BRPI0904987A2 - sistemas de controle para um sistema de recirculação de gás de escapamento de um motor de combustão interna, e de motor de combustão interna, e, método para operar um motor de combustão interna de aspiração de ar - Google Patents

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Abstract

SISTEMAS DE CONTROLE PARA UM SISTEMA DE RECIRCULAçãO DE GáS DE ESCAPAMENTO DE UM MOTOR DE COMBUSTãO INTERNA, E DE MOTOR DE COMBUSTãO INTERNA, E, MéTODO PARA OPERAR UM MOTOR DE COMBUSTãO INTERNA DE ASPIRAçãO DE AR. Um motor de combustão interna de aspiração de ar, de consumo de combustível, com EGR e um controle para a quantidade de EGR. O fluxo de gás total do motor é calculado medindo-se a temperatura e pressão na entrada do motor. O fluxo de ar fresco é medido por um orificio ou venturi em qualquer ponto do trajeto de fluxo de ar fresco para combustão do motor antes da introdução do fluxo de EGR. A diferença entre o fluxo total calculado e o fluxo de ar fresco é o fluxo de EGR real, que é usado para ajustar a EGR relativa ao fluxo total de acordo com um de um número de algoritmos de controle selecionados.

Description

"SISTEMAS DE CONTROLE PARA UM SISTEMA DE RECIRCULAÇÃODE GÁS DE ESCAPAMENTO DE UM MOTOR DE COMBUSTÃOINTERNA, E DE MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA, E, MÉTODOPARA OPERAR UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DEASPIRAÇÃO DE AR"
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO
1. Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a motores de combustão internacom sistemas de recirculação de gás de escapamento (EGR) e medição defluxo de EGR.
2. Descrição da Técnica Relacionada
Um dos elementos essenciais durante 30 anos em busca pelaredução de emissões nos Estados Unidos foi o uso da recirculação de gás deescapamento ou EGR. Este é um modo pelo qual uma porcentagemselecionada de produtos de combustão é recirculada para a entrada de ummotor de combustão interna consumindo combustível, aspirando ar, paradiminuir as temperaturas de combustão e, assim, reduzir a quantidade deóxidos de oxigênio produzida durante o processo de combustão. A EGR foiinicialmente usada em motores automotivos de combustível de gasolina deignição a centelhas. As abordagens EGR antigas, embora suprimindo óxidosde nitrogênio, adicionaram complexidade ao sistema e, por outro lado,desempenho e flexibilidade compromissados do motor com que sãoassociadas.
Nos anos seguintes, o uso de EGR tornou-sesignificativamente mais sofisticado com o uso de controle eletrônico, sensoresde oxigênio e outros meios para controle do circuito fechado da EGR. Nosúltimos anos, a aplicação da EGR foi necessária para motores de ignição porcompressão ou diesel, por causa das obrigatórias reduções de emissõesrequeridas pela Agência de Proteção Ambiental (EPA). A aplicação da EGRpara motores a diesel apresentou um novo desafio para o projeto de sistemas,especialmente em vista da natureza do ciclo de atividade do motor diesel. Osmotores diesel, particularmente do campo de fora de estrada, operam emambientes extremamente difíceis e requerem sistemas de controle para a EGRbastante resistentes para suportarem o requerido ciclo de atividade do motor,porém suficientemente precisos para manter os níveis requeridos de emissões.
A fim de controlar a porcentagem de EGR relativa ao ar frescointroduzido no motor, uma medição de fluxo de EGR é necessária.Atualmente, tal medição envolve um venturi ou orifício posicionado dentro dapassagem que transporta EGR da exaustão do motor para a entrada do motor.Embora provendo alguma medida de fluxo de EGR, a natureza do gásconstituinte na passagem de EGR é de modo a poder afetar a precisão damedição. Além disso, a passagem de fluxo de EGR é submetida asignificativas variações de pulso de pressão, devido ao fato de os motores decombustão interna alternantes de multicilindros gerarem distintos pulsos deexaustão, que são refletidos no fluxo através da passagem de EGR. Isto, porsua vez, pode ter um efeito significativo ou adverso na medição de fluxo deEGR dentro da passagem de EGR. Além disso, para este problema, o uso deuma venturi ou restrição semelhante a orifício na passagem de EGR é umaperda direta de eficiência de combustível, visto que o trabalho debombeamento adicional deve ser feito pelo motor, em razão da restrição deorifício ou venturi.
