ES2257102T3 - Procedimiento para controlar el proceso de combustion en un motor de combustion interna, y motor con medios para variar la relacion efectiva de compresion de los cilindros. - Google Patents
Procedimiento para controlar el proceso de combustion en un motor de combustion interna, y motor con medios para variar la relacion efectiva de compresion de los cilindros.Info
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Abstract
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, medios (16, 17, 18) para variar la relación geométrica de compresión del cilindro y medios para suministrar una mezcla homogénea de combustible / aire a la cámara de combustión, en el que la relación de compresión y el cierre de la válvula (9) de admisión son controlados de manera que la mezcla, al menos en el intervalo de revoluciones inferior, se comprima hasta el auto encendido, que se caracteriza porque la relación geométrica de compresión y el cierre de la válvula (9) de admisión están controlados para que la relación de compresión sea más alta y la válvula se cierre antes a cargas bajas y velocidad del motor alta que a cargas altas y velocidad del motor baja, porque se reduce la relación de compresión y se establece el cierre de la válvula más tarde enestados transitorios a carga alta y velocidad del motor baja, y porque se eleva la relación de compresión y la válvula se cierra antes en estados transitorios a carga baja y velocidad del motor alta.
Description
Procedimiento para controlar el proceso de
combustión en un motor de combustión interna, y motor con medios
para variar la relación efectiva de compresión de los cilindros.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para controlar el proceso de combustión en una cámara
de combustión de un motor de combustión interna con al menos un
cilindro que tiene al menos una válvula de admisión y una válvula
de escape, medios para variar la relación geométrica de compresión
del cilindro y medios para suministrar una mezcla homogénea de
combustible/aire a la cámara de combustión de acuerdo con la
reivindicación 1, primera parte (compárese con el documento
WO-A-9807973).
La invención también se refiere 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 variar la relación geométrica de compresión del
cilindro así como medios para suministrar una mezcla homogénea de
combustible/aire a la cámara de combustión del cilindro, de acuerdo
con la reivindicación 6, primera parte.
Para un encendido por compresión de carga
homogénea (HCCI) en un motor de combustión interna de cuatro
tiempos, una mezcla homogénea de combustible/aire diluida (con aire
adicional o gas residual) se comprime hasta el auto encendido. La
ventaja de esto en comparación con comprimir en primer lugar el aire
de admisión y a continuación inyectar combustible en la cámara de
combustión (proceso diesel) es que la mezcla de combustible/aire
completa se quema simultánea y no sucesivamente como ocurre cuando
se propaga un frente de llamas a través de la cámara de combustión
desde una bujía o inyector. Esto produce una temperatura homogénea
en la cámara de combustión, que, a su vez, hace posible conseguir,
por ejemplo en un motor Otto no regulado a carga parcial, la
eficiencia del motor diesel pero sin las altas emisiones de óxido
de nitrógeno y de partículas del motor diesel. Las emisiones de
nitrógeno se pueden reducir desde aproximadamente 1000 ppm hasta una
cantidad tan baja como 10 - 20 ppm. Las emisiones de partículas del
motor diesel se pueden reducir al mismo nivel que las del motor
Otto. Sin embargo, la dificultad es controlar la combustión puesto
que la misma está controlada cinéticamente. Si la mezcla es
demasiado rica, la energía liberada será demasiado rápida (golpeteo)
y si es demasiado pobre, se hará imposible el encendido. En un
motor Otto de HCCI con gasolina como combustible, se requiere una
temperatura elevada y controlada para alcanzar el auto encendido, y
esto se puede conseguir con una relación de compresión alta y/o
calentado el aire de admisión. En un motor diesel del HHCI con
gasoil como combustible, se requieren temperaturas inferiores que
con un motor diesel normal, lo cual significa que se debe disminuir
la relación de compresión.
Hasta ahora, la dificultad en los motores de HHCI
ha sido controlar el retardo de encendido (la temperatura del
cilindro) de manera que la combustión se sitúe correctamente encima
del punto de punto muerto superior a distintas revoluciones y
cargas, y esto ha reducido en gran medida el intervalo de
utilización de tales motores. Especialmente los problemas de
control durante los transitorios, en los que se debe controlar la
temperatura del cilindro de un ciclo al siguiente, ha limitado el
intervalo de utilización de los motores de HCCI a generadores, por
ejemplo, en los que la unidad de activación funciona con muy pocas
variaciones de revoluciones y carga.
