ES2958159T3 - Método y dispositivo para aumentar la temperatura de los gases de escape en un motor diésel - Google Patents

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Abstract

La presente invención se refiere a un método para aumentar la temperatura de los gases de escape y reducir las emisiones en cargas parciales en un motor diésel, en el que dicho motor comprende un cilindro con un pistón alternativo, un volumen de compresión variable (VCR) y al menos una válvula de escape y al menos una válvula de escape. al menos una válvula de entrada, esta última equipada con sincronización variable de válvulas (WT). Según el requisito de potencia predominante del motor, un sistema de control del motor determina cuándo abrir y cerrar dicha válvula de entrada, y el tamaño de dicho volumen de compresión para lograr una temperatura de los gases de escape suficientemente elevada para que se pueda lograr una purificación correcta de los gases de escape. El método se caracteriza porque la presión del cilindro durante la carrera de expansión es gestionada por el sistema de control del motor mediante las funciones VCR y VVT, de manera que dicha presión alcanza niveles atmosféricos o subatmosféricos en o antes del punto muerto inferior, con cargas del motor a o por debajo del 25% de la carga máxima del motor, por lo que la válvula de entrada se abre para permitir que el aire se mezcle con los gases de combustión. La invención también se refiere a un dispositivo correspondiente y a un motor diésel que comprende dicho dispositivo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Método y dispositivo para aumentar la temperatura de los gases de escape en un motor diésel
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para proporcionar una mayor temperatura de escape y/o una bajada de las emisiones durante la carga parcial del motor en un motor diésel y a un dispositivo para llevar a cabo el método.
Antecedentes
Es ampliamente conocido que el control de emisiones en vehículos con motores diésel funciona mal a velocidades más bajas, como, por ejemplo, en el tráfico urbano o durante arranques y paradas frecuentes. Esto es particularmente válido durante el arranque y la conducción inicial con el motor frío.
En una publicación de la Administración de Transportes de Suecia sobre el control de emisiones, capítulo 11, de octubre de 2012, a continuación, se describen de manera suficiente y completa los antecedentes, el estado de la técnica y los problemas de los motores diésel actuales.
Citamos:
"11. CONTROL DE EMISIONES
Emisiones de gases de escape y control de emisiones.
Durante la combustión en un motor diésel, se forman diferentes tipos de emisiones de gases de escape. El grado de descarga de algunos de ellos está controlado por leyes y reglamentos. Desde que se introdujeron las leyes, los requisitos se han vuelto cada vez más estrictos. Las emisiones que se controlan son las de hidrocarburos (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y partículas (PM). Durante la combustión de diésel también se emite dióxido de carbono, pero este gas es un producto de combustión que se genera en una cantidad que depende del número de átomos de carbono del combustible. El dióxido de carbono es un gas que contribuye al efecto invernadero y si se produce durante la combustión de combustibles fósiles, se debe pagar un impuesto, el llamado impuesto al dióxido de carbono.
Desde hace mucho tiempo, el objetivo básico de todo desarrollo de motores en lo que respecta a las emisiones ha sido reducir las emisiones básicas del motor, es decir, las emisiones que se forman en el sistema de combustión del motor. Esto ha tenido mucho éxito a lo largo de los años usando el desarrollo avanzado de combustión, sistemas de inyección con presiones muy altas e inyecciones secuenciales y el intercambio avanzado de gases mediante el desarrollo de sistemas de turbocompresión. Esto se ha realizado en combinación con un control electrónico cada vez más avanzado del motor y sus componentes.
Sin embargo, los requisitos de emisiones se han vuelto significativamente más estrictos durante la última década, y esto ha resultado en el desarrollo de diferentes tipos de sistemas de postratamiento de gases de escape. Estos sistemas reducen aún más las emisiones después del motor.
Uno de los problemas más difíciles es reducir las emisiones de partículas y NO<x>. El NO<x>es el resultado de la oxidación entre el oxígeno y el nitrógeno del aire y aumenta rápidamente con la temperatura de combustión. La combustión a altas temperaturas reduce la formación de HC, CO y partículas y contribuye a bajar el consumo de combustible, pero aumenta las emisiones de NOx .
Métodos para reducir NOx
Los requisitos para reducir las emisiones de NO<x>de los motores diésel pesados se han vuelto drásticamente más estrictos con el paso de los años. Desde la primera norma de emisiones (Euro I 1992) hasta la actualidad (Euro VI 2013), el valor límite se ha reducido en un 95%.
Esta reducción no ha sido posible con una tecnología de combustión mejor, sino que se ha hecho necesario desarrollar soluciones técnicas separadas.