Portanto, o que é necessário na técnica é uma medição maiseficaz e precisa da EGR em um motor de combustão interna.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Em uma forma, a invenção é um sistema de controle para umsistema de recirculação de gás de escapamento (EGR) de um motor decombustão interna (IC) que inclui um dispositivo para controlar o fluxo deEGR em resposta ao diferencial de pelo menos dois sinais de entrada. Umprimeiro dispositivo calcula o fluxo de gases consumidos pelo motor IC eprovê um sinal proporcional ao fluxo total de gás para o dispositivo decontrole de fluxo. Um segundo dispositivo mede o fluxo de ar fresco para omotor IC e provê um sinal proporcional ao fluxo de ar fresco para odispositivo de controle de fluxo, de modo que a diferença entre o fluxo total eo fluxo de ar fresco é o fluxo de EGR real.
Em outra forma, a invenção é um sistema de motor decombustão interna (IC) incluindo um motor IC de aspiração de ar
Em uma forma, a invenção é um sistema de controle para umsistema de recirculação de gás de escapamento (EGR) de um motor decombustão interna (IC) o qual inclui um dispositivo para controlar o fluxo deEGR em resposta ao diferencial de pelo menos dois sinais de entrada. Umprimeiro dispositivo calcula o fluxo de gases consumido pelo motor IC eprovê um sinal proporcional ao fluxo de gás total para o dispositivo decontrole de fluxo. Um segundo dispositivo mede o fluxo de ar fresco para omotor IC e provê um sinal proporcional ao fluxo de ar fresco para odispositivo de controle de fluxo, de modo que a diferença entre o fluxo total eo fluxo de ar fresco seja o fluxo de EGR real.
Em outra forma, a invenção é um sistema de motor (IC) decombustão interna, incluindo um motor IC de aspiração de ar tendo umaentrada para receber gás para combustão e uma exaustão para descarregar osprodutos de combustão. Um dispositivo de controle de fluxo conecta seletivae fluidicamente uma percentagem controlada dos produtos de combustão àentrada do motor IC. Um dispositivo aciona o dispositivo de controle de fluxoem resposta ao diferencial de pelo menos dois sinais de entrada. Um primeirodispositivo calcula o fluxo total de gases consumido pelo motor IC e provêum sinal proporcional ao fluxo de gás total do motor IC para o dispositivo decontrole de fluxo. Um segundo dispositivo mede o ar fresco para o motor IC eprovê um sinal proporcional ao fluxo de ar fresco para o dispositivo decontrole de fluxo, de modo que a diferença entre o fluxo total e o fluxo de arfresco é o fluxo de EGR real.
Em ainda outra forma, a invenção é um método de operar ummotor de combustão interna (IC) de aspiração de ar, tendo recirculação de gásde escapamento (EGR) e um dispositivo para controlar EGR. O método incluias etapas de calcular o fluxo total de gases consumido pelo motor IC. O fluxode ar fresco real é subtraído do fluxo total, para prover uma medida de fluxode EGR que é usada como uma entrada para o dispositivo para controlarEGR.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
O acima mencionado e outros aspectos e vantagens destainvenção e a maneira de realizá-los tornar-se-ão mais evidentes e a invençãoserá melhor entendida por referência à seguinte descrição de uma forma derealização da invenção tomada em conjunto com os desenhos acompanhantes,em que:
A Fig. 1 é um desenho esquemático de um motor decombustão interna tendo EGR e que personifica a presente invenção.
Correspondentes características de referência indicam partescorrespondentes por todas as várias vistas. As exemplificações expostas aquiilustram uma forma de realização da invenção e tal exemplificação não deveser interpretada como limitante do escopo da invenção de maneira alguma.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
Com referência à Fig. 1, é mostrado um sistema de motor decombustão interna 10 tendo em seu interior um motor de combustão internade multicilindros, de aspiração de ar, de consumo de combustível 12, querecebe ar de combustão de um tubo múltiplo de admissão 14 e tem umsistema de combustível 16 suprindo combustível para combustão, que édescarregado através do tubo múltiplo de exaustão 18. O motor de combustãointerna 12 pode ser um tipo alternante em que pistões alternam-se dentro decilindros em uma configuração em linha ou V apropriada e são conectados aum eixo de manivela, de modo que seu movimento ascendente e descendenteé convertido em uma saída de torque rotativa.
