BR102014011863A2 - método de operação de um motor de combustão interna, sistema e controlador - Google Patents

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Barry Allen Rocord
James Henry Yager
Omowolwola Chukwuemeka Akinyemi
Roy James Primus
Thomas Michael Lavertu
Venu Gummadavelli
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Abstract

método de operação de um motor de combustão interna, sistema e controlador [001] trata-se de um método de operação de um motor de combustão interna. o método inclui submeter uma mistura de ar renovado e combustível à combustão dentro de múltiplos cilindros. o método também inclui direcionar uma primeira porção de gases de exaustão para uma turbina de primeiro estágio e uma turbina de segundo estágio de um turbocompressor para expandir os gases de exaustão, direcionar uma segunda porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão por meio de um canal de exaustão desviando a turbina de primeiro estágio e recircular uma terceira porção de gases de exaustão para uma tubulação de entrada após a mistura com ar renovado. o método inclui controlar pelo menos um dentre: reduzir uma velocidade normal de motor em cada ajuste de potência de motor ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo; aumentar simultaneamente uma taxa de fluxo da terceira porção de gás de exaustão durante a recirculação; e antecipar um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão que cumprem com as exigências de ordem 4.

Description

“MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA» SISTEMA E CONTROLADOR” Antecedentes [0001] As realizações da presente invenção referem-se, em geral, a um sistema e método de operação de um motor e, mais especificamente, a um sistema e método para controlar emissões de exaustão de um motor.
[0002] Motores de ignição por compressão, tais como motores a diesel, operam injetando-se diretamente um combustível (por exemplo, combustível diesel) em ar comprimido em um ou mais montagens de pistão-cilindro, de modo que o calor do ar comprimido dispare a mistura de combustível-ar. Os motores de ignição por compressão também podem incluir uma vela de incandescência para fornecer calor para garantir a ignição. A injeção direta de combustível atomiza o combustível em gotas, que evaporam e se misturam com o ar comprimido nas câmaras de combustão das montagens de pistão-cilindro. Tipicamente, os motores de ignição por compressão operam em uma relação de compressão relativamente maior do que os motores de ignição por centelha. A relação de compressão afeta díretamente o desempenho do motor, eficiência, poluentes de exaustão e outras características de motor. Adicionalmente, a relação de combustívei-ar afeta o desempenho do motor, eficiência, poluentes de exaustão e outras características de motor. As emissões de exaustão incluem geralmente poluentes tais como óxídos de carbono (por exemplo, monóxido de carbono), óxidos de nitrogênio (NOx), óxídos enxofre (SOx), matéria partículada (PM) e hidrocarbonetos não queimados (HC). A quantidade e proporção relativa desses poluentes varia de acordo com a mistura de combustível-ar, relação de compressão, momento de injeção, condições ambientais (por exemplo, pressão atmosférica, temperatura, etc.) e similares. Novas exigências rígidas de emissão como regulamentos de emissões de locomotiva (40 CFR Parte 1033) de ordem 4 da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA) se focam na necessidade de métodos de projeto de motor que usa sistemas pós-tratamento para controlar as emissões de exaustão. No entanto, o uso de sistemas pós-tratamento pode aumentar os custos de fabricação dos motores e consumo de combustível induzindo altos custos de ciclo de vida.
[0003] Portanto, há um desejo por um sistema e método de uma técnica aprimorada para controlar emissões de exaustão e alcançar baixo consumo de combustível específico de um motor.
Breve Descrição [0004] De acordo com uma realização da invenção, um método de operação de um motor de combustão interna é fornecido, O método inclui submeter uma mistura de um fluxo de ar renovado e um combustível à combustão dentro de uma pluralidade de cilindros, em que o combustível é injetado de um sistema de injeção de combustível à pluralidade de cilindros. O método também inclui direcionar uma primeira porção de gases de exaustão de uma tubulação de exaustão a uma turbina de primeiro estágio e uma turbina de segundo estágio de um turbocompressor para expandir a primeira porção dos gases de exaustão, O método inclui adicionalmente direcionar uma segunda porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão por meio de um canal de exaustão desviando a turbina de primeiro estágio. Ademais, o método inclui recircular uma terceira porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão a uma tubulação de entrada após a mistura com o fluxo de ar renovado. O método incluí controlar pelo menos um dentre; reduzir uma velocidade normal de motor em cada ajuste de potência de motor ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque; aumentar simultaneamente uma taxa de fluxo da terceira porção de gás de exaustão durante a recircuiação; e antecipar um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) que cumprem com as exigências regulamentadas.
