ES2328416T3 - Procedimiento y dispositivo para el funcionamiento de un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para el funcionamiento de un motor de combustión interna, en el que en función de un requerimiento de carga, se acondicionan cantidades de aire fresco, de gas residual y de combustible, caracterizado porque en el caso de un cambio de carga desde un primer requerimiento de carga a un segundo requerimiento de carga, en primer lugar - se acondiciona la cantidad de gas residual de acuerdo con el primer requerimiento de carga y - se acondiciona la cantidad de combustible de acuerdo con el segundo requerimiento de carga.
Description
Procedimiento y dispositivo para el
funcionamiento de un motor de combustión interna.
La invención parte de un procedimiento y de un
dispositivo para el funcionamiento de un motor de combustión
interna del tipo de las reivindicaciones independientes.
En principio, se conocen motores de combustión
interna, en los que se inyecta gasolina directamente en la cámara
de combustión y de una manera similar a un motor de combustión
Diesel, se enciende por sí misma. Del tipo de funcionamiento de
encendido automático de motores Otto se esperan ahorros adicionales
de consumo de combustible y un comportamiento de emisión de nuevo
más favorable que en los motores de combustión interna con
inyección directa de gasolina y encendido externo a través de una
bujía de encendido.
Se consigue un encendido automático homogéneo en
un motor Otto porque una porción considerable de la mezcla quemada
de aire/combustible no es expulsada al escape, sino que permanece en
la cámara de combustión (el llamado retorno interno de gases de
escape). La mezcla quemada de aire/combustible se designa a
continuación como gas residual (RG). En el caso de un retorno
interno de gases de escape, a través de una activación variable de
las válvulas de entrada y de las válvulas de salida en el OT de
cambio de gas, o bien se retiene gas residual en la cámara de
combustión (interferencia negativa de la válvula) o se reaspira gas
residual desde el canal de escape de gases o desde el canal de
entrada (interferencia positiva de la válvula).
En el ciclo de aspiración siguiente, se mezcla
el gas residual con aire de la combustión y combustible. De esta
manera, la mezcla de gas que se encuentra en la cámara de combustión
en el instante del cierre de la o de las válvulas de entrada, que
está constituido por aire de la combustión y gas residual, tiene una
temperatura claramente elevada frente al funcionamiento normal. A
través de la compresión siguiente en el ciclo de aspiración de la
mezcla de gas que se encuentra en la cámara de combustión se
incrementa su temperatura hasta el punto de que la mezcla de
combustible y aire que se encuentra en la cámara de combustión se
enciende por sí misma sin encendido externo a través de una bujía
de encendido. El objetivo del modo de funcionamiento de encendido
automático homogéneo es que el encendido automático de la mezcla de
combustible y aire que se encuentra en la cámara de combustión
tiene lugar aproximadamente con la consecución del OT de
encendido.
En este caso, el gas residual tiene dos
cometidos importantes. En primer lugar, el gas residual caliente
prepara calor, que posibilita en combinación con la elevación de la
temperatura en el ciclo de compresión un encendido automático de la
mezcla de combustible y aire.
El segundo cometido del gas residual consiste en
ralentizar la cinética de la combustión activada a través del
encendido automático para reducir de esta manera en primer lugar la
carga mecánica del motor de combustión interna, reducir su
formación de ruido y prevenir la aparición de picos locales de
temperatura. De esta manera, como resultado se consigue una mejora
del rendimiento del motor de combustión interna y, debido a las
temperaturas máximas reducidas, se posibilita un funcionamiento muy
pobre en NOx y parcialmente incluso libre de NOx del motor de
combustión interna.
Tales procedimientos se conocen, por ejemplo, a
partir del documento DE 102 33 612 A1.