O motor 12 pode utilizar qualquer um de um número de ciclosde operação, incluindo um motor de ignição a centelhas em que o combustívelé misturado com ar de combustão antes de entrar nos cilindros do motor eignizado por uma fonte de ignição. Alternativamente, o motor pode ser umciclo de ignição por compressão ou de diesel, em que o calor da compressão éusado para ignizar o combustível que é diretamente injetado dentro doscilindros individuais para combustão. Ainda outra forma pode ser o que éreferindo como motores de ignição por compressão de carga homogênea, emque o combustível é misturado com o ar de combustão antes da entrada nocilindro e vários controles ou dispositivos de parâmetros são usados parainiciar a combustão. Com qualquer um destes sistemas, os produtos decombustão contém óxidos de nitrogênio, CO2 e outros componentes deexaustão.
Os produtos de combustão são passados através de um condutode exaustão 24, levando a uma turbina 30 de um turbo carregador de elevadapressão 32. Os gases descarregados da turbina 30 passam através da linha 34para a turbina 36 de um turbocompressor de baixa pressão 38. Os gases emseguida passam pela turbina 36, via linha 40, para o ambiente A. Umaexaustão após o dispositivo de tratamento 22, que tipicamente inclui umcatalisador de oxidação e um filtro de particulado, pode ser posicionada nalinha 40 como mostrado, ou pode ser localizada em qualquer ponto do trajetode fluxo de exaustão do motor para o ambiente A. Deve ser evidente paraaqueles hábeis na técnica que alguma forma de supressão de som podetambém ser provida na linha 40. Deve ser também evidente que o sistema demotor de combustão interna 10 pode ser empregado com ou sem um ouambos os turbocompressores 32 e 38, de acordo com a presente invenção.Além disso, uma ou ambas as turbinas de turbocompressor 30 e 36 podemempregar geometrias variáveis, como ilustrado pelas setas em diagonal, quecontrola o fluxo de ar e a fração de EGR.
O turbocompressor de baixa pressão 38 tem um eixo central 42conectado para acionar um compressor 44 que recebe ar fresco do ambienteA, via linha de admissão 46. O ar assim pressurizado pelo compressor 44passa através da linha 48, através de um inter-resfriador 50, para a linha 52. Alinha 52 provê uma entrada para ar para o compressor 54 do turbocompressorde elevada pressão 32, que é direcionado pela turbina 30 através do eixo 56.
A saída do compressor 54 passa através da linha 56, num pós-esfriador 58 e, finalmente, através da linha 60, para o tubo múltiplo deadmissão 14. Deve ser observado por aqueles hábeis na técnica, que o inter-resfriador 50 e pós-esfriador 58 podem ser incorporados ou não incorporados,dependendo da aplicação particular para o sistema de motor 10.
O sistema de motor 10 da Fig. 1 incorpora EGR e, para estefim, uma linha 62 tem uma conexão em T com a linha 24. Uma válvula EGR26 é posicionada dentro da linha 62, que se estende através de um esfriador eda linha 66, para conectar-se com a linha 60 estendendo-se para o tubomúltiplo de admissão 14. A válvula EGR 26 pode ter numerosas formas,porém tem a capacidade funcional de permitir mais ou menos produtos decombustão da linha 24 passarem através da linha 62, esfriador 64 e linha 66para a entrada 14 do motor IC 12. A válvula EGR 26 é acionada pelos sinaisde controle de uma linha 68, resultando em um ECM 70 que pode tambémprover o controle do sistema de combustível 16 via linha de sinal 72.
O ECM 70 é programado para controlar a válvula 26 e turbinasde geometria variável, para produzir um de diversos algoritmos de controle. Oprimeiro grupo inclui uma fração de O2 (mol/massa), fração de EGR e relaçãode diluente para ar, que são medições EGR. O segundo grupo inclui Lambda,Phi e exaustão O2 (mol/fração de massa), que são medições da relação de arfresco para combustível. Um esquema de controle típico controlaria uma dasmedições EGR e uma das medições da relação de ar fresco para combustível.Isto pode ser realizado controlando-se a válvula EGR 26 e as turbinas degeometria variável 30 e/ou 36. Para todas estas lógicas de controle, énecessário prover uma medição do fluxo de EGR através da linha 66. Atéagora esta medição foi tomada diretamente da linha 66 ou 62 com asdeficiências concomitantes descritas acima.
