ES2285535T3 - Sistema de ayuda para el mantenimiento de un filtro de particulas integrado en una linea de escape de un motor de vehiculo automovil. - Google Patents
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Abstract
Sistema de ayuda al mantenimiento de un filtro de partículas integrado en la línea de escape de un motor Diesel de vehículo automóvil, caracterizado por el hecho de comprender: - medios (1) de cálculo del volumen de cenizas del aceite de lubrificación del motor, - medios (2) de cálculo del volumen de cenizas del carburante de alimentación del motor, - medios (4) de cálculo del volumen útil (V.u) del filtro de partículas a partir de un volumen total de este filtro en estado nuevo (V.nuevo) y de los volúmenes de cenizas calculados anteriormente, y - medios (5) de cálculo de un índice de ensuciamiento del filtro (t.e) de partículas a partir del volumen total del filtro en estado nuevo (V.nuevo) y del volumen útil (V.u) calculado anteriormente para provocar un requerimiento de mantenimiento (Req.Maint) cuando el índice de ensuciamiento (t.e) sobrepasa un límite predeterminado (límite).
Description
Sistema de ayuda para el mantenimiento de un
filtro de partículas integrado en una línea de escape de un motor de
vehículo automóvil.
La presente invención se refiere a un sistema de
ayuda al mantenimiento de un filtro de partículas integrado en una
línea de escape de un motor Diesel de vehículo automóvil.
Uno de los principales problemas relacionados
con la utilización de un filtro de partículas es su mantenimiento.
En efecto, a lo largo de la utilización de un vehículo equipado con
un filtro de partículas, éste se ensucia. Los diferentes residuos
que se acumulan en el mismo pueden ser principalmente de cuatro
orígenes diferentes. En efecto, pueden formarse residuos de
elementos metálicos provinentes del motor o de la línea de escape o
de partículas no filtradas en la admisión. Otros residuos pueden
estar formados por cenizas provinentes del lubrificante del motor o
aún por cenizas provinentes del carburante de alimentación de éste.
Finalmente, otros residuos pueden estar formados por residuos de
combustión de un aditivo de ayuda a la regeneración. Se sabe en
efecto, que tales aditivos pueden ser utilizados y ser mezclados al
carburante de alimentación del motor para bajar la temperatura de
combustión de las partículas de hollín depositadas en el filtro de
partículas.
En un concepto de filtro de partículas que
utiliza un aditivo de ayuda a la regeneración permitiendo favorecer
la combustión de las partículas de hollín, estos cuatro elementos se
acumulan en el filtro. En el caso de que no sea utilizado un
aditivo, por ejemplo en el caso de los filtros de partículas
impregnados o catalizados, solo tres de estos elementos están
presentes en el filtro, lo que reduce el volumen de residuos
acumulados para una número dado de kilómetros recorridos.
Sin embargo, cualquiera que sea el concepto
utilizado, el filtro de partículas se ensucia progresivamente
reduciendo así el volumen disponible para el almacenamiento de
partículas. Por ello, para preservar el comportamiento
termomecánico del filtro, es preciso regenerar este filtro cada vez
más a menudo, lo que se traduce en un aumento del exceso de consumo
de carburante relacionado con el filtro de partículas en el caso por
ejemplo en que la regeneración se hace por utilización de
post-inyecciones o de un quemador y por una dilución
del aceite de lubrificación del motor por el carburante
post-inyectado con riesgo de rotura del motor.
Por otra parte, la reducción del volumen útil de
almacenamiento de las partículas de hollín genera pérdidas de carga
cada vez más elevadas en los bornes del filtro, lo que se traduce a
la vez en un aumento del consumo de carburante del vehículo fuera
de la fase de regeneración y en un riesgo de rotura del motor, por
ejemplo si la presión diferencial en los bornes del filtro es
demasiado fuerte y provoca una reapertura de las válvulas. Es pues
necesario limpiar o cambiar el filtro al cabo de haber recorrido
cierto número de kilómetros cuando el volumen disponible para el
almacenamiento de partículas se vuelve demasiado reducido.
En las aplicaciones actualmente de serie en las
cuales los vehículos están equipados con un filtro de partículas,
la limpieza se realiza a un kilometraje fijo como por ejemplo
120.000 kilómetros, cualquiera que sea el perfil de utilización del
vehículo. Ahora bien, la cantidad de residuos almacenados depende de
múltiples factores tales como el consumo de aceite, el consumo de
aditivo, el número de regeneraciones ya intentadas, etc.
