ES2446191B2 - Método de detección de la masa atrapada en un cilindro de combustión - Google Patents

Método de detección de la masa atrapada en un cilindro de combustión Download PDF

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Abstract

La invención describe un método para la detección de la masa atrapada en un cilindro de un motor de combustión interna. El método comprende obtener la señal de presión en el cilindro en función del ángulo de cig�e�al; estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante transformada de Fourier de la señal de presión obtenida; y calcular la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de resonancia estimada para el ángulo de cig�e�al dado. El método permite calcular la masa atrapada a diversos valores de ángulo de cig�e�al y para diversos modos de resonancia.

Description

M�TODO DE DETECCiÓN DE LA MASA ATRAPADA EN UN CILINDRO DE COMBUSTiÓN
Campo de la invención
5 La presente invención se refiere de manera general al campo de los
motores de combustión interna alternativos, y más concretamente a un método para detectar la masa atrapada en un cilindro de combustión.
Antecedentes de la invención
10 La estimación de la masa atrapada en el interior del cilindro (también conocida como carga del cilindro) es un aspeclo problem�tico y critico para el control y diagnóstico de los motores de combustión intema alternativos. La masa
atrapada est� compuesta de una mezcla de aire fresco, gases recirculados y gases residuales.
15 El uso de EGR (Exahus/ Gas Recircula/ion, recirculaci�n de gases de escape) y de IGR (lnternal Gas Recircula/ion, recirculaci�n de gases internos) permite reducir la concentración de oxígeno en el cilindro con el fin de controlar
las emisiones de óxidos de nitrógeno o, en los nuevos modos de combustión de
baja temperatura, la velocidad de combustión de la mezcla.
20 Tanto los motores de encendido provocado (gasolina) como los motores de encendido por compresión (di�sel) cuentan con algoritmos de control que tienen como objetivo el control de la carga del cilindro, pues las caracteristicas del
proceso de combustión, as� como la formación de componentes contaminantes,
se ve fuertemente influida por la carga del cilindro. No obstante, no existen
25 métodos comerciales para la medida directa de la masa atrapada, yen la mayoria de motores actuales se determina indirectamente a partir de la medida del gasto de aire fresco mediante un caudalimetro de aire. Sin embargo, el caudalimetro de
aire simplemente determina la masa de aire fresco, pero no tiene en cuenta la
recirculaci�n de gases o los gases residuales, y por tanto no proporciona una
30 determinación precisa de la masa atrapada realmente en el cilindro de combustión. Aunque existen métodos para determinar los porcentajes de EGR (tales como la medición de la concentración de CO, o de O" o el uso de un modelo basado en el rendimiento volumétrico), estos métodos también presentan precisiones insuficientes.
35 El documento US 4164867 A da a conocer un método de medición de la
,
temperatura en un cilindro de motor, en el que se determina la temperatura
detectando la oscilación de la presión a alta frecuencia en la cámara de combustión haciendo funcionar el motor para producir un golpeteo (knocking) y midiendo la frecuencia del modo de menor frecuencia de la señal de golpeteo de alta frecuencia. La frecuencia, o su inversa el periodo, de esa señal es una
funci�n de la temperatura del gas. Este documento no se refiere a, ni menciona, la determinación de la masa atrapada en el cilindro.
Tambi�n se conoce en la técnica la determinación de la amplitud de resonancia, en lugar de la frecuencia de resonancia, a partir de un valor de
presi�n mediante transformada de Fourier con objeto de determinar parámetros
de funcionamiento del cilindro tales como la temperatura o el fenómeno de golpeteo; sin embargo no se conoce ningún método que permita determinar la
masa atrapada en el cilindro.
Por tanto, sigue existiendo en la técnica la necesidad de un método que permita determinar de manera fiable y robusta la masa atrapada en el cilindro de
combusti�n.
Sumario de la invención
Para solucionar los problemas de la técnica anterior, la presente invención da a conocer un método de detección de la masa atrapada en un cilindro de un motor de combustión interna, que comprende:
obtener la señal de presión en el cilindro en función del ángulo de cig�e�al;
estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante
transformada de Fourier de la señal de presión obtenida; y
calcular la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de resonancia estimada para el ángulo de cig�e�al dado. Para poner en práctica el método dado a conocer por la presente invención
tan sólo se requiere proporcionar una señal de la presión en el cilindro, la cual puede obtenerse mediante un sensor de presión en cámara habitual
comercialmente disponible.
