ES2244245T3 - Metodo de control del proceso de combustion en un motor de combustion interna, y motor con medios para controlar las valvulas del motor. - Google Patents

Abstract

Un método para controlar el proceso de combustión en la cámara (3) de combustión de un motor de combustión interna de cuatro tiempos con al menos un cilindro (1) que tiene al menos una válvula (9) de admisión y una válvula (11) de escape y con medios (2) para el encendido por chispa de la mezcla de aire y combustible presente en la cámara (3) de combustión, que comprende suministrar una mezcla homogénea de aire y combustible a la cámara de combustión, y comprimir la mezcla hasta el autoencendido, en el que la válvula (11) de escape durante la carrera de escape del pistón (4) se controla de tal manera que, al menos durante un margen de bajas revoluciones por minuto (en adelante rpm), se cierra antes de que el pistón haya llegado a su punto muerto superior, variándose el grado de apertura de la válvula, dependiendo de la carga y las rpm del motor de tal manera que la cantidad de gases residuales en el cierre de la válvula es mayor en cargas bajas y en altas rpm que en carga altas y bajas rpm,para que se pueda variar el retardo del encendido mediante la variación del grado de dilución de la mezcla de aire y combustible con los gases residuales en la cámara de combustión, caracterizado porque los medios (2) para encendido por chispa se mantienen desactivados dentro de dicho margen de bajas rpm y se activan cuando las rpm del motor sobrepasan el límite superior del margen de bajas rpm, y porque la válvula (11) de escape dentro del margen de rpm más altas se controla de tal manera que se cierra después de que el pistón (4), durante la carrera de escape, ha llegado a su punto muerto superior.

Description

Método de control del proceso de combustión en un motor de combustión interna, y motor con medios para controlar las válvulas del motor.

El presente invento se refiere a un método de controlar el proceso de combustión en la cámara de combustión de un motor de combustión interna de cuatro tiempos con al menos un cilindro que tiene al menos una válvula de admisión y al menos una válvula de escape, que comprende suministrar una mezcla homogénea de aire y combustible a la cámara de combustión y comprimir la mezcla hasta el autoencendido.

El invento se refiere también a un motor de combustión interna de cuatro tiempos con al menos un cilindro que tiene al menos una válvula de admisión y una válvula de escape, medios para suministrar una mezcla homogénea de aire y combustible a la cámara de combustión del cilindro, y medios de control para al menos variar el grado de apertura de la válvula de escape.

En el encendido a compresión de una mezcla homogénea de aire y combustible, denominado encendido a compresión con carga homogénea (en adelante HCCI), en un motor de combustión interna de cuatro tiempos, una mezcla homogénea diluida de aire y combustible, (con aire adicional o gas residual) se comprime hasta el autoencendido. La ventaja de este método comparada con comprimir primero el aire de admisión y luego inyectar combustible en la cámara de combustión (proceso diesel), estriba en que la totalidad de la mezcla de aire combustible se quema simultáneamente y no sucesivamente como ocurre cuando un frente de llama se propaga a través de la cámara de combustión desde una bujía o un inyector.

Esto crea una temperatura homogénea en la cámara de combustión, lo cual a su vez hace posible obtener, por ejemplo en un motor del ciclo Otto sin estrangular en carga parcial, el rendimiento del motor diesel pero sin las altas emisiones de partículas y de óxido de nitrógeno del motor diesel. Las emisiones de nitrógeno se pueden reducir desde aproximadamente 1000 partes por millón (en adelante ppm) hasta valores tan pequeños como 10-20 ppm. Las emisiones de partículas de motores diesel se pueden reducir hasta el mismo nivel que las del motor del ciclo Otto. La dificultad estriba, sin embargo, en controlar la combustión, que se controla cinéticamente. Si la mezcla es demasiado rica, la liberación de energía será demasiado rápida (golpeteo), y si es demasiado pobre, el encendido resulta imposible. En un motor Otto de HCCI con gasolina como combustible, se requiere una temperatura elevada y controlada para obtener el autoencendido, y esto se puede lograr con una relación de compresión alta y/o mediante el calentamiento del aire de admisión. En un motor diesel de HCCI con aceite diesel como combustible, se requieren temperatura más bajas que con un motor diesel normal, lo que significa que se debe reducir la relación de compresión.

