ES2268611T3 - Motor diesel turboalimentado con sistema de recirculacion de gases de escape de "largo recorrido". - Google Patents

Motor diesel turboalimentado con sistema de recirculacion de gases de escape de "largo recorrido". Download PDF

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Abstract

Motor diesel turboalimentado, que comprende: - por lo menos un cilindro (2) provisto de por lo menos una válvula de admisión (24) y por lo menos una válvula de escape (25), que controlan, respectivamente, un conducto de admisión (3, 4) y un conducto de escape (12); - un compresor (9) situado en el interior del conducto principal de admisión de aire (6) conectado a dicho conducto de admisión (3, 4) del cilindro (2); - una turbina de control (15) para accionar el compresor (9), situada en el interior del tubo de escape principal (14) conectado a dicho conducto de escape (12) del cilindro (2); - un dispositivo de tratamiento de los gases de escape (17), que está situado en el interior del tubo escape principal (14) corriente abajo de la turbina (15) y comprende unos medios de convertidor catalítico (17a) y unos medios de filtración de partículas (17b); y - un conducto de recirculación de gases de escape (18), controlado por la correspondiente válvula de recirculación de gases de escape (19), para la alimentación de por lo menos parte de los gases escape que retornan hacia el tubo de escape principal (14) al interior del conducto de admisión principal (6); - en el que dicho conducto de recirculación de gases de escape (18) se deriva del tubo de escape principal (14) en un punto (A) corriente abajo de la turbina (15) y del dispositivo de tratamiento de gases de escape (17), y converge con el conducto de admisión principal (6) en un punto (21) corriente arriba del compresor (9), - en el que un intercambiador de calor (20) se encuentra situado en el conducto de recirculación de los gases de escape (18), - en el que la válvula de las circulación de los gases escape (21) está situada en la confluencia del conducto de recirculación de los gases de escape (18) en el conducto de admisión principal (6), - en el que, situada dentro del conducto de admisión principal (6) se encuentra una válvula estranguladora (22), corriente arriba de la confluencia (21) del conducto de recirculación de gases de escape (18).