[0005] De acordo com uma realização da invenção, um sistema de submissão de combustível à combustão é fornecido. O sistema inclui um motor de combustão interna que compreende uma pluralidade de cilindros do motor para submeter uma mistura de ar renovado e combustívei ã combustão. O sistema inclui adicionalmente um turbocompressor que inclui uma turbina acoplada por meio de um eixo de turbocompressor a um compressor, em que o compressor é configurado para receber o ar renovado e descarregar uma corrente de ar comprimido a uma tubulação de entrada do motor de combustão interna. Ademais, o sistema inclui uma primeira passagem de fluxo para permitir uma primeira porção de gases de exaustão de uma tubulação de exaustão à turbina para expandir a primeira porção dos gases de exaustão, uma segunda passagem de fluxo para permitir uma segunda porção de gases de exaustão a partir da tubulação de exaustão por meio de um canal de exaustão desviando uma turbina de primeiro estágio e uma terceira passagem de fluxo para reciclar uma terceira porção de gases de exaustão a partir da tubulação de exaustão à tubulação de entrada após a mistura com o ar renovado. O sistema também inclui um controlador que compreende múltiplos sensores para captar múltiplos parâmetros operacionais, em que o controlador é configurado para reduzir uma velocidade norma! de motor em cada ajuste de potência de motor ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque, aumentar uma taxa de fluxo da recirculação de gás de exaustão, aumentar a pressão de injeção, diminuir uma relação de compressão e antecipar um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) que cumprem com os regulamentos de emissões.
[0006] De acordo com uma realização da invenção, um controlador é fornecido. O controlador inclui múltiplos sensores para captar múltiplos parâmetros operacionais. O controlador também inclui uma unidade de controle configurada para variar e otimizar uma velocidade de operação do motor em cada ajuste de potência de motor, uma recirculação de gás de exaustão, uma pressão de injeção de combustível e/ou duração e um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão de oxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) que cumprem com o regulamento de emissões, a otimização de velocidade de operação do motor em cada ajuste de potência de motor inclui reduzir simultaneamente uma velocidade normal de motor no ajuste de potência de motor correspondente ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque, aumentar a recirculação de gás de exaustão e antecipar o momento de injeção de combustível em resposta aos níveis tanto de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) quanto de matéria particulada (PM) dos gases de exaustão do motor.
Desenhos [0007] Esses e outros recursos, aspectos e vantagens da presente invenção serão melhor entendidos quando a descrição detalhada a seguir for lida em referência aos desenhos anexos nos quais os mesmos caracteres representam as mesmas partes em todos os desenhos, em que: [0008] A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema que tem um sistema de turbocompressor de acordo com uma realização da presente invenção.
[0009] A Figura 2 mostra um gráfico que compara emissões de matéria particulada de gases de exaustão em um recirculação taxa de fluxo de recirculação de exaustão constante conforme uma função de velocidade de motor e uma comparação de emissões de matéria particulada na taxa de fluxo crescente de recirculação de gases de exaustão em velocidade constante em NOx constante de acordo com uma realização da presente invenção.
[0010] A Figura 3 mostra um gráfico que compara níveis de emissão de gases de exaustão de matéria particulada em potência de motor diferente em NOx constante de acordo com uma realização da presente invenção.
[0011] A Figura 4 é o fluxograma de um método de operação de um motor de combustão interna de acordo com uma realização da presente invenção.
Descrição Detalhada [0012] Ao introduzir elementos de várias realizações da presente invenção, os artigos “um”, “uma", “o”, “a” e “dito” são destinados a informar que há um ou mais dos elementos, os termos “compreender”, “incluir” e “ter” são destinados a serem inclusivos e informam que pode haver elementos adicionais além dos elementos listados. Quaisquer exemplos de parâmetros operacionais não são exclusivos de outros parâmetros das realizações reveladas.
