ES2292318A1 - Procedimiento de deteccion de fallos en la inyeccion en motores de combustion turboalimentados. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de detección de fallos en la inyección en motores de combustión turboalimentados. Consiste en detectar la señal correspondiente a la velocidad del turbocompresor mediante un sensor y el posterior análisis de la señal para detectar el fallo en la inyección. La captación de la señal correspondiente a la velocidad del turbocompresor se puede efectuar de forma sincronizada con el ángulo de giro del eje del motor, de forma que conocido el orden de encendido, permite detectar en que cilindro se produce el fallo de la inyección.
Description
Procedimiento de detección de fallos en la
inyección de motores de combustión turboalimentados.
La presente invención se centra en el campo de
los motores de combustión turboalimentados y más concretamente en
sus sistemas de inyección.
Es objeto de la invención un procedimiento
concebido para detectar la existencia de fallos en el sistema de
inyección basado en la utilización del régimen instantáneo del
turbogrupo.
Han sido desarrollados gran variedad de métodos
para la detección de fallos de inyección y combustión debido a la
necesidad de que los fabricantes de motores deben de superar
diferentes legislaciones existentes.
Hay que hacer notar que más allá de la detección
total de fallo en la inyección, estas técnicas han sido enfocadas a
la detección parcial de fallos o desigualdades en la distribución
del combustible.
En el caso de los motores Diesel de nueva
generación, las diferencias en el combustible inyectado en cada
cilindro puede aparecer debido a:
- \bullet
- Errores relacionados con el diámetro del agujero: las discrepancias en el área eficaz de los orificios del inyector implican una diferencia en la tasa total de inyección.
- \bullet
- Errores relacionados de la dinámica del inyector: este error afecta especialmente en el caso de inyecciones de corta duración (tales como pueden ser la inyección piloto o las post-inyecciones), donde las dinámicas de la aguja no pueden suponerse insignificantes.
- \bullet
- Variaciones en la presión de inyección del combustible: oscilaciones en la presión de raíl causadas por el proceso de vaciado y el llenado pueden afectar la presión efectiva en la línea de inyección, creando diferencias no insignificantes en la inyección de cada cilindro.
De los factores anteriormente expuestos, los
debidos a las discrepancias de los orificios y a las dinámicas de
los inyectores, se relacionan con las discrepancias en la
fabricación y el envejecimiento de los inyectores.
Las discrepancias en la fabricación deben de ser
analizadas con el objetivo de que éstas se encuentren por debajo de
unos límites, resultando un encarecimiento elevado del proceso de
fabricación. Estas discrepancias, están presentes incluso en
diferentes agujeros dentro de un mismo inyector.
El envejecimiento del inyector puede causar
variaciones en los diámetros de los orificios de los inyectores
(erosión o depósitos de combustible) o errores dinámicos en el
funcionamiento, lo cual afecta a la masa de combustible inyectada.
Este efecto inevitablemente no puede ser evitado, y puede causar un
mal funcionamiento del motor.
Desde el punto de vista de los principios de
detección de fallos de inyección, la medida de la presión en cámara
se presenta como una solución perfecta para el diagnóstico de la
combustión y de la inyección; sin embargo, sensores específicos que
proporcionen esas medidas son caros y provistos de errores
computacionales importantes.
Como consecuencia, se han detectado varios
métodos alternativos de detección de fallos de inyección. Los
métodos convencionales se basan fundamentalmente en la evolución
instantánea de la velocidad del cigüeñal, mientras que algunos
autores han propuesto el uso de la sonda lambda, medidas de la
presión de escape, o vibraciones del bloque.
En relación con el análisis de la variación de
la velocidad del cigüeñal durante un ciclo de motor hay que hacer
notar que el proceso de combustión produce una aceleración en el
eje motor, por lo que el perfil de la velocidad se verá afectado
por las irregularidades en la inyección.
Se han desarrollado varios métodos en relación
con esta técnica, incluyendo aproximaciones lineales y no lineales.