Recirculación de gases de escape (EGR, por sus siglas en inglés)
El método se basa en que una parte de los gases de escape se enfría y se recircula a la entrada de aire del motor y luego al cilindro. Estos gases de escape reducen la formación de NOx porque, por un lado, se reduce la concentración de oxígeno y, por otro lado, porque los gases de escape enfrían el gas en el cilindro. Esto da como resultado una temperatura de combustión más baja en la propia llama, lo que reduce la formación de NOx .
El método es eficiente, pero la cantidad de gas de escape recirculado debe controlarse dependiendo de la velocidad y la carga del motor. La desventaja es que la formación de partículas a menudo aumenta y el método contribuye a una mayor carga en el filtro de partículas. La tecnología aumenta algo el consumo de combustible del motor.
SCR: Reducción Catalítica Selectiva (por sus siglas en inglés)
SCR significa que se instala un catalizador SCR después del motor. En el vehículo está montado un depósito que contiene una disolución de urea. Desde el depósito, la disolución se rocía hacia el tubo de escape antes del catalizador. Con una mezcla correcta, los óxidos de nitrógeno de los gases de escape se convierten en gas nitrógeno y agua. La inyección de urea se controla electrónicamente y varía en función de la carga y la velocidad del motor. La reducción catalítica de NOx implica una conversión a nitrógeno (N2) y oxígeno (02) (agua: H2O) por parte del catalizador y un agente reductor añadido antes del catalizador. El producto químico reductor más común es el amoníaco (NH3), normalmente en forma de urea. La urea (AdBlue®) se almacena en el vehículo y se convierte en amoníaco en relación con la reducción.
Un requisito para que funcionen los sistemas SCR es que las temperaturas de escape sean suficientemente altas. Si la temperatura de escape desciende por debajo de unos 200 °C, el sistema SCR ya no está activo y la reducción de NO<x>se detiene. A aproximadamente 300 °C, la reducción es aproximadamente del 90-95%o. Otro requisito es que haya suficiente oxígeno en los gases de escape. También existen sistemas que cuentan con inyección de urea asistida por aire que, por un lado, atomiza la disolución de urea para que el aerosol se atomice más y se use de manera más eficiente. El método también garantiza que el contenido de oxígeno en el gas de escape esté en una concentración adecuada.
Además de reducir los NO<x>, un catalizador SCR también reduce las partículas y los HC en los motores diésel. Las emisiones de HC se pueden reducir hasta en un 80% y las de partículas en un intervalo del 20-30%<>. Hacer funcionar un sistema SCR implica varios desafíos técnicos. Algunos ejemplos: el complicado manejo de la urea y su dosificación, la necesidad de altas temperaturas para que el catalizador funcione eficientemente, el control del exceso de amoníaco durante condiciones transitorias y el tamaño del catalizador. El amoniaco en el aire circundante puede causar partículas secundarias y, por esa razón, también se debe usar un «catalizador de deslizamiento de amoniaco». La SCR puede liberar más partículas pequeñas y, por lo tanto, se usa a menudo combinado con un filtro de partículas.
Reducción de emisiones de CO e HC
Las emisiones de CO de un motor diésel han causado un problema relativamente pequeño ya que un motor diésel implica una combustión que tiene lugar con exceso de aire. Sin embargo, las emisiones de Hc del motor pueden elevarse durante la fase de arranque y calentamiento. Durante la operación normal, estas emisiones suelen ser bastante bajas.
Sin embargo, las emisiones de CO e HC son fáciles de reducir usando un catalizador de oxidación. Este catalizador requiere un exceso de oxígeno en los gases de escape, y eso es justo lo que tiene un motor diésel. Con ayuda de este oxígeno se oxidan CO, HC y derivados de HC a C02 y vapor de agua. El punto débil es que se requiere una cierta temperatura de escape para que el catalizador esté activo, y este normalmente no es el caso durante el arranque y el calentamiento del motor. Los catalizadores de oxidación no tienen ningún efecto sobre las emisiones totales de NO<x>, pero oxidan el NO a N02. Esto es útil cuando el catalizador de oxidación se usa junto con un filtro de partículas (véase a continuación «Combinaciones de estos sistemas»). A menudo se usa combinado con la tecnología EGR para reducir las emisiones de hidrocarburos.
Métodos para reducir las emisiones de partículas.