En efecto, dos vehículos que hayan recorrido el
mismo número de kilómetros pueden haber acumulado una cantidad de
residuos muy diferente uno de otro en función del tipo de
circulación de estos vehículos. Por ejemplo, una circulación por
ciudad con un consumo medio de carburante de 10 litros en 100
kilómetros genera 67% de residuos de combustión de aditivo de más
que una circulación por carretera abierta con un consumo medio de 6
litros en 100 kilómetros. Se comprende entonces que definiendo por
adelantado un intervalo de limpieza del filtro de partículas para
todos los vehículos, el índice de ensuciamiento del filtro de
partículas de éstos no se optimiza forzosamente, lo que se traduce
en la observación de grandes disparidades de ensuciamiento entre
los filtros de partículas durante las operaciones de limpieza. El
documento EP 1 103 702 A2 divulga un procedimiento de gestión del
funcionamiento de un filtro de partículas tomando en cuenta su carga
de residuos no combustibles, la cual es deducida de la cantidad
consumida de aditivos destinados a hacer bajar la temperatura de
combustión de las partículas de hollín.
Por otra parte, el contexto actual con una
fuerte demanda para imponer la utilización de un filtro de
partículas, ha afectar sobre todo el coste global del sistema y
especialmente el de la operación de mantenimiento. Se hace entonces
indispensable aplazar esta operación de limpieza del filtro de
partículas el mayor tiempo posible con el fin de reducir el coste
para el usuario.
Conviene entonces optimizar la frecuencia de
limpieza del filtro de partículas.
El objetivo de la invención es pues resolver
estos problemas.
Con este fin, la invención tiene por objeto un
sistema de ayuda al mantenimiento de un filtro de partículas
integrado en una línea de escape de un motor Diesel de vehículo
automóvil, caracterizado por el hecho de comprender medios de
cálculo del volumen de cenizas del aceite de lubrificación del
motor, medios de cálculo del volumen de cenizas del carburante de
alimentación del motor, medios de cálculo del volumen útil del
filtro de partículas a partir de un volumen total de este filtro en
estado nuevo y de los volúmenes de cenizas calculados anteriormente,
y medios de cálculo de un índice de ensuciamiento del filtro de
partículas a partir del volumen total del filtro en estado nuevo y
del volumen útil calculado anteriormente para provocar un
requerimiento de mantenimiento cuando el índice de ensuciamiento
sobrepasa un límite predeterminado.
Según otras características, este sistema de
ayuda al mantenimiento comprende además:
- -
- medios de cálculo del volumen de residuos de combustión de un aditivo destinado a bajar la temperatura de combustión de las partículas acumuladas en el filtro de partículas, y mezclado al carburante de alimentación de este motor, y conectados a los medios de cálculo del volumen útil;
- -
- medios de cálculo del kilometraje en el que deberá estar prevista una operación de mantenimiento del filtro de partículas, a partir del kilometraje recorrido por el vehículo desde el estado nuevo o limpio del filtro de partículas y del índice de ensuciamiento del filtro tal como ha sido calculado anteriormente;
- -
- medios de cálculo del kilometraje que falta por recorrer antes de la operación de mantenimiento del filtro de partículas, a partir del kilometraje de mantenimiento calculado anteriormente y del kilometraje ya recorrido por el vehículo.
La invención podrá ser mejor comprendida con la
lectura de la descripción que sigue dada únicamente a título de
ejemplo y realizada haciendo referencia al dibujo anexado el cual
ilustra la estructura general de un sistema de ayuda según la
invención.
El objetivo del sistema según la invención es
hacer una estimación de la manera más precisa posible en todo
momento, del volumen de residuos acumulados en un filtro de
partículas y compararlo con un límite con el fin de determinar si
es preciso limpiar o no dicho filtro.
Este filtro está entonces integrado en una línea
de escape de un motor Diesel de vehículo automóvil.
Este sistema debe igualmente permitir predecir
en qué kilometraje deberá ser efectuada la operación de limpieza y
esta información, accesible a la red de post-venta
del constructor, debe permitir a éste planificar con el usuario del
vehículo el momento en el cual será preciso proceder al
mantenimiento del filtro.