Algunas ventajas de este tipo de métodos son las siguientes:
- \bullet
- El sensor de velocidad del cigüeñal se encuentra en fase con la inyección, esta circunstancia supone que el coste computacional sea muy bajo.
- \bullet
- Las técnicas basadas en la velocidad del cigüeñal muestran una buena relación señal-ruido para bajas velocidades de motor.
- \bullet
- Este tipo de técnicas producen una suavidad en el funcionamiento del motor.
Las desventajas de este tipo de técnicas son las
siguientes:
- \ding{113}
- El perfil de velocidades del cigüeñal se ve modificado debido a las diferentes vibraciones y la carga del motor.
- \ding{113}
- Las fuerzas de inercia enmascaran la señal a altas velocidades de motor.
Así pues, las técnicas basadas en la medida de
la velocidad del cigüeñal están usualmente limitadas a bajas
velocidades, y por lo tanto a motores con velocidades
moderadas.
Debido a las limitaciones que presentan las
técnicas basadas en la medida de la velocidad del cigüeñal en todo
el rango de funcionamiento del motor, algunas alternativas han sido
propuestas en revistas especializadas. Los principales principios
que emplean estas técnicas para la detección son:
- \bullet
- Análisis de la presión en cámara.
- \bullet
- Presión instantánea de escape.
- \bullet
- Concentración instantánea de oxígeno.
- \bullet
- Par instantáneo.
- \bullet
- Ruidos de combustión.
- \bullet
- Vibración del bloque.
- \bullet
- Medida de la temperatura en cada uno de los cilindros.
Ninguna de estas técnicas ha sido empleada en la
fabricación de motores, pero diferentes autores apuntan sus
ventajas en comparación a las técnicas convencionales. Muchas de
las citadas anteriormente tienen como principal ventaja que pueden
ser empleadas en todo el rango de funcionamiento del motor.
El procedimiento de detección de fallos en la
inyección de motores de combustión turboalimentados que constituye
el objeto de esta invención propone como principal característica
llevar a cabo la toma de medidas de la velocidad del turbogrupo
como alternativa a la medida de la presión de los gases de
escape.
Se ha demostrado que los pulsos de la presión de
escape tienen una incidencia directa en los pulsos de presión a la
entrada de la turbina, lo cual afecta a la evolución instantánea de
la velocidad del turbogrupo.
Como la presión de escape se ve afectada por la
distribución del combustible en los diferentes inyectores, el
perfil de velocidad del turbogrupo se verá consecuentemente
afectado. Este hecho, nos indica que podría ser posible el
diagnóstico del proceso de inyección de combustible mediante la
medida de la velocidad del turbogrupo.
Hay que hacer notar que la medida de la
velocidad instantánea es equivalente a la medida de las variaciones
de la energía disponible en la entrada de la turbina. Esta energía
se relaciona con la presión de escape y la temperatura, esto quiere
decir que se puede encontrar un acoplamiento directo entre la
pulsación y la presión. Consecuentemente, un modelo de estimación
de la presión se puede deducir de la medida de la velocidad
instantánea del turbogrupo.
En comparación con la medida de la presión de
escape, la medida de la velocidad del turbogrupo no necesita de un
sensor refrigerado, ya que la medida puede ser realizada con
dispositivos digitales instalados en el compresor o el eje del
turbogrupo, por lo que es posible evitar la alta temperatura de
funcionamiento. Además, el uso de sistemas digitales se adapta
perfectamente a la medida de velocidades, por lo que supone una
solución robusta.
Para la medida del régimen instantáneo del
turbogrupo se puede utilizar un sensor basado en corrientes de
Foucault enfrentado a las palas bien del compresor, bien de la
turbina, o al eje del turbogrupo. Otras posibilidades incluyen el
uso de captadores ópticos o de efecto may (en la turbina).