El método de la presente invención puede aplicarse a cualquier tipo de motor (motores de dos tiempos o de cuatro tiempos, motores de gasolina o di�sel, motores sobrealimentados o de aspiración natural, ... ).
Dado que el método de la presente invención tan sólo se basa en una
medici�n de la señal de presión, que es una señal de alta precisión, el método
presenta una gran robustez en lo relativo a errores de medida.
Adem�s, el método de la presente invención permite detenninar la masa atrapada ciclo a ciclo gracias a que proporciona una respuesta inmediata en
tiempo real.
Breve descripción de las figuras La presente invención se entender� mejor con referencia a las siguientes
figuras que ilustran realizaciones preferidas de la invención, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invención
de ninguna manera.
La figura 1 muestra un diagrama esquemático de los principales conceptos
asociados con la renovación de la carga de cilindro; la figura 2 muestra una gráfica de la frecuencia y la presión en función del
�ngulo de cig�e�al; la figura 3 muestra una gráfica del coeficiente de Bessel en función del ángulo de cig�e�al; la figura 4 muestra la masa atrapada estimada en función del ángulo de
cig�e�al para tres ciclos distintos;
la figura 5 muestra la masa atrapada estimada para 100 ciclos; la figura 6 muestra el grado de cierre de válvula de admisión a lo largo de 3000 ciclos; y la figura 7 muestra la masa atrapada a lo largo de los 3000 ciclos
anteriores, en los que se vari� el grado de cierre de válvula de admisión.
Descripci�n detallada de las realizaciones preferidas Como se mencion� anteriormente, la figura 1 muestra un diagrama esquemático de los principales conceptos asociados a la renovación de la carga
del cilindro, que son:
Aire fresco: Aire atmosférico aspirado por el motor.
Cortocircuito: Parte del gasto admitido que pasa directamente de la admisión al escape, sin formar parte de la carga del cilindro.
Residuales: Gases que no se expulsan durante el proceso de escape o que, abandonando el cilindro en la carrera de escape, vuelven a entrar en el cilindro durante la admisión. En algunos casos se denominan IGR.
EGR: Gases de escape que, a través de un sistema de recirculadon de alta
o baja presión, se reconducen de nuevo al cilindro,
Tal como se mencion� anteriormente, el método de la presente invención
proporciona un valor de la masa atrapada total en el cilindro (o carga del cilindro)
a partir de la presión detectada en el cilindro, es decir, sin necesidad de medir
independientemente cada uno de los componentes de dicha masa atrapada.
La primera etapa del método según la realización preferida de la presente
invenci�n consiste en obtener la señal de presión en el cilindro en función del
�ngulo de cig�e�al. Esta señal de presión puede obtenerse por ejemplo mediante
el uso de un sensor de presión comercialmente disponible. La segunda etapa del método según la realización preferida de la presente invención consiste en estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante
transfonnada de Fourier de la señal de presión obtenida.
El proceso de combustión en el interior del cilindro excita los modos propios de resonancia de la cámara de combustión. Esta excitación puede ser severa en algunos casos, conduciendo al fenómeno conocido como golpeteo en los motores de gasolina. Dicha frecuencia de resonancia est� asociada a las características
geom�tricas de la cámara de combustión (que varían según se expande el
cilindro) y de la masa atrapada en el cilindro. Debe destacarse que según la realización preferida de la presente invención, la detección de la frecuencia no se ve afectada por la existencia de un error de referencia en la medida de la presión, que es el principal problema asociado con la medición de la presión en cámara,
por lo que el método de la presente invención presenta una alta robustez.
La estimación de la frecuencia de resonancia se obtiene mediante la
transfonnada de Fourier de la señal de presión. Según la realización preferida de
la presente invención, se emplea para ello una ventana para obtener la resolución
en ángulo y se añaden ceros (zero padding) para aumentar la resolución de
frecuencia.
La figura 2 muestra una gráfica de la frecuencia y la presión en función del ángulo de cig�e�al. En esta figura puede apreciarse que se aplican dos ventanas a dos valores de ángulo de cig�e�al diferentes para el cálculo de la frecuencia. Asimismo, se calculan curvas de frecuencia de resonancia en tres modos distintos. La posibilidad de obtener varias medidas de la masa atrapada para diversos ángulos de cig�e�al y diversos modos según la realización preferida de la presente invención proporciona una serie de ventajas importantes, tal como se
describir� más detalladamente a continuación en el presente documento.