El objetivo de este sistema es pues estimar en
todo momento el nivel de ensuciamiento del filtro de partículas por
los residuos y predecir cuando será necesaria la limpieza del
filtro. Para ello, se estima la cantidad de cenizas provinentes del
lubrificante y del carburante cualquiera que sea el concepto del
filtro de partículas, es decir por ejemplo para un filtro de
partículas catalizado, un filtro de partículas impregnado, un filtro
de partículas no revestido sin aditivo o un filtro de partículas
con aditivo, pero igualmente la cantidad de residuos de combustión
del aditivo que es nula para un filtro de partículas catalizado o
impregnado o no revestido sin aditivos. La cantidad de residuos
metálicos provinentes del motor y de la línea de escape y de
partículas no filtradas en la admisión puede ser considerada
despreciable tal como ha sido confirmado por el análisis de varias
muestras de residuos.
La masa de cenizas del lubrificante acumuladas
en el filtro depende del consumo de aceite de lubrificación del
motor y del contenido en cenizas del lubrificante utilizado. Para
simplificar este cálculo, se toma como hipótesis que el conductor
del vehículo utiliza durante toda la vida del vehículo el aceite
recomendado por el constructor, es decir con un índice de cenizas
constante.
La estimación de la masa de cenizas del aceite
puede hacerse entonces de diferentes maneras. Se puede utilizar así
un valor predeterminado de consumo de aceite para el vehículo,
valor que depende de la aplicación motor/vehículo considerada.
Se puede igualmente utilizar un modelo de tipo
integrador tomando en cuenta un consumo de aceite instantáneo
función de las condiciones de funcionamiento del motor y típicamente
función del régimen y del par motor.
Otros modelos más complejos toman en cuenta la
composición del aceite, es decir por ejemplo su contenido en
fósforo, en calcio, en potasio, etc., la calidad del aceite o un
indicador de mantenimiento que puede igualmente ser previsto para
estimar la cantidad de cenizas acumuladas en el filtro de
partículas.
En el caso de la utilización de la composición
tipo del aceite, la masa de cenizas es calculada en función de la
naturaleza de los compuestos resultantes de la combustión del
aceite, por ejemplo el fósforo se encuentra en el filtro bajo la
forma de PO_{4}, el zinc bajo la forma de ZnO y el calcio bajo la
forma de CaSO_{4}, etc.
La masa de cenizas provinente del carburante
acumulada en el filtro depende directamente del consumo de
carburante del vehículo y del contenido de cenizas de este
carburante. El cálculo más sencillo de la cantidad de cenizas del
carburante consiste en utilizar un integrador que multiplica el
consumo instantáneo por el contenido de cenizas del carburante y
por el paso de tiempo de cálculo del consumo instantáneo.
En el caso en que se utiliza un aditivo, la masa
de residuos provinente de este aditivo acumulada en el filtro
depende de la cantidad de aditivo que ha sido inyectada en el
depósito de carburante. Existen igualmente varias posibilidades de
estimación de esta masa. Se puede utilizar por ejemplo la
información de cantidad de aditivo inyectada provinente del
calculador de gestión del sistema de dosificación del aditivo pero
igualmente se puede tomar en cuenta el consumo acumulado de
carburante desde el comienzo de la vida del vehículo multiplicándolo
por el valor de dosificación nominal del aditivo.
Una vez calculada la masa total de residuos,
conviene dividirla por la densidad de los residuos para obtener el
volumen real de filtro ocupado por estos residuos. Para determinar
el volumen exterior que eso representa, pues solo un conducto de
cada dos del filtro está lleno de residuos, es preciso dividir este
volumen por la relación de abertura del filtro, es decir la
relación entre la superficie frontal abierta (únicamente los
conductos abiertos) y la superficie frontal total del filtro. Esto
da una relación de abertura que depende de la estructura del
filtro, es decir de la densidad de las celdas, del espesor de las
paredes, del espesor del cemento entre los alambres si el filtro es
segmentado,
etc.
etc.
La densidad de los residuos utilizados puede ser
considerada bajo diferentes formas. En el caso más simple, se trata
de un valor constante. Se puede sin embargo complicar la expresión
para hacerla lo más próxima posible a la realidad. En efecto, se
constata una variación de la densidad de los residuos a medida que
el filtro se ensucia. En general, se observa una densificación de
estos residuos. En este caso, la densidad puede determinarse
mediante una curva función o del kilometraje recorrido desde el
comienzo de la vida del vehículo o desde la última limpieza del
filtro, o de la cantidad de aditivo ya utilizada, o del consumo de
carburante acumulado, o de la masa total de residuos ya
acumulada.
acumulada.
Una vez calculado el volumen de residuos, se
determina el volumen libre restante para almacenar las partículas.