La masa de gas residual necesaria para el
encendido automático se incrementa en caso de puntos de
carga/requeri-
mientos de carga reducidos, puesto que la temperatura de los gases de escape se reduce en virtud de la masa de combustible quemada reducida. En el caso de requerimientos elevados de carga, se necesita menos masa de gas residual, puesto que los gases de escape son más calientes. La temperatura en función de la carga de la masa de gases de escape que permanece en el cilindro conduce, en el funcionamiento dinámico, durante el cambio de cargas bajas a cargas más altas, a interrupción de la combustión, mientras que en el caso de cambio de cargas altas a cargas más bajas se producen combustiones demasiado precoces.
mientos de carga reducidos, puesto que la temperatura de los gases de escape se reduce en virtud de la masa de combustible quemada reducida. En el caso de requerimientos elevados de carga, se necesita menos masa de gas residual, puesto que los gases de escape son más calientes. La temperatura en función de la carga de la masa de gases de escape que permanece en el cilindro conduce, en el funcionamiento dinámico, durante el cambio de cargas bajas a cargas más altas, a interrupción de la combustión, mientras que en el caso de cambio de cargas altas a cargas más bajas se producen combustiones demasiado precoces.
El procedimiento de acuerdo con la invención con
las características de la reivindicación independientes tiene, en
cambio, la ventaja de que en el caso de un cambio de carga desde un
primer requerimiento de carga a un segundo requerimiento de carga,
se acondiciona en primer lugar la cantidad de gas residual según el
primer requerimiento de carga y la cantidad de combustible de
acuerdo con el segundo requerimiento de carga y de esta manera se
evita interrupciones de la combustión. Otras ventajas son que, por
ejemplo, no son necesarios otros campos característicos de
corrección y, por lo tanto, el procedimiento se configura muy
robusto.
Además, de manera igualmente ventajosa, está
previsto un aparato de control para el funcionamiento de un motor
de combustión interna, en el que el aparato de control acondiciona
en el ciclo de trabajo, en el que se realiza un cambio de carga
desde un primer requerimiento de carga a un segundo requerimiento de
carga, al menos una variable de funcionamiento de acuerdo con el
segundo requerimiento de carga, y el aparato de control comprende
un elemento de retardo, que acondiciona en el ciclo de trabajo de
cambio de carga, en el que se realiza el cambio de carga, una
cantidad de gas residual de acuerdo con el primer requerimiento de
carga.
A través de las medidas indicadas en las
reivindicaciones dependientes son posibles desarrollos ventajosos y
mejoras del dispositivo y del procedimiento, respectivamente,
indicados en la reivindicación independiente.
En otra configuración ventajosa está previsto
que en los ciclos de trabajo que siguen al ciclo de trabajo de
cambio de carga sean acondicionadas otras variables de
funcionamiento de acuerdo con el segundo requerimiento de carga.
Esto posibilita realizar el cambio de carga no de forma repentina,
sino de forma sucesiva distribuida sobre al menos dos ciclos de
carga, para optimizar de esta manera las variables de activación,
por ejemplo en lo que se refiere a una emisión reducida de
sustancias tóxicas. No obstante, puede estar previsto que en el
ciclo de trabajo que sigue inmediatamente al cambio de carga se
introduzca, como anteriormente, solamente la cantidad de
combustible de acuerdo con el segundo tipo de funcionamiento.
Otra forma de realización ventajosa prevé que en
un motor de combustión interna con válvulas de intercambio de gases
que pueden ser activadas de forma variable, la al menos una válvula
de salida sea activada, durante un cambio de carga, en el ciclo de
trabajo de cambio de carga (k) con las variables de activación del
primer requerimiento de carga, para que de manera ventajosa esté
disponible una cantidad de gas residual, con la que se puede
prevenir una interrupción de la combustión.
Los ejemplos de realización de la invención se
representan en los dibujos y se explican en detalle en la
descripción siguiente.
En este caso:
La figura 1 muestra de forma esquemática la
estructura de un motor de combustión interna.
La figura 2 muestra un diagrama con una curva de
la presión de la cámara de combustión y la curva de la carrera de la
válvula.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se representa a modo de ejemplo con
la ayuda de un motor de combustión interna, en el que el
combustible es inyectado directamente a una cámara de combustión del
motor de combustión interna. No obstante, en principio, también son
concebibles otros procedimientos, con los que se pone combustible a
la disposición de la combustión. En particular, se contempla también
una inyección de tubo de aspiración.
Además, el procedimiento no está limitado a
motores de combustión interna con mecanismo de válvula
variable
-por ejemplo desfase de árboles de levas o mecanismo de válvula electrohidráulico, sino que puede encontrar aplicación también en un mecanismo de válvula con fase fija con respecto al árbol de levas, realizándose entonces el retorno de los gases de escape con preferencia desde el exterior.