[0013] A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema 10 que tem uma unidade de turbocompressor 12 de acordo com uma realização da presente invenção. A unidade turbocarregada 12 inclui um turbocompressor de dois estágios e um motor de ignição por compressão, por exemplo, um motor a diesel 14. Em uma realização, o sistema 10 pode incluir um único turbocompressor de estágio. O motor 14 inclui uma pluralidade de cilindros de combustão. Um pistão (não mostrado) disposto de modo deslizável em cada cilindro e alterna entre um ponto morto de topo e uma posição de ponto morto de fundo. Deve-se observar no presente documento que o número de cilindros pode variar dependendo da aplicação. O motor ilustrado 14 inclui um tubulação de entrada de ar 16 e uma tubulação de exaustão 18. Os cilindros de combustão são acoplados à tubulação de entrada 16 e recebem ar comprimido por meio da tubulação de entrada 16. Uma unidade de motor-gerador (não mostrada) pode ser mecanicamente acoplada à unidade de turbocompressor 12. O sistema 10 inclui adicionalmente um sistema de injeção de combustível 19 para injetar combustível aos múltiplos cilindros do motor 14. O sistema de injeção de combustível 19 inclui uma bomba injetora de combustível (não mostrada) para acionar múltiplos ínjetores de combustível (não mostrados) a injetar o combustível aos múltiplos cilindros do motor 14. f0014] A unidade de turbocompressor 12 inclui um compressor de primeiro estágio 20, um compressor de segundo estágio 22, uma turbina de primeiro estágio 24 e uma turbina de segundo estágio 26, O ar renovado de entrada 28 pode ser sugado através de um filtro (não mostrado) a um canal de entrada 29 e então comprimido a uma pressão maior por meio do compressor de primeiro estágio 20. A temperatura de ar é aumentada devido à compressão. O ar de entrada comprimido 28 é resfriado por meio de um resfriador interno 30 e então adicionalmente comprimido a uma pressão adicional maior por meio do compressor de segundo estágio 22. O ar comprimido 28 é então resfriado por meio de um pós-resfriador 32 e então abastecido à tubulação de entrada 16 para combustão dentro do motor 14. O ar comprimido 28 flui através do pós-resfriador 32 de modo que a temperatura de ar seja reduzida antes da entrega à tubulação de entrada 16 do motor 14, Em uma realização, o resfriador interno 30 e o pós-resfriador 32 podem ser comutadores de calor de ar-água, que utilizam um meio resfriante para facilitar a remoção de calor do ar comprimido. Em outra realização, o resfriador interno 30 e o pós-resfriador 32 podem ser comutadores de calor ar-ar, que utilizam ar ambiente para facilitar a remoção de calor do ar comprimido. Em ainda outra realização, o resfriador interno 30 e o pós-resfriador 32 podem ser uma disposição de resfriador híbrido que utiliza comutadores de calor tanto ar-água quanto comutadores de calor ar-ar, [0015] A turbina de primeiro estágio 24 é acoplada à tubulação de exaustão 18 para extrair energia de gases de exaustão para girar um eixo de turbocompressor 34 acoplado ao compressor de segundo estágio 22. A turbina de segundo estágio 26 é acoplada à turbina de primeiro estágio 24 para extrair energia de gases expandidos alimentados da primeira turbina de estágio 24, para girar um eixo de turbocompressor 36 acoplado ao compressor de primeiro estágio 20. Os gases expandidos da turbina de segundo estágio 26 podem ser expulsos à atmosfera.
[0016] Na realização ilustrada, um canal de exaustão 38 é disposto desviando a turbina de primeiro estágio 24. Uma válvula de controle de desvio 40 é fornecida ao canal de exaustão 38 para controlar o fluxo através do canal de exaustão 38. Em algumas realizações, todo o gás de exaustão da tubulação de exaustão 18 é expandido através da turbina de primeiro estágio 24. Na realização conforme mostrado na Figura 1, uma primeira porção do gás de exaustão flui em uma primeira passagem de fluxo 25 da tubulação de exaustão 18 à turbina de primeiro estágio 24 para expandir e uma segunda porção do gás de exaustão da tubulação de exaustão 18 é alimentada através do canal de exaustão 38 desviando a turbina de primeiro estágio 24. A segunda porção do gás de exaustão alimentada através do canal 38 é expandida por meio da turbina de segundo estágio 26.
[0017] O sistema 10 também inclui uma terceira passagem de fluxo 42 para reciclar uma terceira porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão 18 à tubulação de entrada 16 após a mistura com o ar comprimido 28. Uma válvula de controle de recirculação de gás de exaustão (EGR) 44 é fornecida para controlar fluxo do ar comprimido 28 através da terceira passagem de fluxo 42. Em algumas realizações, todo o gás de exaustão dos cilindros doadores (não mostrado) é alimentado por meio da terceira passagem de fluxo 42 à tubulação de entrada 16. Um resfriador de EGR 46 é fornecido à terceira passagem de fluxo 42 para resfriar o gás de exaustão prior para alimentar à pluralidade de cilindros de combustão por meio da tubulação de entrada 16. Em uma realização conforme mostrado na Figura 1, a terceira porção de gases de exaustão que flui na terceira passagem de fluxo 42 da tubulação de exaustão 18 é recirculada diretamente à tubulação de entrada 16. Em outras realizações, a terceira passagem de fluxo 42 pode direcionar a terceira porção de gases de exaustão em qualquer local no canal de entrada 29 para mistura com o ar comprimido 28 antes de entrar na tubulação de entrada 16.