Hasta la fecha, la dificultad en los motores de HCCI ha sido controlar el retardo de encendido (la temperatura de los cilindros), de tal manera que la combustión se sitúe correctamente alrededor del punto muerto superior en las diversas revoluciones por minuto (en adelante rpm) y carga del motor, y esto ha reducido enormemente el margen de uso de dichos motores. Especialmente, los problemas de control durante los transitorios, donde la temperatura de los cilindros se debe comprobar de un ciclo al siguiente, han limitado el margen de uso de los motores HCCI a los generadores, por ejemplo, donde la unidad de accionamiento funciona con muy pequeñas variaciones de rpm y de carga.

El documento WO 9807973 A describe el control del proceso de combustión de un motor de combustión interna de cuatro tiempos con al menos un cilindro que tiene una válvula de admisión y una válvula de escape mediante el suministro de una mezcla homogénea de aire y combustible a la cámara de combustión, y la compresión de la mezcla hasta el autoencendido, en el que la válvula de admisión y la válvula de escape, durante la carrera de escape del pistón, se controlan de forma variable para variar el grado de dilución de la mezcla de aire y combustible con los gases residuales presente en la cámara de combustión con el fin de controlar la temperatura, para de ese modo variar el retardo de encendido mediante la variación del grado de dilución de la mezcla de aire y combustible con los gases residuales en la cámara de combustión; en alta carga este motor se conmuta a encendido por chispa.

El objeto del presente invento es obtener un método de controlar la temperatura en los cilindros de un motor de HCCI, de tal manera que el tiempo de encendido sea correcto en las diversas velocidades y cargas del motor, haciendo de ese modo prácticamente posible el uso de motores de HCCI en los vehículos a motor, reduciendo así su consumo de combustible y sus emisiones. Esto se consigue con las características de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 7.

En virtud del hecho de que la válvula de escape, durante la carrera de escape del pistón, se controla de tal manera que, al menos dentro de un intervalo de rpm más bajas, se cierra antes de que el pistón haya llegado a su punto muerto superior, variándose el grado de apertura de la válvula, dependiendo de la carga y rpm del motor de tal manera que la cantidad de gas residual al cerrar la válvula es mayor en cargas bajas y altas rpm que en cargas altas y bajas rpm, el retardo del encendido se varía mediante la variación del grado de dilución de la mezcla de aire y combustible con los gases residuales en la cámara de combustión.

Se puede lograr la libertad completa del control de válvula, de tal manera que los tiempos de apertura y cierre se puedan también controlar libremente de ciclo a ciclo, mediante el uso de válvulas accionadas electromagnéticamente. La cantidad de gases residuales que determinan la temperatura en la cámara de combustión y por tanto el tiempo de encendido, se puede regular de esta manera dentro de un amplio intervalo, dentro del cual la temperatura aumenta cuanto antes se cierre la válvula de escape.

Con el fin de prevenir el aumento en el trabajo de la bomba del motor (pérdidas de la bomba), de acuerdo con un desarrollo adicional del método acorde con el invento, la válvula de admisión se controla de tal manera durante la carrera de admisión del pistón, que, al menos dentro de dicho intervalo de bajas rpm, se abre un cierto número de grados de cigüeñal después del punto muerto superior del pistón, variándose el grado de apertura con respecto al grado de apertura de la válvula de escape, para reducir la presión de los gases residuales en la cámara de combustión a la presión de aire de admisión.