Se compara entonces este volumen libre con un valor límite que
determina el volumen mínimo aceptable antes de proceder a la
limpieza del filtro. Este volumen mínimo es predeterminado a partir
de consideraciones de frecuencia de regeneración máxima a causa del
exceso de consumo generado por las fases de regeneración del filtro
o de la dilución del aceite por el carburante
post-inyectado o de un nivel de pérdida de carga
demasiado importante que causa una caída de las prestaciones del
motor. Cuando el volumen libre desciende del límite, se provoca un
requerimiento de limpieza del filtro.
Por otra parte, durante las operaciones de
mantenimiento clásicas del vehículo, por ejemplo cada 20.000 o
30.000 kilómetros, la red de post-venta del
constructor debe igualmente poder tener acceso a algunos datos que
le permitan obtener informaciones sobre el índice de ensuciamiento
del filtro con relación al volumen máximo recomendado antes de
proceder a una limpieza del filtro, y sobre el kilometraje estimado
para el cual deberá ser limpiado el filtro de partículas, es decir
el kilometraje en el que se habrá alcanzado el volumen libre
mínimo. Una variante puede consistir igualmente en dar la
información bajo la forma del kilometraje que le falta recorrer al
vehículo antes de que se deba limpiar el filtro.
La estimación del kilometraje en que será
preciso proceder a la limpieza del filtro es indicativa y toma como
hipótesis que el perfil de utilización del vehículo será en el
futuro el mismo que hasta el momento presente.
Para precisar la necesidad de mantenimiento del
filtro, se puede añadir criterios basados en la medición de la
pérdida de carga del filtro exactamente después de una regeneración,
es decir cuando no hay partículas en los conductos. Por ejemplo se
puede considerar un límite de pérdida de carga determinado por una
curva función del consumo en volumen de los gases que atraviesan el
filtro.
Esto está ilustrado en la figura anexada en la
cual se considera un sistema de ayuda al mantenimiento de un filtro
de partículas integrado en una línea de escape de un motor Diesel de
vehículo automóvil, que comporta medios 1 de cálculo del volumen de
cenizas del aceite de lubrificación del motor, medios 2 de cálculo
del volumen de cenizas del carburante de alimentación del motor y
eventualmente, cuando se mezcla al carburante de alimentación de
este motor un aditivo destinado a bajar la temperatura de combustión
de las partículas acumuladas en el filtro de partículas, medios 3
de cálculo del volumen de residuos de combustión de este
aditivo.
Estas informaciones diferentes de volúmenes de
residuos y de cenizas son enviadas a medios 4 de cálculo del
volumen útil del filtro de partículas V.u a partir de un volumen
total de este filtro en el estado nuevo o limpio, V. nuevo y de los
volúmenes de cenizas y eventualmente de residuos, calculados
anteriormente.
Esta información de volumen útil calculada V.u
es enviada entonces a medios 5 de cálculo de un índice de
ensuciamiento t.e. del filtro de partículas a partir del volumen
total del filtro en estado nuevo o limpio, V. nuevo y esta
información de índice de ensuciamiento t.e. es comparada a un valor
límite predeterminado (límite), por medios de comparación 6, para
provocar un requerimiento de mantenimiento Req. Maint. del filtro
de partículas cuando el índice de ensuciamiento t.e. sobrepasa este
límite predeterminado.
Por supuesto, pueden preverse informaciones
complementarias, como por ejemplo la utilización de medios de
cálculo del kilometraje Km maint. en el cual deberá ser prevista una
operación de mantenimiento del filtro de partículas a partir de un
kilometraje recorrido Km par. por el vehículo desde el estado de
filtro de partículas nuevo o limpio y del índice de ensuciamiento
t.e. del filtro tal como se ha calculado anteriormente, estando
designados dichos medios de cálculo por la referencia general 7.
Además, pueden igualmente estar previstos medios
8 de cálculo del kilometraje Km rest. que falta por recorrer antes
de una operación de mantenimiento del filtro de partículas a partir
del kilometraje de mantenimiento Km.maint. calculado anteriormente
y del kilometraje ya recorrido Km par. por el vehículo.
Abajo se presenta un ejemplo detallado de estos
cálculos diferentes.
La tabla de abajo presenta las diferentes
definiciones de los símbolos utilizados:
\newpage
Cálculo del volumen de residuos
de combustión del
aditivo
Volumen de
residuos (t)= Cantidad total de aditivo (t)* K_{aditivo}/Relación
de
abertura*P_{res}
\vskip1.000000\baselineskip
Cálculo del volumen resultante
de las cenizas del
aceite
Volumen cenizas
aceite = Conso.Aceite*P_{aceite}*Distancia FAP nuevo*Índice de
cenizas/(100*Relación de
abertura*P_{res})
La variable Distancia FAP nuevo corresponde a la
distancia recorrida por el vehículo desde el estado FAP nuevo o
limpio.