La selección del filtrado, tamaño de la ventana y la resolución en frecuencia
se realizan a partir de un compromiso entre el ruido de la señal y la precisión requerida, y puede determinarlo fácilmente el experto en la técnica en cada caso.
5 En el ejemplo mostrado en la figura 2, la señal se adquirió de forma sincrona con el cig�e�al (1 muestralO,2 CAD (Crank Angle Degree, grado de ángulo de cig�e�al), lo que corresponde aproximadamente a 36 kHz) y se emple� una
ventana Blackman-Harris de tamaño 27; la transformada de Fourier se realizó con
puntos lo que proporciona 8,8 Hz de resolución en frecuencia.
10 Una vez obtenida la frecuencia de resonancia fo. ,n. que es el pico asociado al modo n-�simo para un valor de ángulo a, es posible relacionar esta frecuencia de resonancia con la velocidad del sonido a mediante una constante procedente de la resolución de la ecuación de ondas:
f = Ba.na
a,lI
1([)
15 Por tanto:
Dado que: se obtiene por tanto :
Se dispone por tanto del siguiente conjunto de ecuaciones:
P.zV= RT
a ma.II a
R =g(yJ ra = h(y"z;, )
f~_Jfl)J2 = ra Rz;,
( a._
Las funciones 9 y h hacen referencia a estimaciones de la constante universal R y el coeficiente adiabático Ya en función de la composición.
25 Despejando la masa m para un ángulo de cig�e�al a dado y un modo de
resonancia n dado en el conjunto de ecuaciones anteriores, se obtiene la
siguiente ecuación (1):
(1 )
en la que:
a es el ángulo de cig�e�al;
n es el modo de resonancia;
5 m es la masa atrapada en el cilindro;
f es la frecuencia de resonancia estimada a partir de la presión;
P es el valor de presión empleado para estimar la frecuencia de
resonancia; B es el coeficiente de Sessel asociado al modo de resonancia n-�simo en 10 la geometría correspondiente a la posición angular considerada;
V es el volumen del cilindro; D es el diámetro del cilindro; y Y, es la composición de los gases al final de la combustión. La composición Y, (aire fresco frente a productos de combustión) puede
15 estimarse de diversas formas (tal como, por ejemplo, mediante un sensor de la concentración de oxígeno en el escape, una estimación basada en modelos, etc.). Sin embargo, según una realización de la invención se supone un valor característico y constante para el motor, ya que esto no provoca errores de más
del 2% en la estimación de la masa. 20 Las constantes Bu." dependen únicamente de la geometria de la cámara de
combusti�n. Aunque pueden ser calculadas analíticamente para geometrías
sencillas como la cilíndrica, en el caso de cámaras de combustión complejas (de tipo bowl, culata, ... ) deben determinarse experimentalmente o mediante dinámica de fluidos computacional (CFD). En cualquier caso deben calibrarse de forma
25 conveniente, lo cual supone un proceso de caracterización del motor. Para esta calibración se requiere un método auxiliar para realizar la medición o estimación
de la masa atrapada. La ecuación (1) anterior puede reescribirse de la siguiente
manera:
En la figura 3 se muestra el valor obtenido para dicha constante de Bessel en un determinado motor para varios ciclos, en función del ángulo de cig�e�al (CAD) en el punto muerto superior (TDC, Top Dead Center). En esta figura 3
puede apreciarse Que existe una gran coherencia en una zona de la carrera de
expansi�n cercana al punto muerto superior (zona limitada por las dos lineas
discontinuas verticales en la figura), esta ser� por tanto la zona que se emplear� exclusivamente para el cálculo de la estimación de la masa atrapada en el cilindro 5 a continuación.
Para llevar a cabo el método según la realización preferida de la presente
invenci�n, s610 se requiere realizar este método de calibración una única vez para un motor (o serie de motores) determinado. Una vez realizada la calibración, el
m�todo de la invención proporciona valores fiables y robustos de la masa 10 atrapada en el cilindro.
