ES2278885T3 - Procedimiento de control de la inyeccion de un combustible para un motor de combustion interna de inyeccion directa. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento de control de la inyección de un combustible para un motor de combustión de inyección directa que comprende al menos un inyector (20) con ángulo de capa (a1) de chorros de combustible, un cilindro (10), un cabezal de cilindro (12), un émbolo (18) deslizante en este cilindro y unido a un cigüeñal, y una cámara de combustión delimitada por la pared (26) del cilindro, el cabezal de cilindro (12) y por la superficie superior (24) del émbolo (18), caracterizado porque consiste: - en determinar una posición límite baja (PL) del émbolo (18) por debajo de la cual la pared (26) del cilindro es susceptible de mojarse por los chorros de combustible procedentes del inyector; - en determinar la posición efectiva de este émbolo; - en situar esta posición efectiva del émbolo con relación a la posición límite baja; - en adaptar los parámetros de inyección del combustible en función de la posición efectiva del émbolo con relación a la posición limite baja.
Description
Procedimiento de control de la inyección de un
combustible para un motor de combustión interna de inyección
directa.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de control de la inyección de un combustible para un
motor de combustión interna de inyección directa de
combustible.
La misma se refiere más particularmente a un
procedimiento de inyección de combustible que permite obtener una
mezcla homogénea del combustible inyectado con aire o con una mezcla
de aire y de gas de escape recirculados.
Los desarrollos de los motores de combustión
interna deben responder a las demandas de reducción de las emisiones
de contaminantes, de consumo de combustible, de aumento del par y
de la potencia específica así como de la reducción del ruido de
combustión, todo siendo compatible con los criterios de
comportamiento en resistencia.
Para conseguir esto, es posible cambiar algunos
parámetros del sistema de inyección (tales como la presión, las
leyes de control, etc...) o de los chorros de combustible, como el
ángulo de capa que forman estos chorros en la punta del
inyector.
Sin embargo, cuando se mejora uno de estos
parámetros ello produce una degradación de otro parámetro.
Así, es el caso por ejemplo para la inyección
del combustible líquido en la cámara de combustión donde este
combustible se inyecta con un ángulo de capa determinado por el tipo
de inyector utilizado.
Una modificación de este ángulo puede conducir a
una proyección de combustible sobre la pared del cilindro,
proyección que produce una degradación del comportamiento del
lubricante presente en esta pared así como la creación de
hollines.
Esto tiene por inconveniente producir un aumento
de las emisiones de contaminantes y/o una reducción de los
rendimientos a plena carga y/o un aumento del ruido.
Como se ha descrito en las solicitudes de
patente EP 849448 o EP 589178, el combustible se introduce en la
cámara de combustión por un inyector situado en el eje de cada
cilindro con un ángulo de capa muy amplio del orden de 140 a
160º.
Por este inyector, los chorros de combustible
son emitidos vaporizándose sin tocar nunca la pared del cilindro y
por consiguiente sin afectar a su lubricación.
Para que se produzca este efecto, es preciso
bien entendido que el émbolo esté lo bastante cerca de su punto
muerto alto (PMH) y que por este motivo solo se disponga de una baja
latitud en la elección de los momentos de inyección del
combustible.
Esto es un inconveniente nada despreciable, pues
es conocido también que inyecciones de combustible precoces y/o
tardías ofrecen numerosas ventajas.
Por ejemplo, una inyección piloto antes del
punto muerto elevado y la inyección principal, permite reducir el
ruido de combustión.
Además, como es conocido, la regeneración de los
filtros de partículas desencadenada por un aumento de la
temperatura en el escape necesita una inyección de combustible poco
tiempo antes de la apertura de las válvulas de escape.
Una inyección de combustible, en la
descompresión o también en el transcurso de la fase de escape, puede
resultar igualmente útil para obtener las condiciones favorables
para el escape para regenerar las trampas de NOx.
Además, para obtener una homogeneidad de la
mezcla carburada, puede ser deseable inyectar combustible
precozmente.
Como los inyectores utilizados generalmente
tienen un ángulo de capa comprendido entre 140º y 160º, la gama de
ajuste de estas inyecciones es reducida para limitar los problemas
de dilución del lubricante por un combustible.
La presente invención propone remediar los
inconvenientes anteriormente mencionados gracias a un procedimiento
de inyección de combustible que permite utilizar condiciones de
inyección muy variadas.