De acordo com a presente invenção, o sistema de motor decombustão interna 10 incorpora a seguinte nova medição EGR. O fluxo totalde gases para o motor 12 é calculado usando-se a temperatura e pressão dotubo múltiplo de admissão 14, medidas por um sensor 74 e provendo-se umsinal para ECM 70 via linha 76. Esta medição provê uma medição precisa eresponsiva do fluxo total de gases consumido pelo motor 12. O fluxo de arfresco é medido por qualquer um de um número de sensores de fluxo 78, 82,84 e 86. O sinal de qualquer um destes locais é alimentado pelas linhasindicadas por linhas tracejadas 88 para uma linha de sinal 90 estendendo-separa ECM 70. Os sensores de fluxo 78-86 podem ser um venturi ou orifícioem que a pressão, temperatura e pressão diferencial são usadas para calcular ofluxo de ar depois de um sensor. Embora um venturi e orifício sejamdescritos, deve ser observado por aqueles hábeis na técnica que outras formasde sensores de fluxo podem também ser empregadas. O sinal de qualquer umdos sensores 78-86 é alimentado para o ECM 70, que é configurado parasubtrair o fluxo de ar fresco, quando sentido por aqueles sensores de fluxo, dofluxo de ar total, como calculado pelo ECM 70, para prover um sinalrepresentando o fluxo de gases real através das linhas EGR 62 e 66.
Em razão dos sensores estarem na linha de ar fresco, eles nãosão submetidos ao impacto adverso de fluxo pulsante, quando medindo-se naspassagens EGR. Isto resulta em um sinal que é significativamente maisestável e preciso do que os métodos anteriores de medir fluxo atualmente naspassagens EGR. Deve ser citado que qualquer um dos locais para os sensores78-86 podem ser selecionados dependendo das faixas delta P daquele ponto evariações de velocidade locais. O sistema resultante oferece um aumentosignificante na confiabilidade e eficácia. Além disso, o uso da restrição nalinha de ar fresco não tem o impacto adverso nas perdas de bombeio que sãoencontradas quando medindo-se diretamente no circuito EGR.
Embora esta invenção tenha sido descrita com relação a pelomenos uma forma de realização, a presente invenção pode ser aindamodificada dentro do espírito e escopo desta descrição. Este pedido é portantodestinado a cobrir quaisquer variações, usos ou adaptações da invenção,usando-se seus princípios gerais. Além disso, este pedido destina-se a cobrirtais desvios da presente descrição que se situem dentro da prática conhecidaou costumeira da técnica a que esta invenção pertence e que se situem dentrodos limites das reivindicações anexas.

Claims (22)

1. Sistema de controle para um sistema de recirculação de gásde escapamento (EGR) de um motor de combustão interna (IC), caracterizadopelo fato de compreender:um dispositivo para controlar o fluxo de EGR em resposta aodiferencial de pelo menos dois sinais de entrada;um primeiro dispositivo para calcular o fluxo de gases totalconsumido por dito motor IC e prover um sinal proporcional a dito fluxo degás total para dito dispositivo de controle de fluxo; eum segundo dispositivo para medir o fluxo de ar fresco paradito motor IC e prover um sinal proporcional ao dito fluxo de ar fresco paradito dispositivo de controle de fluxo, por meio do que a diferença entre o ditofluxo total e dito fluxo de ar fresco é o fluxo de EGR real.
2. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do dispositivo para calcular o fluxo total de gases teruma entrada de pelo menos temperatura e pressão de admissão para ditomotor de combustão interna.
3. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de dito dispositivo para medir o fluxo de ar fresco serum dentre um orifício e venturi.
4. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de dito dispositivo para controlar o fluxo de EGR serum módulo de controle eletrônico (ECM).
5. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato de dito motor de combustão interna ter um sistema deadmissão e pelo menos um dispositivo de processamento de ar de admissãoem dito sistema de admissão e dito segundo dispositivo para medir o fluxo dear fresco sendo posicionado em qualquer local do sistema de admissão domotor antes da introdução de EGR.
6. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 5,caracterizado pelo fato de dito dispositivo de processamento ser pelo menosum turbocompressor.
7. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 6,caracterizado pelo fato de ainda incluir um trocador de calor recebendo adescarga de dito turbocompressor.
8. Sistema de controle de acordo com a reivindicação 1,caracterizado pelo fato do fluxo de EGR e do fluxo de ar serem controladospara prover pelo menos uma das selecionadas medições de fração de O2(mol/massa), fração EGR, relação de diluente para ar, Lambda, Phi e fraçãode exaustão O2 (mol/massa).
9. Sistema de motor de combustão interna (IC), caracterizadopelo fato de compreender:um motor IC de aspiração de ar tendo um sistema de ar deadmissão para receber gás para combustão e uma exaustão para descarregarprodutos da combustão;um dispositivo de controle de fluxo para conectar seletiva efluidicamente uma percentagem controlada dos produtos de combustão para osistema de ar de admissão de dito motor IC;um dispositivo para acionar dito dispositivo de controle defluxo e resposta ao diferencial de pelo menos dois sinais de entrada;um primeiro dispositivo para calcular o fluxo total de gasesconsumidos por dito motor IC e prover um sinal proporcional a dito fluxo degás total para dito dispositivo de controle de fluxo; eum segundo dispositivo para medir o fluxo de ar fresco paradito motor IC e prover um sinal proporcional a dito fluxo de ar fresco paradito dispositivo de controle de fluxo, por meio do que a diferença entre ditofluxo total e dito fluxo de ar fresco é o fluxo de EGR real.
10. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 9, caracterizado pelo fato de dito primeiro dispositivo calcular ofluxo total de gases para dito motor medindo-se pelo menos a temperatura epressão do gás de admissão.
11. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 9, caracterizado pelo fato do segundo dispositivo para medir ofluxo de ar ser um de um orifício e venturi.
12. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 9, caracterizado pelo fato de dito dispositivo de acionamentoincluir um módulo de controle eletrônico (ECM).
13. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 9, caracterizado pelo fato de ainda compreender pelo menos umdispositivo de processamento de admissão em dito sistema de ar de admissãodo motor e dito segundo dispositivo ser posicionado em qualquer ponto emdito sistema de ar de admissão antes da entrada EGR.
14. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 13, caracterizado pelo fato de dito dispositivo de processamentoser pelo menos um turbocompressor para pressurizar ar.
15. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 14, caracterizado pelo fato de ainda incluir um trocador de caloradjacente à descarga do compressor de ar fresco de dito turbocompressor.
16. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 14, caracterizado pelo fato de ter um par de turbocompressores.
17. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 16, caracterizado pelo fato de incluir um par de trocadores decalor recebendo, respectivamente, a saída dos turbocompressores.
18. Sistema de motor de combustão interna de acordo com areivindicação 9, caracterizado pelo fato do fluxo de EGR e de ar seremcontrolados para prover pelo menos uma das selecionadas medições de fraçãode O2 (mol/massa), fração EGR, relação de diluente para ar, Lambda, Phi efração de exaustão O2 (mol/massa).
19. Método para operar um motor de combustão interna (IC)de aspiração de ar, tendo recirculação de gás de escapamento (EGR) e umdispositivo para controlar EGR, caracterizado pelo fato de compreender asetapas de:calcular o fluxo total de gases consumidos por dito motor IC;medir o fluxo de ar fresco real para dito motor;subtrair o fluxo de ar fresco real de dito fluxo total para proveruma medição de fluxo de EGR; eusar dito fluxo de EGR como uma entrada para ditodispositivo de controle.
20. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizadopelo fato de dito fluxo de ar fresco ser medido em qualquer ponto do sistemade admissão de dito motor, antes da entrada de dita EGR.
21. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizadopelo fato do fluxo de ar fresco ser medido por um de um orifício e venturi.
22. Método de acordo com a reivindicação 19, caracterizadopelo fato do fluxo de EGR e de ar serem controlados para prover pelo menosuma das selecionadas medições de fração de O2 (mol/massa), fração EGR,relação de diluente para ar, Lambda, Phi e fração de exaustão O2 (mol/massa).
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