[0018] A unidade turbocarregada 10 também inclui uma unidade de controle 48. Na realização ilustrada, a unidade de controle 48 é uma unidade de controle electrónico para o turbocompressor 12 e o motor 14. Em outra realização, a unidade de controle 48 é uma unidade de controle lógico eletrônico que é programável por um usuário.
[0019JA unidade de controle 48 é configurada para captar múltiplos parâmetros operacionais por meio de múltiplos sensores localizados in sistema 10. Em uma realização, a unidade de controle 48 recebe um sina! de pressão de um sensor de pressão fornecido para detectar pressão de ar de entrada 28 alimentada ao motor 14. Adicionalmente, a unidade de controle 48 recebe um sinal de temperatura de um sensor de temperatura fornecido para detectar temperatura de ar de entrada 28 alimentada ao motor 14. A unidade de controle 48 também pode receber um sinal de oxigênio de um sensor de oxigênio fornecido para detectar a quantidade de oxigênio no ar de entrada 28 alimentado à tubulação de entrada 16. Em algumas realizações, a unidade de controle 48 também pode receber outro sina! de oxigênio de outro sensor de oxigênio fornecido para detectar a quantidade de oxigênio a partir do gás de exaustão alimentado da tubulação de exaustão 18. Além disso, a unidade de controle 48 também pode receber um sinal de fluxo de massa de um sensor de combustível fornecido para detectar o fluxo de massa de um combustível alimentado ao motor 14. A unidade de controle 48 também pode receber um sinal de velocidade de um sensor de velocidade, um sinal de carga de um sensor de carga, um sinal de momento de injeção de combustível de um sensor de momento de injeção e uma sinal de fluxo de massa de recirculação de gás de exaustão de um sensor de fluxo de massa.
[0020] Além disso, a unidade de controle 48 controla a velocidade de motor e/ou fluxo de massa de combustível produzindo-se um sinal de momento para controlar a operação do injetores de combustível no sistema de injeção de combustível 19. A unidade de controle 48também é configurada para aumentar uma taxa de fluxo da recirculação de gás de exaustão na terceira passagem de fluxo 42 controlando-se a válvula de EGR 44 e aumentar adicionalmente a pressão de injeção e antecipar um momento de injeção de combustível com base nos sinais recebidos dos múltiplos sensores para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) que cumprem com o regulamento de emissões.
[0021] De modo a cumprir com as exigências de emissão, a unidade de controle 48 é configurada para variar a taxa de fluxo de recirculação de gás de exaustão, a pressão de injeção de combustível e/ou duração e o momento de injeção de combustível ao otimizar a velocidade de operação do motor 14 em cada ajuste de potência de motor.
[0022] A otimização da velocidade de motor em cada ajuste de potência de motor inclui reduzir uma velocidade normal de motor no ajuste de potência de motor correspondente ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se o injeção de combustível por cicio para aumentar o torque de motor de modo que a potência seja mantida no mesmo nível. Em uma realização, uma pressão de injeção também pode ser aumentada para aumentar a injeção de combustível por cicio para aumentar o torque de motor. A redução da velocidade normai de motor em cada ajuste de potência de motor é baseada por cumprir com um limite limítrofe de múltiplos parâmetros operacionais incluindo pressões de cilindro de pico e cargas de manca! de eixo de motor. Além disso, a redução da velocidade normal de motor em cada ajuste de potência de motor é baseada em uma exigência de sistema de manipulação de ar de uma relação de oxigênio-combustível (OFR) de pelo menos um valor maior do que o limiar na respectiva potência de motor. A relação de oxigênio-combustível (OFR) é definida como a relação de uma entrada total de fluxo de massa de oxigênio a um fluxo de massa de combustível. Deve-se observar que a redução de velocidade pode ser maior em ajustes menores de potência de motor (entalhes menores) para reduzir as emissões de matéria particulada.