A este respecto, un procedimiento de control de
la inyección de un combustible por un motor de combustión de
inyección directa que comprende al menos un inyector con ángulo de
capa a_{1} de chorros de combustible, un cilindro, un cabezal de
cilindro, un émbolo deslizante dentro de este cilindro y unido a un
cigüeñal, y una cámara de combustión delimitada por la pared del
cilindro, el cabezal de cilindro y por la superficie superior del
émbolo, se caracteriza porque consiste:
- -
- en determinar una posición límite baja del émbolo por debajo de la cual la pared del cilindro es susceptible de ser mojada por los chorros de combustible procedentes del inyector;
- -
- en determinar la posición efectiva de este émbolo;
- -
- en situar esta posición efectiva del émbolo con relación a la posición límite baja;
- -
- en adaptar los parámetros de inyección del combustible en función de la posición efectiva del émbolo con relación a la posición limite baja
Ventajosamente, el procedimiento puede consistir
en adaptar los parámetros de inyección para limitar la penetración
de los chorros de combustible en la cámara de combustión para todas
las posiciones del émbolo comprendidas entre su posición límite
baja y su posición más alejada de la cabeza de cilindro.
De forma preferencial, puede consistir en
inyectar una cantidad determinada de combustible bajo presión muy
elevada, de preferencia superior a 1000 bares.
Este procedimiento puede consistir en inyectar
una cantidad determinada de combustible en un tiempo muy corto.
Puede consistir en repetir la inyección de
cantidad determinada de combustible hasta obtener la cantidad total
de combustible a inyectar.
La cantidad determinada de combustible puede no
sobrepasar el 25% de la cantidad total del combustible a
inyectar.
De forma ventajosa, puede consistir en
determinar la posición límite baja del émbolo gracias a la relación
D x tan(a_{1}/2), donde D es la distancia radial entre el
punto de origen de los chorros de combustible y la pared del
cilindro.
El procedimiento puede consistir en utilizar
parámetros de inyección para inyectar el combustible de forma
convencional para todas las posiciones del émbolo comprendidas entre
su posición límite baja y su posición más cercana a la cabeza del
cilindro.
Otras características y ventajas del
procedimiento según la invención aparecerán con la lectura de la
descripción que sigue, dada a título de ejemplo, y a la cual de
adjuntan dibujos en donde:
- la figura 1 muestra esquemáticamente
un motor de combustión interna que utiliza el procedimiento según la
invención;
- la figura 2 ilustra el movimiento
angular del cigüeñal unido al émbolo del motor que utiliza el
procedimiento según la invención.
Haciendo referencia a la figura 1, un motor de
combustión interna de inyección directa de combustible, por ejemplo
de tipo diesel, comprende al menos un cilindro 10 de eje XX' y de
diámetro CD, un cabezal de cilindro 12 que cierra el cilindro por
la parte alta, medios de admisión de aire y medios de escape de los
gases quemados, aquí respectivamente una o varias válvulas de
admisión 14, una o varias válvulas de escape 16, un émbolo 18 que
se desliza en el cilindro 10 y conectado con un cigüeñal (no
representado), y un inyector de combustible 20, de preferencia
situado en el eje XX' del cilindro, a partir del cual se inicia una
capa 22 de chorros de combustible, que, en el ejemplo mostrado,
tiene un eje general confundido con el del cilindro 10.
Bien entendido, puede estar previsto que el
inyector no esté dispuesto en el eje XX', pero en este caso el eje
general de la capa de chorros de combustible procedente de este
inyector de combustible es por lo menos paralelo a este eje
XX'.
Más precisamente, el inyector de combustible es
del tipo de bajo ángulo de capa a_{1} y se elige un ángulo de
capa a_{1} como máximo de 120º y preferentemente entre 40º y
100º.
De forma conocida, la cámara de combustión está
delimitada por un lado por la cabeza de cilindro 12, por el lado
opuesto por la superficie superior 24. del émbolo 18 y lateralmente
por la pared 26 del cilindro 10.
En función del ángulo de capa a_{1} elegido,
se determina una posición límite baja PL del émbolo 18 según la
cual los chorros de combustible no tocan la pared 26 del cilindro 10
entre esta posición y la posición elevada de dicho émbolo.
Esta posición límite baja es determinada por la
distancia F entre el punto de origen O de los chorros de combustible
procedentes de la punta del inyector 20 y la superficie superior 24
del émbolo y es igual a D x tan(a_{1}/2), donde D es la
distancia radial entre el punto O de origen de chorros de
combustible y la pared 26 del cilindro 10 más próxima de este
punto.