El propósito de la presente invención es
conseguir un método para controlar la temperatura en los cilindros
de un motor de HCCI, de manera que el tiempo de encendido sea
correcto a distintas velocidades y cargas del motor, con lo cual se
hace posible en la práctica utilizar motores de HCCI en vehículos de
motor, con lo cual se reducen sus consumos de combustible y las
emisiones.
Esto se consigue de acuerdo con la invención
debido a las características de acuerdo con la reivindicación 1.
Se puede conseguir una libertad completa de
control de las válvulas, de manera que el tiempo de apertura y
cierre también pueda ser controlado libremente de ciclo a ciclo,
usando válvulas operadas electromagnéticamente. Se puede variar la
relación de compresión de una manera conocida debido al hecho de que
el cilindro del motor se comunica con un cilindro adicional que
contiene un émbolo móvil por medio del cual se puede variar el
volumen total de la cámara de combustión.
Un motor de HCCI que debe poder funcionar en un
intervalo amplio de revoluciones, por ejemplo, con un límite
superior de revoluciones de, aproximadamente, 6000 rpm, está
preferiblemente equipado con un sistema de encendido que está
controlado para que se desactive en el citado intervalo inferior de
revoluciones, cuyo límite superior puede encontrarse entre 3000 y
4000 rpm. Cuando se supera este límite, el sistema de encendido se
activa al mismo tiempo que se cambia el control de la válvula de
admisión y se reduce la relación de compresión a la de
funcionamiento normal del motor.
Un motor de combustión interna del tipo descrito
a título de introducción, que se va a controlar de la manera que se
ha descrito con anterioridad, está caracterizado por las
características de acuerdo con la reivindicación 6.
El método de acuerdo con la invención se
describirá más abajo con referencia a los dibujos que se acompañan,
en los que las figuras 1 - 4 muestran esquemáticamente un cilindro
con un pistón asociado en un motor de combustión interna de cuatro
tiempos con relación de compresión variable.
En la figura 1, 1 designa un cilindro del bloque
motor de un motor de combustión interna de cuatro tiempos, que en
el ejemplo que se muestra es un motor Otto, que tiene una bujía 2
que sobresale en la cámara 3 de combustión. El cilindro 1 tiene un
pistón 4 que está conectado por medio de una biela a un radio 6 en
el cigüeñal 7. La cámara 3 de combustión tiene una admisión 8 para
suministrar la mezcla de combustible/aire. Se dispone una válvula 9
de admisión en la lumbrera de admisión de la cámara de combustión.
Una válvula de escape (no mostrada) está dispuesta en la lumbrera
de salida al conducto de escape.
La apertura y el cierre de la válvula 9 de
admisión están controlados electromagnéticamente con la ayuda de un
dispositivo 12 electromagnético. La válvula puede ser de un tipo que
se conoce por si mismo, con un husillo de válvula unido a un disco
metálico situado entre dos electroimanes. Los electroimanes son
magnetizados alternativamente y el disco metálico es impulsado
hacia el imán que se magnetiza momentáneamente. Con las válvulas
controladas electromagnéticamente de este tipo conocido, el grado
de apertura de las válvulas puede ser controlado libremente, tanto
de ciclo a ciclo como en los cilindros individuales. La bujía 2 está
unida a un sistema 14 de encendido con una unidad de control a la
cual, por ejemplo, se alimentan las señales que representan las
revoluciones del motor y la posición del pedal acelerador para
controlar el encendido en función de las revoluciones y de la carga
del motor. Los electroimanes de la válvula 9 están controlados por
una unidad 15 de control a la cual se alimenta una señal desde un
sensor (no mostrado) que mide directa o indirectamente la presión P
en la cámara del cilindro, y/o una señal que representa el flujo
iónico. Esta señal se puede obtener con la bujía como sensor.