Las partículas se forman en la cámara de combustión del motor y, posteriormente, están sujetas a cierto crecimiento en el tubo de escape mediante partículas más pequeñas que se agregan para formar partículas más grandes y condensación de sustancias volátiles. Las partículas muy pequeñas suelen estar formadas por carbono, combustible no quemado, aceite lubricante, partículas metálicas y compuestos de azufre. Son cancerígenos y, debido a su pequeño tamaño, permanecen en los pulmones al inhalar y desde allí penetran en el torrente sanguíneo. Se pueden transportar largas distancias. Por tanto, los requisitos en materia de emisiones de partículas se han reducido a valores muy bajos. Para reducir las emisiones de partículas de un motor diésel, el motor está provisto de un filtro de partículas que se instala en el sistema de escape y captura físicamente las partículas antes de que los gases de escape abandonen el tubo de escape.
Eventualmente, a medida que el filtro se llena de partículas, la resistencia al flujo se vuelve cada vez más alta con un mayor consumo de combustible como efecto. A continuación, las partículas recogidas deben retirarse del filtro durante la llamada regeneración. Básicamente, existen dos métodos para ello.
Combustión y oxidación de las partículas mediante aumento de temperatura de forma controlada de manera que el carbono de las partículas se encienda y se queme.
El segundo método se basa en la regeneración continua. Estos sistemas se denominan trampa® (CRT® de regeneración continua). Estos sistemas de filtrado consisten en un catalizador de oxidación delante de un filtro de partículas. La función del catalizador es oxidar el NO a N02. El N02 formado en consecuencia oxida el carbono catalíticamente a C02 y N2. El catalizador también oxida las emisiones de HC y CO y, de ese modo, es un sistema que reduce todas las emisiones. La desventaja de este sistema es que con el tiempo debe haber un equilibrio entre el N02 y el flujo de partículas y que la temperatura de escape debe estar por encima de aproximadamente 250 °C para que los catalizadores estén activos. Si estas condiciones no se cumplen con el tiempo, el filtro de partículas puede saturarse de partículas, con lo que aumenta el consumo de combustible y, en el peor de los casos, destruirse. Con el tiempo, el filtro se llena de productos de ceniza y luego es necesario cambiarlo o limpiarlo. Para un camión normal (camión de largo recorrido de 40 toneladas), esto puede ser necesario después de aproximadamente 300000 km (dependiendo del uso, etc.).
En muchas aplicaciones, puede ser difícil alcanzar el requisito de temperatura, por ejemplo, en camiones de distribución y camiones de basura con paradas frecuentes, baja velocidad y mucho ralentí. Entonces se requiere un sistema activo que aumente la temperatura de los gases de escape. Un sistema común es inyectar combustible antes del catalizador, que luego se quema catalíticamente y aumenta la temperatura de escape. Sin embargo, el problema básico de que la temperatura de escape sea demasiado baja para que el catalizador esté activo puede persistir. En estos casos se podrá añadir un quemador o calefacción eléctrica del sistema.
Para cumplir con la legislación sobre emisiones, los grandes fabricantes han optado por usar tecnología EGR, tecnología SCR o una combinación de estas. Por ello, antes de realizar una nueva inversión, es recomendable informarse sobre las ventajas y desventajas de las tecnologías y analizar qué importancia pueden tener en su propio negocio.
Tanto la tecnología SCR como la EGR tienen sus ventajas y desventajas.
El consumo de diésel se reduce usando la tecnología SCR aproximadamente al mismo valor que la cantidad de urea inyectada (Euro V aproximadamente el 5%). Suponiendo que el precio de la urea sea sustancialmente más bajo que el precio del diésel, se reduce el coste total de combustible del vehículo.
Una forma de mantener bajo el coste de la urea es tener un depósito propio al que comprar urea en mayores cantidades a un precio más bajo.
Un motor EGR probablemente requiere cambios más frecuentes de aceite lubricante del motor que un motor SCR debido a los gases de escape recirculados.
La tecnología EGR es conocida y está probada. Reduce las emisiones en la fuente, es decir, el motor. La tecnología también se mejora sucesivamente.
SCR es un sistema de postratamiento activo que requiere supervisión y mantenimiento adicionales. Como propietario de un vehículo, necesita otro producto que manejar para el funcionamiento del vehículo y otro sistema que mantener. El peso del vehículo aumenta debido al aditivo, lo que resulta en una menor carga útil para el vehículo.
Un catalizador SCR requiere una temperatura de funcionamiento más baja de aproximadamente 300 °C para funcionar de manera eficiente. Esto puede ser difícil de lograr, por ejemplo, para vehículos en el tráfico urbano, con muchos arranques y paradas. Cuando el catalizador SCR no esté funcionando, las emisiones de NOx serán equivalentes a las emitidas por un motor Euro I o Euro II.
Dado que el filtro de partículas recoge las cenizas del combustible y el aceite, es ventajoso usar combustible con bajo contenido de cenizas para aumentar la vida útil del filtro.