[0023] Em uma realização, a unidade de controle 48 é configurada para aumentar uma pressão de superaíimentação para manter a relação de oxigênio-combustível acima de um valor limítrofe em cada ajuste de potência de motor. Para aumentar a pressão de superaíimentação da unidade de turbocompressor 12, a untdade de controle 48 controla uma posição de váivula variável da válvula de controle de desvio 40 no canal de exaustão 38 desviando a primeira turbina de estágio 24 de acordo com uma realização da presente invenção. Em outras realizações, a unidade de controle 48 pode ser configurada para controlar um turbocompressor de geometria variável (VGT), ou um supercarregador, ou um subsistema de múltiplos compressores dispostos para aumentar a pressão de superaíimentação e manter assim uma a relação de oxigênio-combustível (OFR) de pelo menos um valor limítrofe específico em cada potência de motor.
[0024] Também a otimização da taxa de fluxo dos gases de recirculação de exaustão inclui aumentar a taxa de fluxo de recirculação de gás de exaustão e antecipar o momento de injeção de combustível ao reduzir simultaneamente a velocidade de operação do motor 14 para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) dos gases de exaustão do motor 14. Em um exemplo não limitador, a taxa de fluxo da recírculação de gás de exaustão é aumentada em torno de 40 porcento ao antecipar o momento de injeção de combustível de acordo. Em uma realização, uma relação de compressão do motor 14 é diminuída para reduzir os níveis de emissão para cumprir com o regulamento de emissões.
[0025] Em uma realização, a unidade de controle 48 é configurada para reduzir a velocidade de motor em tempo real em resposta aos níveis máximos de emissão do óxido de nitrogênio (NOx) e da matéria particulada (PM) nos gases de exaustão. O nível de óxido de nitrogênio (NOx) é detectado por um sensor de óxido de nitrogênio (NOx) nos gases de exaustão ou conforme uma função de operação de temperatura de ar de tubulação, momento de injeção e similares, enquanto o nível de matéria particulada (PM) é detectado pela interferência da captação de relação de oxigênio-combustível na tubulação de entrada 16 e na tubulação de exaustão 18.
[0026] Além disso, em uma realização, a emissão de óxido de nitrogênio (NOx) é reduzida operando-se o motor 14 de acordo com um ciclo Miller que envolve mover um pistão de uma posição de ponto morto de topo a uma posição de ponto morto de fundo no cilindro motor, fechar uma válvula de entrada do motor de combustão interna quando o pistão estiver próximo da posição de ponto morto de fundo no cilindro motor durante o curso de entrada e abrir uma válvula de exaustão por um período de tempo predeterminado quando o pistão estiver próximo da posição de ponto morto de fundo do cilindro motor depois de fechar a válvula de entrada durante o curso de exaustão de modo a escapar uma quantidade predeterminada de carga renovada do cilindro motor por meio da válvula de exaustão. O ciclo Miller é focado em reduzir uma relação de compressão eficaz ao manter um relação de expansão. Isso diminui uma temperatura de compressão adiabática em-cilindro, que permite uma redução na emissões de óxido de nitrogênio (NOx).
[0027] A Figura 2 mostra um gráfico 100 que compara emissões de matéria particulada de gases de exaustão em uma taxa de fluxo constante de recirculação de gás de exaustão e em um taxa de fluxo crescente de gases de recirculação de exaustão de acordo com uma realização da presente invenção. O eixo geométrico y do gráfico 100 mostra um nível de emissão de matéria particulada (PM) em porcento de emissões de PM de base. O eixo geométrico x do gráfico 100 mostra a velocidade de operação do motor em revoluções por minuto (rpm). O gráfico 100 mostra uma primeira curva 102 que retrata o níveis de matéria particulada (PM) em gases de exaustão em taxa de fluxo constante de gases de recirculação de exaustão em várias velocidades do motor enquanto uma segunda curva 104 retrata o níveis de matéria particulada (PM) em gases de exaustão enquanto a taxa de fluxo crescente de gases de recirculação de exaustão em velocidade constante do motor. O gráfico 100 ilustra claramente redução significativa de matéria particulada (PM) em gases de exaustão ao reduzir a velocidade de motor e aumentar simultaneamente a recirculação de gás de exaustão.