-por ejemplo desfase de árboles de levas o mecanismo de válvula electrohidráulico, sino que puede encontrar aplicación también en un mecanismo de válvula con fase fija con respecto al árbol de levas, realizándose entonces el retorno de los gases de escape con preferencia desde el exterior.
En la figura 1 se muestra de forma esquemática
un motor de combustión interna 1, en el que se representa a modo de
ejemplo un cilindro 110 con una válvula de inyección. En el cilindro
110 está dispuesto móvil un pistón 120. El cilindro presenta una
cámara de combustión 100, que está delimitada, entre otras cosas,
por el pistón 120, por válvulas de intercambio de gases, a saber,
una válvula de entrada 150 y una válvula de salida 160. También
pueden estar previstas varias válvulas de entrada y/o de salida 150,
160. En la zona de las válvulas de entrada y de salida 150, 160
penetra la válvula de inyección 40 en la cámara de combustión 100 y
posibilita una introducción directa de combustible en la cámara de
combustión 100. Además, un tubo de aspiración 155 conduce con
preferencia aire a la válvula de entrada 150 y a través de la
apertura de la válvula de entrada 150 llega el aire a la cámara de
combustión 110. A través de la apertura de la válvula de salida 160
se transmiten con preferencia gases de escape a un tubo de salida de
gases 165. De una manera alternativa, en el caso de una inyección
de tubo de aspiración, puede estar prevista también una válvula de
inyección en el tubo de aspiración.
La válvula de inyección 40 así como la válvula
de entrada y la válvula de salida 150, 160 están conectadas a
través de líneas de control con un aparato de control 200. A través
de las líneas de control se activan de manera adecuada los
componentes del motor de combustión interna desde el aparato de
control para un tipo de funcionamiento presente. Los cambios de par
motor o bien los requerimientos de carga nuevo pueden ser
señalizados, por ejemplo, por el conductor a través de la posición
del pedal del acelerador o también son iniciados, condicionados por
el funcionamiento, por ejemplo, en virtud de una conexión adicional
de otros equipos. La detección de tal requerimiento de carga se
representa en la figura 1 como medio de detección 300. Partiendo de
un requerimiento de carga, el aparato de control pone a disposición
nuevas variables de activación o bien variables de funcionamiento.
De acuerdo con la invención, en el aparato de control 200 está
previsto un medio de retardo 250, que retarda la preparación al
menos para una parte de las nuevas variables de activación, de
manera que el aparato de control activa los componentes del motor
de combustión interna y aquí especialmente la válvula de inyección
40 y las válvulas de intercambio de gases 150, 160; por una parte,
con variables nuevas y, por otra parte, con variables antiguas.
En la figura 2 se muestra a modo de ejemplo una
curva de una presión de la cámara de combustión p_{B} (línea
continua) y las carreras de la válvula h en las válvulas de
intercambio de gas (línea de trazos) en un funcionamiento homogéneo
de un motor de combustión interna en el encendido automático
controlado a través del ángulo del árbol de levas. Sobre la
ordenada se representa un ángulo del árbol de levas de -100 a 800º
y sobre la abscisa se registra la presión de la cámara de combustión
y la carrera de la válvula. A 0º y a 172º se encuentra el punto
muerto superior del encendido ZOP y a 360º se encuentra el punto
muerto superior en el cambio de carga LOT. El cambio de carga sirve
de manera conocida para la expulsión de gases de escape quemados
con preferencia con un ángulo del árbol de levas entre 180º y 360º,
y para la aspiración de aire fresco (o dado, el caso de una mezcla
de combustible y aire durante la inyección de tubo de aspiración) en
un intervalo con preferencia de 360º a 540º. A continuación se
conecta un ciclo de compresión en un intervalo de ángulos del árbol
de cigüeñal de 540º a 720º, en el que se comprimen el aire fresco,
el combustible y un gas residual dado el caso presente. En un motor
Otto con inyección directa, se inyecta el combustible, según el
tipo de funcionamiento, por ejemplo en la fase de aspiración y/o
también en la fase de compresión y se enciende en la proximidad del
OT de encendido con la ayuda de una bujía de
encendido.
encendido.