Description

Motor diesel turboalimentado con sistema de recirculación de gases de escape de largo recorrido.
La presente mención se refiere a motores diesel turboalimentados, del tipo indicado en el preámbulo de la reivindicación 1.
Los medios catalizadores-convertidores y los medios filtrantes de partículas pueden estar integrados en un único componente que desempeña ambas funciones, o también pueden estar constituidos por diferentes componentes, sin excluir la posibilidad de que existan también otros componentes tales como, por ejemplo, separadores de NO_{x}.
Un motor de este tipo se da a conocer en el documento WO 03/102391, o en el documento US nº 6.338.245.
Los motores convencionales del tipo indicado anteriormente, comprenden normalmente un número determinado de cilindros y uno o más turbosobrealimentadores, posiblemente integrados con un compresor eléctrico. En estos motores, usados normalmente en los automóviles, el conducto de recirculación de gases de escape (EGR) se deriva del tubo de escape principal, corriente arriba de la turbina, y converge con el conducto de admisión principal corriente abajo del compresor. Dicho sistema conocido se ilustra esquemáticamente en la Figura 1 de los dibujos adjuntos. En dicha figura, la referencia numérica 1 designa un bloque completo de motor diesel de cuatro cilindros 2, dotado cada uno de ellos de los conductos de admisión 3, 4 controlados por las respectivas válvulas de admisión (no representadas), y que forman parte del colector de admisión 5, que recibe aire a través del conducto de admisión principal 6. Dispuestos en serie con el conducto de admisión principal 6 se encuentran: un filtro de aire 7; un flujómetro 8; un compresor 9; un dispositivo refrigerador o intercambiador de calor 10; y una válvula estranguladora 11. Asociado a cada cilindro 2 del motor 1 se encuentra, además, un conducto de escape 12, controlado por la correspondiente válvula de escape (no representada), que forma parte de un colector de escape 13 conectado a un tubo de escape principal 14. Dispuestos en serie con el tubo de escape principal 14 se encuentran una turbina 15, que acciona el compresor 9 a través de un árbol de transmisión 16, y un dispositivo 17 para el tratamiento de los gases de escape que comprende, aplicados uno junto a otro, un convertidor catalítico 17a y un filtro de partículas 17b. De nuevo con la disposición conocida que se ilustra en la Figura 2, existe, además, un conducto de recirculación de los gases de escape 18, que se deriva del tubo de escape principal 14, corriente arriba de la turbina 15, y converge con el conducto de admisión principal 6, corriente abajo del compresor 9 y del intercambiador de calor 10. En una posición correspondiente a dicha confluencia, se sitúa una válvula 19 para la regulación del flujo de gas a través del conducto de recirculación 18. Además, en el ejemplo ilustrado, el conducto de EGR presenta una parte intermedia, que se bifurca en dos conductos 18a y 18b, paralelos entre sí, atravesando el conducto 18b un intercambiador de calor 20. En el punto en que el conducto de EGR se bifurca en los dos conductos paralelos 18a y 18b, se encuentra una válvula 21, que regula el flujo de gases a través de cada uno de dichos dos tubos paralelos 18a y 18b para posibilitar una variación
del grado de refrigeración de los gases de escape.
El sistema de recirculación de los gases de escape realizado de la forma que se ha descrito presenta ciertos inconvenientes. En primer lugar, los gases de escape que se hacen recircular dan lugar al fenómeno de ensuciamiento de las válvulas, de los conductos del motor y del intercambiador de calor del sistema EGR. En segundo lugar, la mezcla entre el gas de recirculación y el aire aspirado no siempre es óptima, por lo que se produce una falta de uniformidad de la combustión en los distintos cilindros del motor. Otro inconveniente radica en el hecho de que los gases de escape que recirculan tienen una temperatura que es todavía alta, lo que da lugar a una alta temperatura de la mezcla gas/aire a la entrada del motor, con la consiguiente producción de emisiones y partículas nocivas. Finalmente, la turbina no se explota de la forma más eficiente, dado que no todo el flujo de gases de escape pasa a través de la misma.
Con el fin de superar los inconvenientes apuntados, el objeto de la presente invención es un motor diesel turboalimentado que presenta todas las características de la reivindicación 1.
Gracias a dichas características, el motor según la invención presenta una serie de ventajas. En primer lugar los gases de recirculación son "limpios", puesto que ya han atravesado el dispositivo de tratamiento que comprende un convertidor catalítico y un filtro de partículas. Se ha eliminado también o, en todo caso, se ha reducido en gran medida el fenómeno de ensuciamiento de las válvulas y de los conductos del motor. Otra ventaja que se deriva de la invención es que se garantiza una mezcla excelente entre los gases de recirculación y el aire nuevo, con la consiguiente uniformidad de combustión entre los distintos cilindros. Además, puesto que los gases de recirculación se toman corriente abajo de la turbina y corriente abajo del dispositivo de tratamiento de los gases de escape, su temperatura es relativamente baja, con la consecuencia de que la mezcla de los gases de recirculación con el aire a la entrada del motor se encuentra también a una temperatura relativamente baja, lo que permite la reducción de las emisiones (partículas y NO_{x}). Finalmente, gracias a las características de la invención, la turbina es atravesada por la totalidad del flujo de gases de escape, lo que permite el control del compresor con el máximo rendimiento.
En el sistema según la invención, la mezcla de los gases de escape de recirculación y el aire aspirado es después comprimida por el compresor y refrigerada en el intercambiador de calor (intercambiador aire-aire o aire-agua), que está situado en el conducto de admisión corriente abajo del compresor.
La válvula para la regulación del flujo de los gases de recirculación puede ser de cualquier tipo conocido y situada en la confluencia del conducto de recirculación con el conducto de admisión.
Como queda dicho, la principal ventaja del sistema según la invención radica en el hecho de que los gases de recirculación son "limpios", es decir, desprovistos de hidrocarburos no quemados y partículas materiales.
Un posible inconveniente del sistema según la invención, tal como se ha definido, podría ser lo relativamente lento de la respuesta del sistema, con posibles problemas en el control de los regímenes transitorios del motor. Otro posible inconveniente podría radicar en el hecho de que la mezcla de los gases de recirculación con el aire a la entrada del motor se encuentra siempre a una temperatura relativamente baja, con el consiguiente incremento de emisiones de CO y HC durante el arranque en frío del motor. Con objeto de eliminar también estos posibles inconvenientes, en una forma de realización preferida de la invención, además del sistema de recirculación descrito anteriormente, se prevé también un sistema de recirculación de los gases de escape tradicional de "corto recorrido" con un conducto de recirculación del tipo ilustrado en la Figura 1, que se deriva del tubo de escape corriente arriba de la turbina y converge con el tubo de admisión corriente abajo del compresor. De este modo, el motor explota simultáneamente tanto el sistema de recirculación según la invención, esto es, del tipo de largo recorrido, como un sistema de recirculación del tipo convencional de corto recorrido o "de gas caliente".