Un motor de HCCI que deba ser capaz de funcionar dentro de un amplio margen de revoluciones por minuto, por ejemplo con un límite superior de aproximadamente 6.000 rpm, preferiblemente está dotado de un sistema de encendido que se controla de tal manera que esté desactivado dentro de dicho intervalo de bajas rpm, cuyo límite superior puede estar entre 3.000 y 4.000 rpm. Cuando se sobrepasa este límite, se activa el sistema de encendido al mismo tiempo que se cambia el control de la válvula de escape de admisión a funcionamiento normal del motor, es decir, la válvula de escape se controla de tal manera que se cierra después de que el pistón, durante la carrera de escape, ha llegado a su punto muerto superior, al mismo tiempo que la válvula de admisión se controla para que empiece a abrirse antes de que la válvula de escape esté completamente cerrada. Lo mismo se aplica en condiciones de alta carga y bajas rpm, puesto que de lo contrario la velocidad de combustión será demasiado elevada cuando se reduce el grado de dilución.

Un motor de combustión interna del tipo descrito a título de introducción, que se va a controlar de la manera anteriormente descrita, se caracteriza porque los medios de control están dispuestos de tal manera que controlen a la válvula de escape durante la carrera de escape del pistón, que la válvula, al menos dentro de un intervalo de bajas rpm, se cierre antes de que el pistón haya llegado a su punto muerto superior, y que el grado de apertura de la válvula se varíe, dependiendo de la carga y rpm del motor, de tal manera que la cantidad de gases residuales en la cámara de combustión en el cierre la válvula sea mayor en cargas bajas y altas rpm que en cargas altas y bajas rpm.

A continuación se describe el método de acuerdo con el invento con referencia a los dibujos adjuntos donde las Figuras 1 a 4 muestran esquemáticamente un cilindro con pistón asociado en un motor de combustión interna de cuatro tiempos, y las Figuras 5 a 7 muestran diversos diagramas de control de válvulas.

En la Figura 1, el número 1 designa un cilindro en el bloque de motor de un motor de combustión interna de cuatro tiempos, que en el ejemplo mostrado es un motor de ciclo Otto, que tiene una bujía 2 sobresaliente en la cámara 3 de combustión. El cilindro 1 tiene un pistón 4, que está conectado por medio de una biela 5 a un empujador 6 en el cigüeñal 7. La cámara 3 de combustión tiene una admisión 8 para el suministro de la mezcla de aire y combustible. En la lumbrera de admisión de la cámara de combustión está dispuesta una válvula 9 de admisión. En la lumbrera de salida al conducto de escape está instalada una válvula de escape (no mostrada).

La apertura y el cierre de las válvulas de admisión y escape 9 y 11 se controlan electromagnéticamente con la ayuda de los dispositivos electromagnéticos 12 y13, respectivamente. Las válvulas puede ser de un tipo que es conocido per se con un eje de válvula, unido a un disco metálico situado entre dos electrimanes. Los electroimanes se magnetizan alternativamente y el disco metálico es atraído hacia el imán que en ese momento esté magnetizado. Con las válvulas controladas electromagnéticamente de este tipo conocido, se puede variar libremente el grado de apertura de las válvulas, tanto de ciclo a ciclo como para cilindros individuales. La bujía 2 está unida a un sistema de encendido 14 con una unidad de control, a la cual, entre otras, se alimentan las señales representativas de la posición del pedal del acelerador y de las rpm del motor para controlar el encendido como una función de las rpm y de la carga del motor. Los electroimanes de las válvulas 9 y11 se controlan mediante una unidad de control 15, a la cual se alimenta una señal procedente de un detector (no mostrado), que directa o indirectamente mide la presión P en la cámara del cilindro, y/o una señal representativa del flujo de iones. Esta señal se puede obtener utilizando la bujía como un detector.