Por tanto, una vez resuelta la ecuación anterior se obtiene una estimación
precisa de la masa atrapada en el cilindro mu.' para la ventana considerada (es decir, correspondiente al ángulo de cig�e�al CJ. elegido) y el modo n estudiado. Tal
como se mencion� anteriormente, la posibilidad de aplicar varias ventanas en un
15 mismo ciclo, o de estudiar las frecuencias asociadas a diferentes modos, ofrece
varias ventajas ya que permite obtener varias medidas de la masa atrapada en el cilindro para cada ciclo. La media de estas medidas ofrece una buena estimación
de la masa atrapada en el cilindro, mientras que la varianza permite tener una
valoraci�n de la estimación basándose en el principio de conservación de la 20 masa, por lo que pueden detectarse errores puntuales en el método.
De esta forma el método puede proporcionar tanto la estimación instantánea de la masa atrapada para cada ciclo, como un índice de precisión de
dicha medida basado en varias observaciones a lo largo del mismo ciclo termodinámico.
25 La figura 4 muestra los resultados obtenidos al aplicar el método según la
realizaci�n preferida de la presente invención a tres ciclos determinados. Dado
que dentro de cada ciclo puede aplicarse el método para cada valor de ángulo de
cig�e�al deseado, en un ciclo pueden realizarse varias estimaciones individuales
tal como se representa por la multitud de puntos en la figura 4. 30 Si se considera que las fugas por falta de estanqueidad son bajas, la masa atrapada en el cilindro debe mantenerse constante con el ángulo girado, de forma
que es posible obtener el valor medio para un ciclo, más una estimación del error
que ser� función de la desviación estándar entre las estimaciones obtenidas para diferentes valores del ángulo. La figura 5 muestra el valor obtenido en cada ciclo y
35 las barras de error asociadas para 100 ciclos consecutivos. Tal como entender� el experto en la técnica, es posible calcular el promedio de varios ciclos, sin
embargo el aspecto importante que debe destacarse es el hecho de que existe
una medida de precisión incluso aunque no se promedien ciclos.
Para demostrar la gran respuesta temporal (es decir, la capacidad inmediata de detectar cambios en la masa atrapada) del método según la
realizaci�n preferida de la presente invención, se realizó el siguiente experimento:
en un motor equipado con distribución variable (VVT) se cambi� de forma brusca el valor del cierre de válvula de admisión (IVe, /nlake Va/ve Clase). En la figura 6, en la que se muestra el valor de Ive en función del ciclo, pueden observarse los cambios bruscos en el valor de cierre de válvula de admisión poco antes del ciclo 500 y poco después del ciclo 2500.
Tal como se observa en la figura 7, este cambio brusco en el valor de Ive
provoc� un cambio instantáneo en la masa atrapada estimada mediante el método de la realización preferida de la presente invención. Los resultados de las
figuras 6 y 7 demuestran por tanto que el método según la realización preferida de
la presente invención proporciona una velocidad de respuesta instantánea , y permite obtener valores de la masa atrapada en el cilindro en tiempo real para
cada ciclo independiente del funcionamiento del motor.
Seg�n otra realización preferida del método de la presente invención, se calcula un único valor de la masa atrapada sin variar ni el ángulo de cig�e�al a ni
el modo n. Por tanto, se emplea la siguiente ecuación (1 ') simplificada:
m = ( f:rPVh( Y"m;lrJ)
(1 ')
en la que las diversas variables tienen los significados definidos anteriormente en el presente documento.
Aparte de la aplicación directa para la determinación de la masa atrapada en el cilindro , que como se explicó anteriormente y conocen los expertos en la técnica supone un aspecto importante para el control y diagnóstico de motores de combustión interna alternativos, el método de la presente invención presenta varias aplicaciones adicionales.
Por ejemplo, el método de la presente invención permite la sustitución del sensor de gasto de aire o de presión de admisión habitualmente presente en los motores de gasolina de cuatro tiempos, en los que se usa generalmente un caudalimetro de hilo o placa caliente o un captador de presión de admisión con el fin de determinar la cantidad de combustible a inyectar. Dicha cantidad se corrige
despu�s de forma fina con la medida de la concentración de oxígeno en el
escape. Gracias a la presente invención, es posible reemplazar por completo en
estos motores dicha medida mediante el uso de un captador de presión en cámara y el método de la presente invención. En motores di�sel de cuatro
tiempos sobrealimentados sin EGR, el método propuesto también puede
emplearse directamente para determinar la masa atrapada, que corresponde principalmente a aire fresco. Por tanto, gracias a la presente invención puede reducirse el número de sensores necesarios en un motor de combustión interna
para determinar la masa atrapada en el cilindro, lo que tiene por un lado la ventaja de ahorrar los costes de fabricación y por otro lado la de reducir las piezas
susceptibles de experimentar averías y que deben someterse a mantenimiento o
recambio.