[0028] A título de um exemplo não limitador, a Figura 3 mostra um gráfico 200 que compara níveis de emissão de gases de exaustão de matéria particulada em diferentes ajustes de potência de motor de acordo com uma realização da presente invenção. O eixo geométrico y do gráfico 200 mostra um nível de emissão de matéria particulada (PM) como porcentagem de emissões de linha de referência, O eixo geométrico x do gráfico 200 mostra a velocidade de operação do motor em revoluções por minuto (rpm). Deve-se observar que, no quadro gráfico 200, os níveis de emissão de gases de exaustão de matéria particulada são retratados em diferente velocidade de motor em condições de carga parciai e carga total ao manter o nível de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e relação constante de ar-combustível. Nesse exemplo não limitador, a recirculação de gás de exaustão foi otimizada para minimizar a emissão de matéria particulada. O gráfico 200 mostra uma primeira curva 202 que retrata os níveis de matéria particulada (PM) em gases de exaustão em condições de carga total. O gráfico 200 mostra uma segunda curva 204 que retrata níveis de matéria particulada (PM) em gases de exaustão em condições de carga parcial. O gráfico 200 ilustra claramente a redução de matéria particulada (PM) em gases de exaustão em velocidades inferiores.
[0029] A Figura 4 é o fluxograma 300 de um método de operação de um motor de combustão interna de acordo com uma realização da presente invenção. Na Etapa 302, o método inclui submeter uma mistura de um fluxo de ar renovado e um combustível à combustão dentro de uma pluralidade de cilindros, em que o combustível é injetado de um sistema de injeção de combustível à pluralidade de cilindros. Na Etapa 304, o método inclui direcionar uma primeira porção de gases de exaustão de uma tubulação de exaustão a uma turbina de primeiro estágio e a uma turbina de segundo estágio de um turbocompressor para expandir a primeira porção dos gases de exaustão. Adicionalmente, na Etapa 306, o método inclui adicionalmente direcionar uma segunda porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão por meio de um cana! de exaustão desviando a turbina de primeiro estágio. Ademais, na Etapa 308, o método inclui recircular uma terceira porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão a uma tubulação de entrada após a mistura com o fluxo de ar renovado. Finalmente, na Etapa 310, o método inclui controlar pelo menos um dentre; reduzir uma velocidade normal de motor em cada ajuste de potência de motor ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque; aumentar simultaneamente uma taxa de fluxo da terceira porção de gás de exaustão durante a recirculação; e antecipar um momento de injeção de combustível para reduzir os níveís de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria partículada (PM) que cumprem com o regulamento de emissões, [0030] Deve-se observar que a redução de velocidade em cada ajuste de potência de motor é submetida a cumprir com uma limitação mecânica incluindo uma pressão máxima de cilindro de pico e uma carga de mancai máxima. Tanto a pressão de cilindro de pico quanto as cargas de mancai aumentam À medida que o abastecimento de combustível por ciclo é aumentado, Além disso, a redução de velocidade em cada ajuste de potência de motor é submetida ao cumprimento das limitações de manipulação do ar da relação de oxigênio-combustíve! (OFR) de pelo menos um valor limítrofe em cada ajuste de potência para manter baixas as emissões de matéria partículada (PM). Pode haver diferentes relação limítrofe de oxigênio-combustíve! (OFR) em cada ajuste de potência de motor (entalhe). Deve-se observar também que a unidade de turbocompressor 12 (mostrada na Figura 1) limita a capacidade de cumprir com a restrição de relação de oxigênio-combustível (OFR). Se o nível de recirculação de gás de exaustão (EGR) for aumentado excessivamente ao manter OFR acima de um nível mínimo, a velocidade de motor pode ser somente reduzida muito antes de alcançar um limite do sistema de manipulação de ar.
[0031] O método também inclui aumentar uma pressão de injeção e/ou duração em cada ajuste de potência de motor ao reduzir a velocidade normal de motor para manter o nível constante de potência de motor. Em uma realização, o método inclui reduzir simultaneamente a velocidade de motor, aumentar a recirculação de gás de exaustão, antecipar o momento de injeção de combustível, aumentar uma pressão de injeção e diminuir uma relação de compressão para alcançar os níveis desejados de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria partículada (PM) nos gases de exaustão do motor.
De forma vantajosa, o presente sistema e método é direcionado a controlar emissões de exaustão que cumpre as exigências regulamentadas (Ordem IV) sem o uso de nenhum sistema de pós-tratamento.