Las Figuras 1 a 4 muestran el funcionamiento del HCCI, es decir, el sistema de encendido está desactivado y el encendido de la mezcla de combustible y aire suministrada a la cámara 3 de combustión se efectúa mediante un autoencendido durante la compresión de la mezcla. La Figura 1 ilustra la posición EC del pistón cuando la válvula 11 de escape se cierra durante la carrera de escape, a baja carga y altas rpm. dentro del margen de bajas rpm, (es decir, hasta aproximadamente 3000 - 4000), mientras que la Figura 2 muestra la posición IO del pistón cuando la válvula 9 de admisión se abre durante la carrera de admisión bajo las mismas condiciones de funcionamiento. Las Figuras 3 y 4 muestran de una manera correspondiente las posiciones de pistón EC e IO en carga más alta y rpm más bajas. En las Figuras 5 a 7, EO designa escape abierto, . , EC escape cerrado, IO admisión abierta e IC admisión cerrada. La Figura 5 muestra los tiempos de válvulas en baja carga y altas rpm, mientras que la Figura 6 muestra los tiempos correspondientes en carga alta y bajas rpm. En una carga, rpm y relación entre aire y combustible en la mezcla de aire y combustible determinadas, se obtiene un retardo de encendido más corto (comienzo del encendido más temprano), cuanto más pronto se cierre la válvula de escape, porque la cantidad de gases residuales calientes atrapados en este caso aumenta en la cámara de combustión. Mediante la realimentación de la señal de corriente de iones o de la señal del detector de presión, se pueden regular la apertura y el cierre de la válvula de tal manera que la combustión se pueda situar correctamente durante el funcionamiento del HCCI dentro de la totalidad del margen de rpm más bajas.

Cuando las rpm sobrepasan el límite superior del margen de rpm más bajas, por ejemplo, aproximadamente 4000 rpm para un vehículo de pasajeros con unas rpm de extremo superior de aproximadamente 6.000 - 8000, el control de las válvulas se conmuta al funcionamiento normal de motor Otto, es decir, con dicho solape de válvulas, como se muestra en la Figura 7, y al mismo tiempo se activa el sistema de encendido. Lo mismo es cierto cuando la carga del motor sobrepasa del 50 al 70% de la máxima carga de motor.

El grado de apertura de las válvulas se puede regular en principio de dos maneras para controlar la cantidad de gases residuales durante la carrera de escape o durante la reducción de presión en el transcurso de la carrera de admisión. La longitud de la carrera de las válvulas puede ser constante y se pueden variar los tiempos para cerrar la válvula de escape y abrir la válvula de admisión, como se ilustra en las Figuras 1 a 4, o bien se pueden variar la longitud de la carrera de las válvulas y mantenerse constante el tiempo de apertura, o bien se pueden controlar con una combinación de los dos métodos.

Con un motor Otto en funcionamiento HHCCI, se puede obtener un rendimiento correspondiente al de un motor diesel normal, pero sin las emisiones de partículas de motor diesel. Incluso se pueda hacer funcionar un motor diesel en el modo de HCCI con un control correspondiente de las válvulas. Sin embargo, en este caso se requieren dobles inyectores de combustible, a saber, en primer lugar inyectores para inyectar combustible en el tubo de admisión para el funcionamiento HCCI dentro de un margen más bajo de rpm, y, en segundo lugar, inyectores para inyección directa en funcionamiento normal diesel dentro del margen de rpm. Además, se requieren dispositivos para conmutar la inyección de combustible.

Se puede obtener también el control variable de las válvulas por otros medios distintos a los electroimanes.

Claims (10)