La unidad 15 de control también controla la
relación de compresión en el cilindro 1 regulando la posición de un
émbolo 16 en un cilindro 17 que se comunica con el cilindro 1. La
posición del émbolo 16 en el cilindro está controlada por medios 18
de funcionamiento, que, por ejemplo, pueden ser del tipo que se
muestra y se describe en el documento
SE-A-405 993.
Las figuras 1 - 4 muestran el funcionamiento del
HCCI, es decir, el sistema de encendido se desactiva y se efectúa
el encendido de la mezcla de combustible/aire suministrada a la
cámara 3 de combustión por auto encendido durante la compresión de
la mezcla. La figura 1 ilustra la posición del émbolo 16 con una
relación de compresión máxima, y la posición IS del pistón 4,
cuando la válvula 9 de admisión se cierra durante la carrera de
compresión a carga baja y revoluciones altas en el intervalo de
revoluciones inferior (es decir, hasta aproximadamente 3000 - 4000
revoluciones). Durante un estado transitorio a cargas más altas y
revoluciones más bajas desde el estado de funcionamiento de la
figura 1, se reduce la relación de compresión efectiva, en primer
lugar, tirando hacia atrás del émbolo 16 como se indica por la
flecha, de manera que se reduzca la relación geométrica de
compresión, y en segundo lugar, retrasando el cierre de la válvula 9
de admisión. En la figura 3, se ilustra la posición IS del pistón 4
cuando se cierra la válvula 9 de admisión a cargas más altas y
revoluciones más bajas. Como mostrará una comparación, el tiempo de
cierre es aproximadamente el mismo que para el estado de la figura
1. Sin embargo, el émbolo 16 ha disminuido la relación de compresión
al tirar de él hacia atrás para incrementar el volumen total de la
cámara de combustión. Durante un transitorio a una carga más baja y
revoluciones más altas (figura 4) desde el estado de funcionamiento
de la figura 3, la relación de compresión efectiva se incrementa,
en primer lugar, moviendo el émbolo 16 hacia delante, como se
indica por la flecha en el émbolo 16, de manera que se incremente la
relación geométrica de compresión y, en segundo lugar, cerrando
antes la válvula 9 de admisión. En la figura 4, la válvula 9 de
admisión se cierra en el punto muerto inferior del pistón 4.
Cuando las revoluciones superan el límite
superior del intervalo de revoluciones inferior, por ejemplo, a
aproximadamente 4000 rpm para un coche de pasajeros con un extremo
superior de revoluciones de aproximadamente 6000 - 8000 rpm, el
control se conmuta al del funcionamiento normal del motor Otto, es
decir, con una relación de compresión normal y un solape de
válvulas al mismo tiempo que se activa el sistema de encendido. Esta
conmutación también se produce cuando la carga del motor supera el
50 - 70% de la carga de motor máxima. Una relación de compresión
"normal" puede ser aproximadamente 8 - 10:1, y la relación de
compresión máxima con el funcionamiento de HCCI es aproximadamente
16 - 20:1.
La relación de compresión efectiva se puede
regular variando la relación geométrica de compresión o variando el
punto de tiempo en el que la válvula de admisión se cierra, o por
una combinación de estas dos. La válvula de escape (no mostrada)
puede ser operada electromagnéticamente como lo es la válvula de
admisión, pero puesto que el control durante el funcionamiento de
HCCI no requiere la temporización variable de válvula para la
válvula de escape, se puede controlar con el árbol de levas de una
manera convencional.
Claims (11)
1. 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, medios (16,
17, 18) para variar la relación geométrica de compresión del
cilindro y medios para suministrar una mezcla homogénea de
combustible/aire a la cámara de combustión, en el que la relación de
compresión y el cierre de la válvula (9) de admisión son
controlados de manera que la mezcla, al menos en el intervalo de
revoluciones inferior, se comprima hasta el auto encendido, que se
caracteriza porque la relación geométrica de compresión y el
cierre de la válvula (9) de admisión están controlados para que la
relación de compresión sea más alta y la válvula se cierre antes a
cargas bajas y velocidad del motor alta que a cargas altas y
velocidad del motor baja, porque se reduce la relación de compresión
y se establece el cierre de la válvula más tarde en estados
transitorios a carga alta y velocidad del motor baja, y porque se
eleva la relación de compresión y la válvula se cierra antes en
estados transitorios a carga baja y velocidad del motor alta.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1
cuando controla el proceso de combustión en un motor de combustión
interna con medios (2, 14) de encendido por chispa de la mezcla de
combustible/aire en la cámara de combustión, que se
caracteriza porque los medios (2, 14) de encendido por chispa
se mantiene desactivados en el citado intervalo de velocidad baja
del motor, y se activan cuando la velocidad del motor supera el
límite superior del intervalo de velocidades del motor inferior, al
mismo tiempo que se controla la relación geométrica de compresión
hacia un nivel bajo.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2,
que se caracteriza porque al menos la válvula (9) de admisión
está controlada por medios (12) electromagnéticos.