En el caso de captadores por corrientes de
Foucault, la bobina, es excitada con un pulso de corriente el cual
la carga y descarga. Las diferencias en los tiempos de carga y
descarga de la bobina indican que la pala del compresor se
encuentra enfrentada a la bobina. El tiempo transcurrido entre el
paso de dos palas consecutivas permite determinar la velocidad
instantánea del turbogrupo. Para evitar la influencia de las
discrepancias de fabricación en el ángulo de las diferentes palas
del compresor, se considera tomar la medida para una vuelta
completa del compresor en lugar de entre el paso de una pala y la
inmediatamente posterior. La frecuencia en la excitación del sensor
dicta la resolución obtenida en la medida de velocidad del
turbogrupo; valores usuales van de 750 kHz (con baja resolución)
a
5 MHz.
5 MHz.
Si se dispone un sistema de adquisición que
permita registrar la evolución del régimen instantáneo del
turbogrupo durante un ciclo del motor es posible detectar la
existencia de fallos de inyección: una anomalía en la inyección
afectará el pulso energético asociado al proceso de escape del
cilindro afectado, produciendo una aceleración en el régimen del
turbogrupo diferente de los pulsos del resto de cilindros.
Si la adquisición se realiza de forma
sincronizada con el ángulo girado por el motor, y se conoce el
orden de encendido del mismo, es posible detectar el cilindro que
está fallando.
La detección se puede realizar mediante un
tratamiento de los datos tanto en el dominio tiempo como en el
dominio frecuencia (mediante una transformada discreta de
Fourier):
- \bullet
- En el primer caso se analiza la aceleración instantánea del turbogrupo en cada uno de los pulsos correspondientes a cada cilindro. Diferencias entre ellos estarán asociadas a fallos de inyección. El uso de filtros puede ser necesario para obtener una estimación robusta de la aceleración ante el ruido de medida.
- \bullet
- En el segundo caso se analizarán las frecuencias múltiplos del ciclo del motor (la mitad del régimen de giro para un motor de cuatro tiempos), inferiores a la frecuencia de encendido. El aumento del contenido en estas frecuencias indicará la existencia de fallos de inyección.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características de la invención, de acuerdo con un ejemplo
preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
Figura 1.- Muestra un ejemplo de montaje de un
captador para la medida del régimen del turbogrupo.
Figuras 2.1 y 2.2.- Muestran una representación
gráfica de la evolución del régimen del turbogrupo en el dominio
del tiempo durante un ciclo de motor para un motor sin fallos de
inyección (Figura 2.1) y con un fallo de inyección en uno de los
cilindros (Figura 2.2).
Figuras 3.1 y 3.2.- Muestra la representación de
los datos de las figuras 2.1 y 2.2 en el dominio de la
frecuencia.
Figura 4.- Muestra una representación gráfica de
la variación de la frecuencia en función de la variación de una
magnitud asociada a la provocación del fallo en la inyección.
Se han llevado a cabo ensayos en dos motores
Diesel; el primero de ellos es un motor diesel de 11 litros y seis
cilindros, y el segundo motor es de 1.9 litros y cuatro cilindros.
Ambos están equipados con un sistema de inyección common
raíl, que permite la variación de la inyección en cada uno de
los cilindros de forma arbitraria. En cada ensayo se tomaron medidas
de temperaturas, presión y flujo total de combustible, así como de
la velocidad instantánea del turbogrupo, sensor que se montó según
muestra la Figura 1.
El motor fue ensayado en condiciones nominales
sin fallo alguno en el sistema de inyección desde 1200 a 1800 rpm,
y con diferentes grados de carga. Para cada punto de
funcionamiento, se realizaron ensayos adicionales con fallos de
inyección de diferente magnitud. Las figuras 2.1 y 3.1 muestran
ejemplos de la evolución de la velocidad del turbogrupo sin fallo y
las figuras 2.2 y 3.2 muestran la evolución de la velocidad en el
caso de que haya un fallo de inyección. Puede verse claramente la
existencia de asimetrías en el caso de aparecer un fallo en la
inyección.