En combinación con el sistema de recirculación de largo recorrido según la invención, el motor está provisto de un sistema de EGR "interno", según lo que se da a conocer en la solicitud de patente europea anterior EP 1 273 770 A2, a nombre del presente solicitante. En ese documento, se ilustra un motor provisto de un sistema para la actuación variable de las válvulas del mismo (el cual, en el marco de la presente invención puede aplicarse solamente a las válvulas de admisión o bien tanto a las válvulas de admisión como a las válvulas de escape). En dicho sistema conocido, que es aplicable también al motor según la invención, las válvulas del motor están controladas por las respectivas levas del árbol de levas del motor con la interposición de una cámara de fluido a presión, que puede descargarse por medio de una electroválvula controlada por una unidad de control electrónico. Cuando la cámara presurizada se descarga, la válvula respectiva vuelve rápidamente a su posición de cierre, incluso en el caso en que el control de la leva tienda a mantenerla abierta. Explotando dicha disposición, es posible, por tanto, variar según necesidad las veces de apertura y cierre de las válvulas del motor, según cualquier ley que se desee. En particular, la solicitud de patente europea mencionada anteriormente prevé la posibilidad de programar los medios de control electrónicos del sistema de tal manera que mantenga las válvulas de admisión y las de escape simultáneamente abiertas en algunas fases del ciclo del funcionamiento del motor para obtener una recirculación interna de los gases de escape. Según dicha proposición, durante la carrera de escape normal de un cilindro del motor, parte de los gases de escape vuelven al conducto de admisión, en vez de fluir al conducto de escape y se reintroduce entonces dentro de la cámara de combustión en la carrera de admisión subsiguiente. Además, parte de los gases de escape que en la carrera de escape entran normalmente en el conducto de escape del cilindro, vuelve también a la cámara de combustión durante la carrera de admisión, también a causa de la apertura simultánea de las válvulas de admisión y escape. En consecuencia, las dos cantidades de gases mencionadas vuelven a la cámara de combustión para sufrir una nueva combustión en el ciclo
subsiguiente.
Como ya se ha indicado, dentro del marco de la presente invención se encuentra un motor que, en combinación con un sistema de EGR de largo recorrido del tipo descrito anteriormente, considera también un sistema de EGR "interno" del tipo que forma parte del objeto del documento EP 1 273 770 A2. De este modo se consiguen todas las ventajas del sistema de largo recorrido, eliminando sus inconvenientes.
A continuación se describe la invención haciendo referencia a los dibujos adjuntos, que se incluyen meramente a título de ejemplo no limitativo, y en los que:
- la Figura 1, ya descrita, se refiere a un motor convencional según la técnica conocida; mientras que
- la Figura 2 ilustra una forma de realización preferida del motor según la invención.
En la Figura 2, los elementos comunes con los de la Figura 1, ya descritos anteriormente, se designan con las mismas referencias numéricas.
La diferencia principal con respecto al sistema convencional ilustrado en la Figura 1, radica en el hecho de que, en el caso de la invención, el conducto de recirculación de los gases de escape, designado por la referencia numérica 18, arranca desde el tubo de escape principal 14 a partir de un punto A situado corriente abajo del dispositivo de tratamiento de gas 17 y converge con el conducto de admisión 6 en un punto situado corriente arriba del compresor 9, en el que se encuentra situada una válvula 21 de cualquier tipo conocido para el control del flujo de los gases de escape de recirculación a través del tubo 18.
Por supuesto, de acuerdo con la técnica anterior, el dispositivo de accionamiento de la válvula 21 está controlado preferiblemente por medios de control electrónicos, según un programa lógico preestablecido. También en el caso de la invención, existe preferiblemente un intercambiador de calor 20 dispuesto en el interior del conducto de recirculación de los gases de escape 18. Además con objeto de forzar el paso de grandes cantidades de gases de escape, se encuentra preferiblemente una válvula estranguladora 22 con el dispositivo de actuación correspondiente 23, que es capaz de incrementar el salto de presión a través del conducto de recirculación 18. Dicho dispositivo puede estar montado indiferentemente en el conducto de admisión, tal como se ilustra en la Figura 2, corriente arriba del punto 21 de admisión de los gases de recirculación, o bien en el tubo de escape 14, en un punto corriente abajo de la zona A en el que es aspirado el gas de que debe recircular.
Gracias a la disposición que se ha descrito, se consiguen las ventajas que se han ilustrado extensamente en la descripción anterior.
En otra forma de realización preferida, el dispositivo según la invención, además del conducto de recirculación 18 ilustrado en la Figura 2, que proporciona una EGR de largo recorrido, puede estar dotado también de un conducto de recirculación 18 del tipo ilustrado en la Figura 1, según una disposición de corto recorrido. De este modo, se combinan las ventajas de los dos sistemas, obviando de este modo los inconvenientes parciales del sistema de largo recorrido.
En combinación con el sistema de EGR de largo recorrido ilustrado en la Figura 2, el motor está dotado también de un sistema de EGR interno según lo que da a conocer la publicación de patente europea EP 1 273 770 A2 a nombre del presente solicitante. En este caso, el motor está provisto de medios del tipo ilustrado en dicho documento conocido. En particular, por lo menos las válvulas de admisión 24, o también tanto las válvulas de admisión 24 como las válvulas de escape 25 del motor (Figura 2), están controladas por las levas respectivas del árbol de levas del motor a través de un sistema hidráulico de control electrónico del tipo expuesto en el documento anterior a nombre del presente solicitante. La programación es tal que, en determinadas fases del ciclo del funcionamiento del motor, las válvulas de admisión y escape se mantienen abiertas simultáneamente, con objeto de que, durante la carrera de escape en un cilindro del motor, parte de los gases de escape vuelvan al interior del conducto de admisión y, en la carrera de admisión subsiguiente, la cantidad de gases previamente alimentadas al conducto de admisión volverán a la cámara de combustión, conjuntamente con una nueva parte de gases de escape, que vuelven al interior de la cámara de combustión procedentes de conducto de escape, el cual está también abierto temporalmente durante la carrera de admisión. En consecuencia, la suma total de los dos cantidades indicadas de gases de escape que volverán al interior de la cámara de combustión está sometida también a la carrera de combustión, proporcionando de este modo una EGR interna al motor. Asimismo, la disposición de dicha EGR interna, en combinación con el sistema de recirculación de largo recorrido según la invención, hace posible maximizar las ventajas de dicha solución, evitando sus
inconvenientes.