1. Un método para controlar el proceso de combustión en la cámara (3) de combustión de un motor de combustión interna de cuatro tiempos con al menos un cilindro (1) que tiene al menos una válvula (9) de admisión y una válvula (11) de escape y con medios (2) para el encendido por chispa de la mezcla de aire y combustible presente en la cámara (3) de combustión, que comprende suministrar una mezcla homogénea de aire y combustible a la cámara de combustión, y comprimir la mezcla hasta el autoencendido, en el que la válvula (11) de escape durante la carrera de escape del pistón (4) se controla de tal manera que, al menos durante un margen de bajas revoluciones por minuto (en adelante rpm), se cierra antes de que el pistón haya llegado a su punto muerto superior, variándose el grado de apertura de la válvula, dependiendo de la carga y las rpm del motor de tal manera que la cantidad de gases residuales en el cierre de la válvula es mayor en cargas bajas y en altas rpm que en carga altas y bajas rpm, para que se pueda variar el retardo del encendido mediante la variación del grado de dilución de la mezcla de aire y combustible con los gases residuales en la cámara de combustión, caracterizado porque los medios (2) para encendido por chispa se mantienen desactivados dentro de dicho margen de bajas rpm y se activan cuando las rpm del motor sobrepasan el límite superior del margen de bajas rpm, y porque la válvula (11) de escape dentro del margen de rpm más altas se controla de tal manera que se cierra después de que el pistón (4), durante la carrera de escape, ha llegado a su punto muerto superior.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la válvula (9) de admisión, durante la carrera de admisión del pistón (4), se controla de tal manera que, al menos dentro de dicho margen de bajas rpm, se abre un cierto número de grados de cigüeñal después del punto muerto superior del pistón, variándose el ángulo de apertura con respecto al ángulo de apertura de la válvula (11) de escape, para reducir la presión de los gases residuales en la cámara (3) de combustión a la presión de aire de la tubería de admisión.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la válvula (11) de escape y la válvula (9) de admisión se controlan de tal manera que la válvula de admisión empieza a abrirse antes de que se haya cerrado completamente la válvula de escape.

4. El método de acuerdo con una de la reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se usan unos electroimanes (12, 13) para controlar las válvulas (9, 11).

5. Un método de acuerdo con una de la reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se usa gasolina como combustible.

6. Un motor de combustión interna de cuatro tiempos, con al menos un cilindro (1) que tiene al menos una válvula (9) de admisión, una válvula (11) de escape, medios para suministrar una mezcla homogénea de aire y combustible a la cámara (3) de combustión del cilindro, medios (15) de control para al menos variar el grado de apertura de la válvula (11) de escape, y un sistema de encendido que comprende al menos una bujía (2) para cada cilindro (1) y un dispositivo (14) de control de encendido, que está conectado a un tacómetro y un detector de posición de pedal de acelerador, en el que los medios (15) de control están dispuestos para controlar de tal manera la válvula (11) de escape durante la carrera de escape del pistón 4, que la válvula, al menos dentro de un margen de rpm más bajas, se cierra antes de que el pistón haya llegado a su punto muerto superior, y que el grado de apertura de la válvula se varía, dependiendo de la carga y rpm del motor, de tal manera que la cantidad de gases residuales presentes en la cámara de combustión en el cierre de la válvula es mayor en cargas bajas y rpm más altas que en cargas altas y rpm más bajas, para de ese modo variar el retardo de encendido mediante la variación del grado de dilución de la mezcla de aire y combustible con los gases residuales en la cámara de combustión, caracterizado porque el dispositivo (14) de control de encendido está dispuesto para mantener la bujía (2) desactivada dentro de dicho margen de rpm más bajas y para activar la bujía cuando la velocidad del motor sobrepasa el límite superior del margen de rpm más bajas, y porque la unidad (15) de control de las válvulas (9, 11) está dispuesta para controlar las válvulas dentro del margen de rpm más altas, de tal manera que la válvula (9) de admisión empiece a abrirse antes de que la válvula (11) de escape se haya cerrado por completo.

7. Un motor de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque los medios (15) de control están dispuestos de tal manera para controlar la válvula (9) de admisión durante la carrera de admisión del pistón (4), que la válvula, al menos dentro del dicho margen de bajas rpm, se abre primero después de un cierto número de grados de cigüeñal pasado el punto muerto superior del pistón, y porque el ángulo de apertura se varía en relación con el ángulo de apertura de la válvula de escape, para reducir la presión de los gases residuales en la cámara de combustión hasta la presión de aire de admisión.

8. Un motor de acuerdo con la reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado porque las válvulas (9, 11) tienen unos medios electromagnéticos (12, 13) que están conectados a una unidad (15) de control, que controla los medios de accionamiento de las válvulas en respuesta a diversas señales alimentadas a la unidad de control.

9. Un motor de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la unidad (15) de control está conectada a un detector de señal de corriente de iones instalado en la cámara (3) de combustión, a un tacómetro, y a un detector de presión.

10. Un motor de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la unidad (15) de control está conectada a un transductor de señal de presión.