4. Método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 3, que se caracteriza porque se utiliza
gasolina como combustible.
5. Método de acuerdo con una de las
reivindicaciones 1 - 4, que se caracteriza porque la relación
geométrica de compresión y el cierre de la válvula (9) de admisión
se controlan para que la relación de compresión efectiva más alta
sea aproximadamente el doble que la relación de compresión efectiva
más baja.
6. 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 variar la relación geométrica
de compresión del cilindro y medios para suministrar una mezcla
homogénea de combustible/aire a la cámara de combustión del
cilindro, en el que al menos la válvula de admisión tiene tiempos de
válvula variables y en el que los medios (12, 15, 18) de control
están dispuestos para controlar el grado de apertura de la válvula
(9) de admisión y la relación de compresión del cilindro (1) como
una función de la velocidad y de la carga del motor, de manera que
la mezcla, al menos en el intervalo de velocidades más bajo del
motor, se comprima hasta el auto encendido, que se
caracteriza porque los medios (12, 15, 18) de control están
dispuestos para controlar la relación geométrica de compresión y el
cierre de la válvula de admisión (9), de manera que la relación de
compresión resulte más alta y la válvula se cierre antes a cargas
bajas y velocidad del motor alta que a cargas altas y velocidad del
motor baja, porque la relación de compresión se reduce y la válvula
se cierra más tarde en estados transitorios a carga alta y velocidad
de motor baja, y porque la relación de compresión se eleva y la
válvula se cierra antes en estados transitorios a carga baja y
velocidad de motor alta.
7. Motor de acuerdo con la reivindicación 6, que
se caracteriza porque la válvula (9) de admisión y los medios
para variar la relación geométrica de compresión del cilindro (1)
tienen medios (12, 18) de funcionamiento acoplados a una unidad (15)
de control, que controla los medios de funcionamiento como una
función de las distintas señales de control que se alimentan a la
unidad de control.
8. Motor de acuerdo con la reivindicación 7, que
se caracteriza porque la válvula (9) de admisión tiene medios
(12) que funcionan electromagnéticamente.
9. Motor de acuerdo con la reivindicación 8, que
se caracteriza porque la unidad (15) de control está
conectada a un sensor de señales de flujo iónico dispuesto en la
cámara de combustión (3), y a un tacómetro.
10. Motor de acuerdo con la reivindicación 8, que
se caracteriza porque la unidad (15) de control está
conectada a un sensor de señales de presión dispuesto en la cámara 3
de combustión.
11. Motor de acuerdo con una de las
reivindicaciones 6 - 10, con un sistema (2, 14) de encendido que
comprende al menos una bujía (2) para cada cilindro y un dispositivo
(14) de control de encendido que está conectado a un tacómetro y a
un sensor de posición del pedal acelerador, que se
caracteriza porque el dispositivo (14) de control de
encendido está dispuesto para mantener desactivada la bujía (2) en
un intervalo de velocidades inferior del motor y para activar la
bujía cuando la velocidad del motor supera el límite superior del
intervalo de velocidades inferior del motor, y porque la unidad (15)
de control está dispuesta para en ese momento, en primer lugar,
controlar la válvula (9) de admisión y la válvula de escape, de
manera que la válvula de admisión empiece a abrirse antes de que la
válvula de escape esté completamente cerrada, y en segundo lugar,
controlar la relación geométrica de compresión hacia un nivel
bajo.
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