Claims (1)

1. Motor diesel turboalimentado, que comprende:
- por lo menos un cilindro (2) provisto de por lo menos una válvula de admisión (24) y por lo menos una válvula de escape (25), que controlan, respectivamente, un conducto de admisión (3, 4) y un conducto de escape (12);
- un compresor (9) situado en el interior del conducto principal de admisión de aire (6) conectado a dicho conducto de admisión (3, 4) del cilindro (2);
- una turbina de control (15) para accionar el compresor (9), situada en el interior del tubo de escape principal (14) conectado a dicho conducto de escape (12) del cilindro (2);
- un dispositivo de tratamiento de los gases de escape (17), que está situado en el interior del tubo escape principal (14) corriente abajo de la turbina (15) y comprende unos medios de convertidor catalítico (17a) y unos medios de filtración de partículas (17b); y
- un conducto de recirculación de gases de escape (18), controlado por la correspondiente válvula de recirculación de gases de escape (19), para la alimentación de por lo menos parte de los gases escape que retornan hacia el tubo de escape principal (14) al interior del conducto de admisión principal (6);
- en el que dicho conducto de recirculación de gases de escape (18) se deriva del tubo de escape principal (14) en un punto (A) corriente abajo de la turbina (15) y del dispositivo de tratamiento de gases de escape (17), y converge con el conducto de admisión principal (6) en un punto (21) corriente arriba del compresor (9),
- en el que un intercambiador de calor (20) se encuentra situado en el conducto de recirculación de los gases de escape (18),
- en el que la válvula de las circulación de los gases escape (21) está situada en la confluencia del conducto de recirculación de los gases de escape (18) en el conducto de admisión principal (6),
- en el que, situada dentro del conducto de admisión principal (6) se encuentra una válvula estranguladora (22), corriente arriba de la confluencia (21) del conducto de recirculación de gases de escape
(18),
caracterizado porque por lo menos la válvula de admisión (24) del cilindro (2) está controlada por un sistema de actuación variable electrónicamente controlado, dispuesto para posibilitar fases de apertura simultánea de la válvula de admisión (24) y la válvula de escape (25) con objeto de proporcionar una recirculación de los gases de escape en el interior del motor, y
- en el que las válvulas del motor (24, 25) está controladas por las levas respectivas del árbol de levas del motor a través de la interposición de una cámara de fluido a presión, que puede descargarse por medio de una electroválvula controlada por una unidad de control electrónico.
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