[0032] Ademais, o especialista versado reconhecerá a capacidade de intercambiagem de vários recursos de diferentes realizações. De modo similar, as várias etapas de método e recursos descritos, assim como outros equivalentes conhecidos para cada tais métodos e recursos, podem ser misturados e combinados por alguém de habilidade comum nesta técnica para construir sistemas adicionais e técnicas de acordo com os princípios desta revelação. Evidentemente, deve-se entender que não necessariamente todos os tais objetos ou vantagens descritos acima podem ser alcançados de acordo com qualquer realização particular. Desse modo, por exemplo, aqueles versados na técnica reconhecerão que os sistemas e técnicas descritos no presente documento podem ser incorporados ou realizados de maneira que alcance ou otimize uma vantagem ou grupo de vantagens conforme ensinado no presente documento sem necessariamente alcançar outros objetivos ou vantagens conforme pode ser ensinado ou sugerido no presente documento.
[0033] Embora somente determinados recursos da invenção tenham sido ilustrados e descritos no presente documento, muitas modificações e mudanças ocorrerão a aqueles versados na técnica. Portanto, deve-se entender que as reivindicações anexas são destinadas a cobrir todas as tais modificações e mudanças conforme estão dentro do escopo do verdadeiro espirito da invenção.
Reivindicações

Claims (20)

1. MÉTODO DE OPERAÇÃO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA, caracterizado pelo fato de que o método compreende: submeter uma mistura de um fluxo de ar renovado e um combustível à combustão dentro de uma pluralidade de cilindros, em que o combustível é injetado a partir de um sistema de injeção de combustível à pluralidade de cilindros; direcionar uma primeira porção de gases de exaustão de uma tubulação de exaustão em uma turbina de primeiro estágio e uma turbina de segundo estágio de um turbocompressor para expandir a primeira porção dos gases de exaustão; recircular uma segunda porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão em uma tubulação de entrada após a mistura com o fluxo de ar renovado e controlar pelo menos um dentre: reduzir uma velocidade de motor ao operar o motor de combustão interna com pressão eficaz média de alta frenagem pressão em uma dada potência de motor ao manter adicionalmente o nível constante de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque; aumentar simultaneamente uma taxa de fluxo da segunda porção de gás de exaustão durante a recirculação; e antecipar um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) que cumprem com o regulamento de emissões.
2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente aumentar uma pressão de injeção em uma dada potência de motor ao reduzir a veiocidade normal de motor em cada ajuste de potência de motor para manter o nívei constante de potência de motor.
3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente reduzir a velocidade normal de motor na dada potência de motor com base em não exceder um limite limítrofe de uma pluralidade de parâmetros operacionais que compreendem pressões de cilindro de pico e cargas de mancai de eixo de motor,
4. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, q caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente reduzir a velocidade normal de motor em uma dada potência de motor com base em uma exigência de sistema de manipulação de ar de uma relação de oxigênio-combustível de pelo menos um valor limítrofe para a respectiva potência de motor.
5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente aumentar uma pressão de superalimentação para manter a relação de oxigênio-combustívei de pelo menos um valor limítrofe em cada ajuste de potência de motor controlando-se pelo menos um dentre uma posição de válvula variável no canal de exaustão desviando a primeira turbina de estágio, um turbocompressor de geometria variável, um supercarregador e um subsistema de uma pluralidade de compressores dispostos para aumentar a pressão de superalimentação,
6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a taxa de fluxo da recirculação de gás de exaustão é aumentada em torno de 40 porcento ao antecipar o momento de injeção de combustível .
7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionaimente reduzir simultaneamente a velocidade de motor, aumentar a recirculação de gás de exaustão, antecipar o momento de injeção de combustível, aumentar uma pressão de injeção e diminuir uma relação de compressão em resposta aos níveis tanto de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) quanto de matéria particulada (PM) dos gases de exaustão do motor.
8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adícionaimente diminuir a relação de compressão em cada cilindro de cerca de 17,1 a cerca de 15,1.
9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente reduzir a velocidade de motor em tempo real em resposta a níveis máximos de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) detectados por um sistema de captação de gases de exaustão e matéria particulada (PM) deduzido da captação de relação de oxigênio-combustível na tubulação de entrada.
10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que os níveis de emissão do óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particulada (PM) nos gases de exaustão cumprem com os níveis de emissões de locomotiva de Ordem 4 da Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos (EPA).
11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente resfriar a segunda porção de gases de exaustão antes de entrar na tubulação de entrada por um resfriador de recirculação de gás de exaustão.
12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente resfriar o ar renovado com o uso de um ou mais comutadores de calor em um cana! de entrada que tem um compressor de primeiro estágio e um compressor de segundo estágio.