\vskip1.000000\baselineskip
Cálculo del volumen resultante
de las cenizas del
carburante
Volumen cenizas
carburante (t) = Cantidad total de aditivo
(t)*K_{carburante}/(Relación de
abertura*P_{res})
\vskip1.000000\baselineskip
Cálculo del volumen útil del
FAP
Volumen útil
(t) = V_{0}-Volumen de residuos (t) - Volumen
aceite - Volumen cenizas
carburante
Cuando el volumen alcanza un valor límite mínimo
se solicita al usuario que efectúe una operación de limpieza del
FAP.
\vskip1.000000\baselineskip
Cálculo del índice de
ensuciamiento del FAP por los
residuos
El índice de ensuciamiento del FAP representa el
porcentaje del volumen ocupado por los residuos en relación al
volumen máximo admisible antes de proceder a la limpieza del filtro.
Cuando el índice de ensuciamiento del FAP es del 100%, es necesario
limpiar el FAP.
Índice de
ensuciamiento del FAP (t) = (V_{0} - Volumen útil (t))/(V_{0}
-Volumen
libre)*100
\vskip1.000000\baselineskip
Cálculo del kilometraje previsto
para la limpieza del
FAP
Esta variable le sirve a la red
post-venta para estimar el kilometraje en el cual
deberá tener lugar el cambio o la limpieza del filtro de
partículas.
Kilometraje
limpieza del FAP (t) = Distancia recorrida desde FAP nuevo *
100/Índice de ensuciamiento del FAP
(t)
\vskip1.000000\baselineskip
Cálculo de la distancia que
falta recorrer antes de la limpieza del
FAP
Esta variable le sirve a la red
post-venta para estimar la distancia que falta
recorrer antes de proceder al cambio o a la limpieza del filtro de
partículas.
Distancia restante antes limpieza del FAP (t) =
kilometraje limpieza del FAP (t) - Distancia FAP nuevo.
Se considera entonces que gracias a tal sistema,
es posible optimizar el mantenimiento de los filtros de partículas
y reducir los costos del mismo.
Claims (4)
1. Sistema de ayuda al mantenimiento de un
filtro de partículas integrado en la línea de escape de un motor
Diesel de vehículo automóvil, caracterizado por el hecho de
comprender:
- -
- medios (1) de cálculo del volumen de cenizas del aceite de lubrificación del motor,
- -
- medios (2) de cálculo del volumen de cenizas del carburante de alimentación del motor,
- -
- medios (4) de cálculo del volumen útil (V.u) del filtro de partículas a partir de un volumen total de este filtro en estado nuevo (V.nuevo) y de los volúmenes de cenizas calculados anteriormente, y
- -
- medios (5) de cálculo de un índice de ensuciamiento del filtro (t.e) de partículas a partir del volumen total del filtro en estado nuevo (V.nuevo) y del volumen útil (V.u) calculado anteriormente para provocar un requerimiento de mantenimiento (Req.Maint) cuando el índice de ensuciamiento (t.e) sobrepasa un límite predeterminado (límite).
2. Sistema de ayuda al mantenimiento según la
reivindicación 1, caracterizado por el hecho de comprender
además medios (3) de cálculo del volumen de residuos de combustión
de un aditivo destinado a bajar la temperatura de combustión de las
partículas acumuladas en el filtro de partículas, y mezclado al
carburante de alimentación de este motor, y conectados a los medios
(4) de cálculo del volumen útil (V.u).
3. Sistema de ayuda al mantenimiento según la
reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de
comprender además medios (7) de cálculo del kilometraje (Km maint.)
en el cual deberá ser prevista una operación de mantenimiento del
filtro de partículas, a partir del kilometraje recorrido (Km par.)
por el vehículo desde el estado filtro de partículas nuevo o limpio
y del índice de ensuciamiento (t.e) del filtro tal como se ha
calculado anteriormente.
4. Sistema de ayuda al mantenimiento según la
reivindicación 3, caracterizado por el hecho de comprender
además medios (8) de cálculo del kilometraje que falta recorrer (km
rest.) antes de la operación de mantenimiento del filtro de
partículas, a partir del kilometraje de mantenimiento (km maint.)
calculado anteriormente y del kilometraje ya recorrido por el
vehículo (km par.).
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Publications (1)
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|---|---|
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Family Applications (1)
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Families Citing this family (14)
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|---|---|---|---|---|
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