
del motor es monitorizar la velocidad del motor de forma tal como
con un sensor de las revoluciones por minuto (rpm). El cambio de la
velocidad del motor es también un excelente substituto para el
detectar el cambio de la carga del motor especialmente en las
grandes aplicaciones industriales.
Por tanto puede observarse que la realización
puede conseguir fácilmente el objetivo de conseguir que grandes
motores industriales de combustión interna mejoren el consumo de
combustible para cargas estables, proporcionando no obstante una
reserva de presión suficiente en el regulador de velocidad para una
aceptación satisfactoria de la carga cuando la carga del motor esté
fluctuando.
Se observará que pueden existir varias
modificaciones, alternativas y equivalencias de la realización
descrita anteriormente, y que la invención se considerará completa
dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas.
Claims (18)
1. Un motor turboalimentado de combustión interna
que comprende:
un motor (1);
un turboalimentador (12) que tiene una turbina
(22) y un compresor (24);
un regulador de velocidad (40) conectado entre el
compresor y el motor;
un sensor de presión de zona de aguas arriba (66)
que detecta la presión en zona de aguas arriba del regulador de
presión entre el regulador de velocidad y el compresor, en el que el
sensor de presión de aguas arriba genera una señal de presión de
aguas arriba en respuesta a la misma;
un sensor de presión de aguas abajo (70) que
detecta la presión de aguas abajo del regulador de velocidad entre
el regulador de velocidad y el motor, en el que el sensor de presión
de aguas abajo genera una señal de presión de aguas abajo en
respuesta a la misma;
un sensor de carga del motor (74) que genera una
señal de carga del motor;
un controlador electrónico (64) que recibe las
señales de presión de aguas arriba y aguas abajo y la señal de carga
del motor, y da salida a una señal de control de la salida de gases
residuales de escape; y
una salida de gases residuales de escape (14)
conectada entre el motor y la turbina que desvía los gases de escape
del motor alejándolos de la turbina, en respuesta a una señal de
control de la salida de gases residuales de escape;
caracterizado porque al menos con una carga del motor
predeterminada, el controlador electrónico genera la mencionada
señal de control de salida de gases residuales de escape y un valor
de reserva de presión deseada del regulador de velocidad, al menos
en parte, mediante la utilización de una pluralidad de las pasadas
señales mencionadas de la carga del motor, generadas por el
mencionado sensor de carga (74) del motor a través de un periodo de
tiempo deseado, por lo que el controlador electrónico tiene en
cuenta si la carga del motor está fluctuando o es relativamente
estable, y generando la mencionada señal de control deseada de la
salida de gases residuales de escape del regulador de velocidad,
utilizando el mencionado valor de reserva de presión deseada del
regulador de velocidad.
2. Un motor según la reivindicación 1, en el que
el sensor de carga del motor es un sensor de velocidad del motor, y
en el que la señal de carga del motor es una señal de la velocidad
del motor.
3. Un motor según la reivindicación 2, en el que
el sensor de velocidad del motor es un sensor de las revoluciones
por minuto del motor, y la señal de velocidad del motor es una
señal de revoluciones por minuto del motor.
4. Un motor según la reivindicación 1, en el que
el sensor de carga del motor es un sensor eléctrico para
monitorizar la potencia eléctrica de salida de un generador
eléctrico que está accionado por el motor.
5. Un motor según la reivindicación 1, en el que
el sensor de la carga del motor es un sensor MAP que mide la presión
absoluta del colector de admisión, y generando la señal de carga del
motor en respuesta a la misma.
6. Un motor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que el mencionado controlador
electrónico genera el mencionado valor de la presión de reserva del
regulador de velocidad de la mencionada señal de control de la
salida de gases residuales del escape, utilizando las mencionadas
señales de carga del motor, y la señal de carga del motor en
curso.
7. Un motor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la señal de control de la
salida de gases residuales del escape se genera utilizando los
valores de la reserva de presión deseados del regulador de velocidad
generados por el mencionado controlador electrónico al menos en
parte mediante la utilización de las mencionadas señales del
historial de la carga del motor.
8. Un motor según la reivindicación 7, en el que
el controlador electrónico genera los mencionados valores de reserva
de presión sucesivos del regulador de velocidad, utilizando una
ganancia negativa fija que controla los sucesivos valores de la
reserva de presión deseados del regulador de velocidad en sentido
descendente, en ausencia de una fluctuación significativa en la
carga del motor, para controlar en sentido ascendente el valor de
reserva deseado de la presión.
9. Un motor según la reivindicación 7 u 8, en el
que el controlador electrónico genera los mencionados valores de
reserva de presión sucesivos del regulador de velocidad utilizando
una señal de carga en curso del motor.