De una manera alternativa, el gas residual puede
ser alimentado también con la ayuda de un retorno externo de gases
de la combustión a la cámara de combustión, En el caso de un retorno
externo de los gases de la combustión, se alimenta el gas residual
de forma controlada típicamente a través de un conducto de retorno
desde el lado de escape de gases hacia el tubo de aspiración.
También son concebibles otras posibilidades de retorno.
En un funcionamiento de un motor de combustión
interna y aquí especialmente de un motor Otto con encendido
automático controlado, el combustible no se enciende con la ayuda de
una bujía de encendido, sino en virtud de la evolución de la
temperatura de los gases comprimidos en la cámara de combustión. Por
lo demás, la invención se explica con la ayuda de un motor de
combustión interna de este tipo, pero sin limitar la aplicación a
tal motor de combustión interna. En particular, es concebible
realizar el procedimiento de acuerdo con la invención también con
otros motores de combustión interna con y sin instalación de
encendido, y especialmente también en un motor de combustión
interna Diesel y motores de combustión interna con inyección de tubo
de aspiración.
Para la preparación de una mezcla homogénea de
combustible y aire, como se muestra en la figura 2, el combustible
es inyectado en una zona después del OT de intercambio de gases. En
el ejemplo representado a 380º aproximadamente. A continuación se
abre la válvula de entrada a 450º a 580º aproximadamente, de manera
que puede circular aire fresco a la cámara de combustión. A través
de los movimientos del pistón y del aire fresco que afluye se
distribuye el combustible inyectado de forma esencialmente homogénea
en la cámara de combustión. Durante la compresión de la mezcla de
aire y combustible se eleva la temperatura de la mezcla tan
fuertemente que la mezcla se enciende automáticamente.
El instante o bien el ángulo del árbol de levas
en el que se realiza el encendido automático, se puede ajustar
presumiblemente a través de la cantidad de aire fresco retornado así
como también a través del comienzo y la duración de la inyección.
Los parámetros para el ajuste de estas variables y, dado el caso,
de otras variables están depositados típicamente en campos
característicos o también en campos característicos de control
previo, por ejemplo en función de un requerimiento de carga o de par
motor.
La masa de gas residual necesaria para el
encendido automático se incrementa en el caso de puntos de
carga/requerimientos de carga reducidos, puesto que la temperatura
de los gases de escape se reduce en virtud de la masa de
combustible quemada más reducida. En el caso de requerimientos
elevados de carga se necesita menos masa de gas residual, puesto
que los gases de escape son más calientes. La temperatura en función
de la carga de la masa de gas residual que permanece en el cilindro
conduce en el funcionamiento dinámico durante el cambio de carga
baja a carga más alta a interrupciones de la combustión, mientras
que en el caso de cambio de cargas altas a cargas bajas, se
producirían combustiones demasiado precoces.
Los procedimientos conocidos hasta ahora parten
de una adaptación progresiva de la masa de gas residual en el salto
de carga o bien cambio de carga. A tal fin se conmutan de forma
repentina en el salto de carga todas las variables de activación
-tiempos de las válvulas, cantidad de inyección y sincronización de
la inyección. Se previenen las interrupciones porque se
contrarrestan las repercusiones del gas residual demasiado caliente
o bien demasiado frío a través de una adaptación del instante de la
inyección o de los tiempos de la válvula. Los parámetros para la
prevención de interrupciones en el caso de un cambio de carga se
depositan a tal fin en campos característicos de corrección.
El procedimiento descrito aquí prescinde de
tales campos característicos de corrección que dependen, en
general, también de la altura del salto de carga.
De acuerdo con la invención, están previstos con
preferencia elementos de retardo, que conmutan las variables de
activación seleccionadas -por ejemplo tiempos de apertura y de
cierre de las válvulas de intercambio de gas o tiempos de inyección-
con un retardo de ciclo.