En el ejemplo descrito la distancia D es igual a
CD/2, donde CD es el diámetro del cilindro.
Gracias a un cálculo geométrico del sistema
biela-manivela, que está habitualmente situado entre
el émbolo y el cigüeñal, la distancia F permite determinar una
posición angular del cigüeñal, como se aprecia mejor en la figura
2, que proporcionará un ángulo \alpha de cigüeñal a partir del
punto muerto bajo (PMB).
Gracias a la determinación de este ángulo
\alpha, puede especificarse que la pared 26 del cilindro 10 no se
moja nunca por el combustible para todas las posiciones del émbolo
18 comprendidas entre 0º y 180º -\alpha y entre 180º +\alpha y
360º de ángulo de cigüeñal, donde 0º y 360º representa el ángulo del
cigüeñal en punto muerto elevado (PMH) correspondiente a una
posición elevada del émbolo, correspondiendo 180º al punto muerto
bajo (PMB) a la posición baja del émbolo.
El punto muerto alto (PMH) y el punto muerto
bajo (PMB) corresponden a las fases de funcionamiento del motor
donde es deseable inyectar combustible, particularmente en fase de
admisión, de compresión o de escape.
Así, se determinarán dos tipos de zonas
angulares del movimiento del cigüeñal que corresponden cada una a
un recorrido del émbolo, un primer tipo, denominado zonas
permitidas, entre 0º y 180º-\alpha o entre 180+\alpha y 360º, y
un segundo tipo, designado zona restrictiva, correspondiente a un
movimiento angular del cigüeñal entre 180º-\alpha y
180º+\alpha.
Con referencia al recorrido del émbolo, ello
significa que, en la zona permitida, la pared 26 nunca será mojada
por el combustible para la posición del émbolo 18 comprendida entre
su posición límite baja y su posición alta (la más próxima a la
cabeza de cilindro 12).
Para la zona restrictiva, el émbolo se situará
por consiguiente entre su posición límite baja y su posición más
alejada de la cabeza de cilindro.
En función del tipo de zona en la cual se
encuentra el émbolo, está previsto adaptar los parámetros de
inyección del combustible con el fin de inyectar, bien sea de forma
convencional para las zonas permitidas, o utilizando ajustes
específicos de inyección de combustible para la zona
restrictiva.
Más precisamente, los ajustes de la inyección en
la zona restrictiva son tales que está previsto limitar la
penetración de los chorros de combustible en la cámara de
combustión.
Para ello, los ajustes de la inyección en la
zona restrictiva están previstos para que la penetración de los
chorros de combustible, considerados en los bordes extremos
laterales de la capa, sea inferior a la distancia que separa el
punto de origen O de los chorros de combustible hasta la pared 26
del cilindro 10.
Esta distancia, indicada por la letra G en la
figura 1, es igual a D x sen(a_{1}/2), donde D es una
distancia tal como la definida anteriormente y corresponde, en el
ejemplo descrito, a CD/2.
Para limitar esta penetración, está previsto
inyectar bajo alta presión, superior o igual a 1000 bares, una
cantidad limitada de combustible, que representa como máximo un 25%
de la cantidad total del combustible inyectada, con un tiempo de
inyección muy corto, lo cual permite a este combustible vaporizarse
en el aire o en la mezcla de aire y de gas de escape recirculados y
ello antes de alcanzar la pared 26 del cilindro.
Bien entendido, la inyección de esta cantidad
limitada de combustible se repetirá varias veces y más precisamente,
en el ejemplo descrito, se realizará por cuatro inyecciones de
combustible equivalentes al 25% de la cantidad total del
combustible inyectado.
Gracias al hecho de que la inyección de
combustible se realiza bajo una presión muy elevada, esto permite
realizar unas gotitas muy finas de combustible que forma una nube
que se vaporiza, en el aire o en la mezcla de aire y de gas de
escape recirculados, más fácilmente que un chorro de líquido.
Bien entendido, para favorecer la creación de
estas gotitas, pueden asociarse a estos ajustes de presión de
inyección y de tiempos de inyección otros parámetros, tales como el
diámetro de los orificios de inyección del inyector que debe ser
bajo del orden de 100 \mum.