13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a operação do motor de combustão interna de acordo com um ciclo Miller compreende: mover um pistão de uma posição de ponto morto de topo em direção a uma posição de ponto morto de fundo em um cilindro motor; fechar uma válvula de entrada do motor de combustão interna quando o pistão estiver próximo da posição de ponto morto de fundo no cilindro motor durante um curso de entrada; abrir uma válvula de exaustão por um período de tempo predeterminado quando o pistão estiver próximo da posição de ponto morto de fundo do cilindro motor depois de fechar a válvula de entrada durante um curso de exaustão de modo a escapar uma quantidade predeterminada de carga renovada do cilindro motor por meio da válvula de exaustão.
14. SISTEMA caracterizado pelo fato de que compreende: um motor de combustão interna que compreende uma pluralidade de cilindros do motor para submeter uma mistura de ar renovado e combustível à combustão; um sistema de injeção de combustível para injetar combustível na pluralidade de cilindros do motor; uma unidade de turbocompressor que inclui uma turbina acoplada por meio de um eixo de turbocompressor a um compressor, em que o compressor é configurado para receber o ar renovado e descarregar uma corrente de ar comprimido a uma tubulação de entrada do motor de combustão interna; uma primeira passagem de fluxo para permitir que uma primeira porção de gases de exaustão de uma tubulação de exaustão na turbina expanda a primeira porção dos gases de exaustão; uma segunda passagem de fluxo para permitir que uma segunda porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão por meio de um canal de exaustão desvie uma turbina de primeiro estágio; uma terceira passagem de fluxo para reciclar uma terceira porção de gases de exaustão da tubulação de exaustão à tubulação de entrada após a mistura com o ar renovado; e um controlador que compreende uma pluralidade de sensores para captar uma pluralidade de parâmetros operacionais, em que o controlador é configurado para reduzir uma velocidade normal de motor em uma dada potência de motor ao manter o nível constante de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque, aumentar uma taxa de fluxo da recirculação de gãs de exaustão, aumentar a pressão de injeção e antecipar um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particuiada (PM) que cumprem com o regulamento de emissões.
15. MÉTODO, conforme definido na reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende adicional mente diminuir a relação de compressão em cada cilindro de cerca de 17,1 a cerca de 15,1
16. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um resfriador de recirculação de gás de exaustão focalizado na terceira passagem de fluxo que conduz a terceira porção de gases de exaustão à tubulação de entrada, e um ou mais resfríadores internos localizados em um canal de entrada que tem um compressor de primeiro estágio e um compressor de segundo estágio.
17. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 15, em que a terceira passagem de fluxo compreende uma válvula de controle EGR para controlar o fluxo da segunda porção dos gases de exaustão.
18. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, em que o controlador é configurado para aumentar simultaneamente a recirculação de gás de exaustão (EGR) e antecipar os momentos de injeção de combustível em resposta aos níveis tanto de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) quanto de matéria particuiada (PM) dos gases de exaustão do motor.
19. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o controlador é configurado para reduzir simultaneamente a velocidade normal de motor em cada ajuste de potência de motor com base em uma pluralidade de parâmetros operacionais que compreendem pressões de cilindro de pico e cargas de mancai de eixo de motor, uma exigência de sistema de manipulação de ar de uma relação de oxigênio-combustível de pelo menos um valor limítrofe no respectivo ajuste de potência de motor, e aumentar a recirculação de gás de exaustão e antecipar o momento de injeção de combustível em resposta aos níveis tanto de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) quanto de matéria particuiada (PM) dos gases de exaustão do motor.
20. CONTROLADOR caracterizado pelo fato de que compreende: uma pluralidade de sensores para captar uma pluralidade de parâmetros operacionais; uma unidade de controle configurada para variar e otimizar uma velocidade de operação do motor em cada ajuste de potência de motor, uma recirculação de gás de exaustão, uma pressão de injeção de combustível ou uma duração de injeção de combustível, e um momento de injeção de combustível para reduzir os níveis de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) e matéria particuiada (PM) que cumprem com o regulamento de emissões, em que otimizar a velocidade de operação do motor em cada ajuste de potência de motor inclui reduzir simultaneamente uma velocidade normal de motor no ajuste de potência de motor correspondente ao manter constante o nível de potência de motor aumentando-se uma injeção de combustível por ciclo para aumentar o torque, aumentar a recirculação de gás de exaustão e antecipar o momento de injeção de combustível em resposta aos níveis tanto de emissão de óxido de nitrogênio (NOx) quanto de matéria particuiada (PM) dos gases de exaustão do motor.
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