En la figura 2 se representan, además, un
primero y un segundo ciclo de trabajo k-1, k, en el
que la separación de los dos ciclos de trabajo se ha adoptado de
forma arbitraria con un ángulo de árbol de cigüeñal de 60º
aproximadamente, y se puede establecer evidentemente de forma
individual para un aparato de control de motor respectivo. En el
presente ejemplo, el motor de combustión interna se encuentra en el
primer ciclo de trabajo k-1 en un modo de encendido
automático en el punto de carga A o bien existe un requerimiento de
carga A. En el ciclo de trabajo k, en un llamado ciclo de trabajo de
cambio de carga k, debe desliarse ahora un salto al punto de carga
B, es decir, que en el ciclo de trabajo de cambio de carga k debe
cederse ya la carga (potencia) B. En campos característicos se
encuentran las variables de activación, que se necesitan para el
funcionamiento estacionario en el punto de carga A y B.
Para el primer ciclo de trabajo
k-1 se utilizan las variables de activación a partir
del campo característico o el campo característico de control
previo del punto de carga A. Para el ciclo de trabajo de cambio de
carga k siguiente se utilizan las variables de activación en
adelante a partir de un campo característico o un campo
característico de control previo con respecto al punto de carga A,
pero la masa de combustible se pone a disposición ya con respecto al
punto de carga B.
No obstante, según las necesidades, en el ciclo
de trabajo de cambio de carga k se pueden poner a disposición
también otros parámetros o bien variables de activación con respecto
al punto de carga B. En particular, puede estar previsto que se
utilice también ya el instante de la inyección con respecto al nuevo
punto de carga B. No obstante, de acuerdo con la invención, al
menos la cantidad de gas residual en el ciclo de trabajo de cambio
de carga k debería prepararse todavía de acuerdo con el punto de
carga A, para que esté disponible una cantidad de calor y de gas
residual suficiente para el encendido automático en la fase de
compresión y se puedan evitar con seguridad las interrupciones de
la combustión.
La cantidad de gas residual es acondicionada, en
el caso de un retorno interno de gases de escape con preferencia a
través de la activación selectiva de las válvulas de salida. En el
caso de un cambio de caga de acuerdo con la invención se activan de
una manera correspondiente las válvulas de salida para la
preparación de la cantidad de gas residual de acuerdo con el
requerimiento de carga antiguo, de manera que salvo variaciones
inevitables de la presión y de la temperatura en la cámara de
combustión con una activación constante de las válvulas se puede
poner a disposición siempre la misma cantidad de gas residual.
En el caso de un retorno interno de gases de
escape, habría que controlar de una manera correspondiente la
válvula de retorno.
Claims (4)
1. Procedimiento para el funcionamiento de un
motor de combustión interna, en el que en función de un
requerimiento de carga, se acondicionan cantidades de aire fresco,
de gas residual y de combustible, caracterizado porque en el
caso de un cambio de carga desde un primer requerimiento de carga a
un segundo requerimiento de carga, en primer lugar
- -
- se acondiciona la cantidad de gas residual de acuerdo con el primer requerimiento de carga y
- -
- se acondiciona la cantidad de combustible de acuerdo con el segundo requerimiento de carga.
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, en el que en los ciclos de trabajo que siguen al
ciclo de trabajo de cambio de carga (k) se acondicionan otras
variables de funcionamiento de acuerdo con el segundo requerimiento
de carga.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1 ó 2, en el que las válvulas de intercambio de gases
del motor de combustión interna son activadas de forma variable,
siendo retenida una cantidad de gas residual en una cámara de
combustión en función de un requerimiento de carga a través de la
activación selectiva de al menos una válvula de salida, y en el que
en el caso de cambio de carga en el ciclo de trabajo de cambio de
carga (k), se lleva a cabo la activación de al menos una válvula de
salida de acuerdo con el primer requerimiento de carga.
4. Aparato de control para el funcionamiento de
un motor de combustión interna de acuerdo con uno de los
procedimientos anteriores, en el que el aparato de control, en un
ciclo de trabajo de cambio de carga (k), en el que se realiza un
cambio de carga desde un primer requerimiento de carga a un segundo
requerimiento de carga, acondiciona al menos una variable de
funcionamiento de acuerdo con el segundo requerimiento de carga,
caracterizado porque el aparato de control comprende un
elemento de retardo que, en el ciclo de trabajo de cambio de carga
(k), en el que se realiza el cambio de carga, acondiciona una
cantidad de gas residual de acuerdo con el primer requerimiento de
carga.
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