10. Un motor según la reivindicación 2 ó 3, en el
que el controlador electrónico genera la señal de control de la
salida de gases residuales del escape utilizando los sucesivos
valores de reserva deseados de presión del regulador de velocidad
que están determinados por el controlador electrónico de acuerdo con
la siguiente ecuación:
\DeltaP (t+1) = -GANANCIA + P * NSE + I* \int
NSE + \DeltaP(t) en donde:
\DeltaP (t) es el valor de reserva deseado de
la presión del regulador de velocidad para un periodo de tiempo en
curso;
\DeltaP (t+1) es la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad para el siguiente periodo de tiempo
subsiguiente;
GANANCIA es el valor fijo seleccionado para
controlar lentamente la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad en ausencia de una fluctuación significativa en la carga
del motor;
P es una ganancia proporcional;
NSE es un error de velocidad negativa, el cual es
igual a un punto de configuración de la velocidad del motor
preseleccionada menos la velocidad del motor, según lo medido por el
sensor de velocidad del motor durante el periodo de tiempo en curso,
a menos que la velocidad del motor medida por el sensor de velocidad
del motor durante el periodo de tiempo en curso sea más rápida que
la velocidad del motor preseleccionada en cuyo caso NSE será igual a
0:
I es la ganancia integral; y
\int NSE es la integral del error de velocidad
negativa a través de la mencionada duración de tiempo en el
pasado.
11. Un motor según la reivindicación 10, en el
que el error de velocidad negativa se calcula teniendo en cuenta una
banda inactiva en la cual el error de velocidad negativa se ajusta
igual a cero, en tanto que la velocidad del motor que se mide por
el sensor de velocidad del motor no sea menor significativamente que
un punto de ajuste de velocidad del motor preseleccionada.
12. Un motor según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la mencionada carga del motor
predeterminada es una carga del motor mayor del 25% de la carga
nominal máxima especificada del motor.
13. Un método para controlar la posición de la
válvula de salida de los gases residuales del escape en un motor
turboalimentado de combustión interna, comprendiendo el método las
etapas de:
medir una diferencia de presión a través del
regulador de velocidad (40) en el motor;
medir la carga en el motor de forma repetida a
través del tiempo; y
caracterizado porque genera un valor de
reserva de presión deseada del regulador de velocidad en al menos
una carga del motor predeterminada, al menos en parte por el uso de
una mencionada pluralidad de señales de carga del motor a través de
un periodo de tiempo deseado, de forma que se tenga en cuenta si la
carga del motor está fluctuando o está relativamente estable;
comparar la diferencia de presión medida a través
del regulador de presión con la reserva de presión deseada del
regulador de velocidad, y generando electrónicamente una señal de
control de la salida de gases residuales de escape en respuesta a la
misma; y
utilizar la señal de control de la salida de
gases residuales del escape para controlar un actuador (80) de la
salida de gases residuales para abrir la válvula de salida de gases
residuales (14) cuando la diferencia de presión medida a través del
regulador de velocidad sea mayor que la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad, y para cerrar la válvula de salida de
gases residuales cuando la diferencia de presión a través del
regulador de velocidad sea inferior a la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad.
14. Un método según la reivindicación 13, en el
que el valor generado deseado de la reserva de presión del
regulador de velocidad depende también al menos en parte de una
ganancia negativa constante que controla los sucesivos valores
deseados de la reserva de presión del regulador de velocidad en
sentido descendente en ausencia de una fluctuación significativa en
la carga del motor, para controlar en sentido ascendente el valor
deseado de la reserva de presión.
15. Un método según la reivindicación 13 ó 14, en
el que los sucesivos valores deseados de la reserva de presión del
regulador de velocidad están generados adaptativamente con un
esquema de actualización en bucle.
16. Un método según la reivindicación 15, en el
que la mencionada carga del motor se mide mediante la medición de
la velocidad del motor con un sensor de velocidad del motor, y en el
que el valor deseado de la reserva de presión del regulador de
velocidad está generado para los sucesivos periodos de tiempo de
acuerdo con la ecuación siguiente:
\DeltaP (t+1) = -GANANCIA + P * NSE + I* \int
NSE + \DeltaP(t) en donde:
\DeltaP (t) es el valor de reserva deseado de
la presión del regulador de velocidad para un periodo de tiempo en
curso;
\DeltaP (t+1) es la reserva de presión deseada
del regulador de velocidad para el siguiente periodo de tiempo
subsiguiente;
GANANCIA es el valor fijo seleccionado para
controlar lentamente la reserva de presión deseada del regulador de
velocidad en ausencia de una fluctuación significativa en la carga
del motor;
P es una ganancia proporcional;
NSE es un error de velocidad negativa, el cual es
igual a un punto de configuración de la velocidad del motor
preseleccionada menos la velocidad del motor, según lo medido por el
sensor de velocidad del motor durante el periodo de tiempo en curso,
a menos que la velocidad del motor medida por el sensor de velocidad
del motor durante el periodo de tiempo en curso sea más rápida que
la velocidad del motor preseleccionada en cuyo caso NSE será igual a
0:
I es la ganancia integral; y
\int NSE es la integral del error de velocidad
negativa a través de la mencionada duración de tiempo en el
pasado.
17. Un método según la reivindicación 15 ó 16, en
el que la magnitud de un incremento del valor deseado de reserva de
presión del regulador de velocidad entre dos sucesivos valores
deseados de la presión está limitada a un valor preseleccionado.
18. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 13 a 17, que comprende además la etapa de
proporcionar un enriquecimiento transitorio de la mezcla de
combustible/aire que se introduce en el motor al principio de un
incremento de la carga después de un periodo de estabilidad ampliada
de la carga.
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