En las figuras 3.1 y 3.2 se muestra el efecto
del fallo en el dominio de la frecuencia, observándose en la figura
3.2 el aumento de la frecuencias en el caso de aparecer fallos en
la inyección.
Para el segundo motor se realizaron múltiples
ensayos entre 1250 y 4000 rpm, variando la magnitud del fallo. Para
cada ensayo se analizó el perfil del régimen del turbogrupo en el
dominio de la frecuencia, obteniéndose los resultados mostrados en
la figura 4, donde se observa que la variación del incremento de la
velocidad es proporcional a la variación de una magnitud asociada a
la provocación de un fallo, tanto para el primer armónico f=fc como
para el segundo armónico f=2fc.
Además, el sistema resulta lineal
independientemente del punto de funcionamiento escogido. Al
considerar diferentes velocidades del motor se consigue una
ganancia constante, dando mejores resultados que los obtenidos por
técnicas convencionales con las que se obtienen muchas
imprecisiones para velocidades de motor elevadas.
Claims (8)
1. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados
caracterizado porque comprende la captación de la señal
correspondiente a la velocidad del turbocompresor.
2. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicación 1 caracterizado porque la captación de la,
señal correspondiente a la velocidad del turbocompresor se efectúa
de forma sincronizada con el ángulo de giro del eje del motor para
detectar en qué cilindro se produce el fallo de la inyección.
3. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicación 1 caracterizado porque la captación de la
señal correspondiente a la velocidad del turbocompresor se efectúa
mediante un sensor.
4. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicación 1 caracterizado porque la captación de la
señal se efectúa para una vuelta completa del turbocompresor.
5. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sensor
se enfrenta a las palas del compresor.
6. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque el sensor se
enfrenta a las palas de la turbina.
7. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicaciones 3 a 6 caracterizado porque el
funcionamiento del sensor está basado en las corrientes de
Foucault.
8. Procedimiento de detección de fallos en la
inyección en motores de combustión turboalimentados según
reivindicación 1 caracterizado porque tras la captación de
la señal correspondiente a la velocidad del turbocompresor se
efectúan las fases de:
- -
- filtrado de la señal,
- -
- análisis de la señal en el dominio del tiempo o de la frecuencia para detección de fallo en la inyección para frecuencias de ciclo superiores a un valor nominal preestablecido.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200502418A ES2292318B2 (es) | 2005-09-27 | 2005-09-27 | Procedimiento de deteccion de fallos en la inyeccion en motores de combustion turboalimentados. |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200502418A ES2292318B2 (es) | 2005-09-27 | 2005-09-27 | Procedimiento de deteccion de fallos en la inyeccion en motores de combustion turboalimentados. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2292318A1 true ES2292318A1 (es) | 2008-03-01 |
| ES2292318B2 ES2292318B2 (es) | 2009-02-16 |
Family
ID=39081631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2292318B2 (es) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0024531A2 (de) * | 1979-08-25 | 1981-03-11 | M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesellschaft | Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen |
| JPH03210044A (ja) * | 1990-01-12 | 1991-09-13 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料噴射装置の診断装置 |
| WO2001029386A1 (de) * | 1999-10-21 | 2001-04-26 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur bestimmung von betriebsgrössen einer brennkraftmaschine |
-
2005
- 2005-09-27 ES ES200502418A patent/ES2292318B2/es active Active
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| EP0024531A2 (de) * | 1979-08-25 | 1981-03-11 | M.A.N. MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG Aktiengesellschaft | Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen |
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| WO2001029386A1 (de) * | 1999-10-21 | 2001-04-26 | Robert Bosch Gmbh | Verfahren zur bestimmung von betriebsgrössen einer brennkraftmaschine |
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| ES2292318B2 (es) | 2009-02-16 |
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| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2292318B2 Country of ref document: ES |