Otra aplicación del método de la presente invención es la determinación del
porcentaje de gas recirculado (incluyendo los gases residuales). Aunque ya se conocen en la técnica métodos para la determinación de EGR, estos métodos no
tienen una gran precisión . Por otra parte, no hay ningún método comercial
actualmente capaz de determinar el porcentaje de IGR. Tal como se describió anteriormente la presente invención permite obtener de una forma precisa la
masa atrapada en el cilindro. Si no existe un cortocircuito significativo, el método según una realización preferida adicional de la presente invención permite
determinar la cantidad de EGR e IGR mediante las etapas de: detectar la masa de aire fresco introducida en el cilindro (por ejemplo, mediante un caudalimetro de hilo o placa caliente habitualmente empleado en la técnica); y calcular la cantidad de gases recirculados en el cilindro (EGR e IGR)
restando a la masa atrapada en el cilindro la masa de aire fresco
introducida. La determinación del gas recirculado mediante el método según la realización preferida adicional de la presente invención permite por tanto estimar
la concentración de oxígeno, que es un parámetro crítico para el control de
nuevos modos de combustión de baja temperatura (L TC, HCCI, CAl, RCCI, etc.).
Por último, una aplicación adicional del método de la presente invención es la determinación del cortocircuito. En efecto, la combinación de un caudal�metro de hilo o placa caliente y del método según la realización preferida de la presente invención puede selVir para la determinación del cortocircuito si se dispone de un
captador de concentración en la admisión o en el escape. La aplicación de
t�cnicas de fusión de la información que combinen las medidas obtenidas a partir de diversos sensores y modelos puede permitir determinar cada uno de los
valores asociados con la renovación de la masa atrapada en el cilindro mostrados
5 en la figura 1.

Claims (7)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Método de detección de la masa atrapada en un cilindro de un motor de
    combusti�n interna, que comprende:
    obtener la señal de presión en el cilindro en función del ángulo de
    5
    cig�e�al;
    estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante
    transformada de Fourier de la señal de presión obtenida; y
    calcular la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de
    resonancia estimada para el ángulo de cig�e�al dado.
    10
    2. Método según la reivindicación 1. caracterizado por que se calcula la masa
    atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de resonancia estimada
    mediante la siguiente ecuación (1 '):
    (J1rDJ-2 ( PV )m = B PVh Y" mg (Y,) (1 ')
    en la que:
    15
    m es la masa atrapada en el cilindro;
    f es la frecuencia de resonancia estimada a partir de la presión;
    P es el valor de presión empleado para estimar la frecuencia de
    resonancia;
    B es el coeficiente de Bessel;
    20
    Ves el volumen del cilindro;
    D es el diámetro del cilindro; y
    Y, es la composición de los gases al final de la combustión.
  2. 3.
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
    por que la frecuencia de resonancia se estima mediante una transformada
    25
    de Fourier con aplicación de ventanas y adición de ceros para aumentar la
    resoluci�n de la misma.
  3. 4.
    Método según la reivindicación 3, caracterizado por que se aplican varias
    ventanas en un mismo ciclo a diversos valores de ángulo de cig�e�al.
  4. 5.
    Método según cualqUiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
    30
    por que se estima la frecuencia de resonancia asociada a diferentes modos
    para calcular varias medidas de masa atrapada en el cilindro.
  5. 6.
    M�lodo según cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado por
    que se calcula la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de
    resonancia estimada mediante la siguiente ecuación (1):
    en la que:
    a es el ángulo de cig�e�al;
    n es el modo de resonancia; y
    5
    el resto de variables son tal como se definieron en la reivindicación 2.
  6. 7.
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
    por que la señal de presión en el cilindro se obtiene mediante el uso de un
    sensor de presión en cámara.
  7. 8.
    Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que
    10
    comprende además:
    -detectar la masa de aire fresco introducida en el cilindro; y
    -calcular la cantidad de gases recirculados en el cilindro restando
    a la
    masa atrapada en el cilindro la masa de aire fresco introducida.
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