En la práctica, los medios de control del
sistema de inyección que comprenden habitualmente un motor, tal
como un calculador motor, contienen en su base de datos, la posición
límite baja PL del émbolo 18 y el ángulo del cigüeñal \alpha que
corresponde a esta posición límite baja.
Este calculador contiene igualmente parámetros
de inyección de combustible en función de las zonas permitidas
(entre 0º y 180º - \alpha o entre 180+\alpha y 360º de ángulo
del cigüeñal) y en función de la zona restrictiva (entre 180º
-\alpha y 180º +\alpha de ángulo del cigüeñal).
Cuando el calculador motor se encuentra a punto
de dar la orden de inyección al inyector, este calculador determina
previamente la posición efectiva del émbolo 18 en la cámara de
combustión.
Esta posición del émbolo, por ejemplo, se
deducirá gracias a un captador de posición angular previsto en el
cigüeñal que determina el ángulo del cigüeñal a partir del punto
muerto elevado.
Una vez determinado el ángulo del cigüeñal (y en
virtud a la posición real del émbolo), el calculador comprueba si
este ángulo se encuentra contenido en las zonas permitidas o en la
zona restrictiva.
Si este ángulo se encuentra en una de las zonas
permitidas, este calculador dará órdenes de inyección de combustible
al sistema de inyección que comprende el motor de forma que ello
corresponda a un proceso de inyección convencional.
Si este ángulo está comprendido en la zona
restrictiva, el calculador procederá con el fin de modificar los
parámetros de inyección, como se ha descrito anteriormente, para
limitar la penetración del chorro de combustible en la cámara de
combustión.
Así, gracias a la invención, es posible obtener
una gran latitud en la elección de los momentos de inyección, pues
el procedimiento tal como se ha definido permitirá obtener una capa
de chorros de combustible que no mojará las paredes del
cilindro.
La presente invención no se limita al ejemplo
descrito anteriormente sino que abarca todas las variantes.
La misma comprende particularmente un
procedimiento de inyección de combustible de tipo gasolina que
permita obtener una mezcla homogénea con el aire o con una mezcla
de aire y de gases de escape recirculados.
Claims (9)
1. Un procedimiento de control de la inyección
de un combustible para un motor de combustión de inyección directa
que comprende al menos un inyector (20) con ángulo de capa (a_{1})
de chorros de combustible, un cilindro (10), un cabezal de cilindro
(12), un émbolo (18) deslizante en este cilindro y unido a un
cigüeñal, y una cámara de combustión delimitada por la pared (26)
del cilindro, el cabezal de cilindro (12) y por la superficie
superior (24) del émbolo (18), caracterizado porque
consiste:
- -
- en determinar una posición límite baja (PL) del émbolo (18) por debajo de la cual la pared (26) del cilindro es susceptible de mojarse por los chorros de combustible procedentes del inyector;
- -
- en determinar la posición efectiva de este émbolo;
- -
- en situar esta posición efectiva del émbolo con relación a la posición límite baja;
- -
- en adaptar los parámetros de inyección del combustible en función de la posición efectiva del émbolo con relación a la posición limite baja.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque consiste en adaptar los parámetros de
inyección para limitar la penetración de los chorros de combustible
en la cámara de combustión para todas las posiciones del émbolo (18)
comprendidas entre su posición límite baja (PL) y su posición más
alejada de la cabeza de cilindro (12).
3. Procedimiento según la reivindicación 2,
caracterizado porque consiste en inyectar una cantidad
determinada de combustible bajo presión muy elevada.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque consiste en inyectar una cantidad
determinada de combustible bajo presión superior a 1000 bares.
5. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3,
caracterizado porque consiste en inyectar una cantidad
determinada de combustible en un tiempo muy corto.
6. Procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque consiste en
repetir la inyección de cantidad determinada combustible hasta
obtener la cantidad total de combustible a inyectar.
7. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizado porque consiste en
inyectar una cantidad determinada que no sobrepase el 25% de la
cantidad total del combustible a inyectar.
8. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque consiste en determinar la posición
límite baja (PL) del pistón gracias a la relación D x
tan(a_{1}/2), donde D es la distancia radial entre el punto
de origen O de los chorros de combustible y la pared (26) del
cilindro (10).
9. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque consiste en utilizar los parámetros de
inyección para inyectar el combustible de forma convencional para
todas las posiciones del émbolo (18) comprendidas entre su posición
límite baja (PL) y su posición más próxima a la cabeza de
cilindro
(12).
(12).
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