La SCR no funciona y no se puede usar (EGR) cuando el motor se está calentando, lo que en realidad significa que la reducción de emisiones de NOx es nula desde el arranque hasta que el motor ha alcanzado una determinada temperatura. El desarrollo de catalizadores SCR tiene como objetivo lograr la operación del catalizador a una temperatura más baja, y la EGR podría usarse (casi) directamente desde el arranque. Sin embargo, hasta ahora estos objetivos no se han alcanzado. La elección entre el sistema de reducción de emisiones debería hacerse teniendo en cuenta las condiciones de operación para obtener la mejor solución desde el punto de vista medioambiental, pero a menudo falta una base para tales consideraciones.»
A<sí>, SCR, como se mencionó anteriormente, significa que se coloca un catalizador SCR después del motor. En el vehículo está montado un depósito que contiene una disolución de urea. La disolución se rocía desde el depósito hacia el tubo de escape antes del catalizador. Con una mezcla correcta, los óxidos de nitrógeno de los gases de escape se convierten en gas nitrógeno y agua. La inyección de urea se controla electrónicamente y se varía en función de la carga y la velocidad del motor. La reducción catalítica de NOx implica una conversión a nitrógeno (N2) y oxígeno (02) (agua: H20) por parte del catalizador y un agente reductor añadido antes del catalizador. El producto químico reductor más común es el amoníaco (NH3), normalmente en forma de urea. La urea (AdBlue®) se almacena en el vehículo y se convierte en amoníaco en relación con la reducción.
Los sistemas SCR soIo operan cuando las temperaturas de escape son suficientemente altas. Si la temperatura de escape desciende por debajo de aproximadamente 200 °C, el sistema SCR ya no está activo y la reducción de NO<x>se detiene. A aproximadamente 300 °C, la reducción es aproximadamente del 90-95%.
Se menciona que las emisiones de HC del motor pueden ser altas durante las fases de arranque y calentamiento. Durante la operación normal, estas emisiones normalmente son bastante bajas.
Sin embargo, las emisiones de CO e HC son fáciles de reducir usando un catalizador de oxidación. El punto débil es que se requiere una cierta temperatura de escape para que el catalizador esté activo, y este normalmente no es el caso durante el arranque y el calentamiento del motor.
También se explicó anteriormente que las partículas se forman en la cámara de combustión del motor y, posteriormente, están sujetas a cierto crecimiento en el tubo de escape mediante partículas más pequeñas que se agregan para formar partículas más grandes y condensación de sustancias volátiles. Las partículas muy pequeñas suelen consistir en carbono, combustible no quemado, aceite lubricante, partículas metálicas y compuestos de azufre. Son cancerígenos y, debido a su pequeño tamaño, permanecen en los pulmones al inhalar y desde allí penetran en el torrente sanguíneo. Se pueden transportar largas distancias. Por tanto, los requisitos en materia de emisiones de partículas se han reducido a valores muy bajos.
Las emisiones de partículas de un motor diésel se controlan usando un filtro de partículas en el sistema de escape, lo que significa que las partículas se capturan antes de que los gases de escape abandonen el tubo de escape.
Con el tiempo, la resistencia al flujo se vuelve cada vez más alta con un mayor consumo de combustible como efecto. Luego, las partículas deben retirarse del filtro durante la llamada regeneración. Un método es la combustión y oxidación de las partículas mediante aumento de temperatura de forma controlada de manera que el carbono de las partículas se encienda y se queme.
El control de emisiones consiste, así, en reducir las emisiones de NO<x>, CO, HC y partículas. La temperatura de escape determina si la reducción debe tener éxito.
El problema inherente a los motores diésel de hoy en día es que tienen un gran volumen de flujo de aire en comparación con el flujo de combustible, lo que significa que la temperatura de escape se vuelve demasiado baja para que el control de emisiones opere satisfactoriamente.
Los motores diésel actuales para vehículos operan normalmente según el principio de cuatro tiempos, en donde durante la carrera de admisión se introduce aire de combustión a presión atmosférica, durante la turbocompresión a mayor presión, sin control mediante, por ejemplo, estrangulación, lo que significa que la presión al final de la carrera de admisión, antes de la carrera de compresión, es al menos la presión atmosférica. Al final de la carrera de compresión se inyecta y se quema la cantidad de combustible necesaria para la carga requerida, lo que se denomina combustión cualitativa, y los gases de combustión se expanden durante la carrera de trabajo durante el funcionamiento del pistón. Durante la carrera de trabajo o al final de ella, la presión de los gases de combustión nunca puede descender por debajo de la presión atmosférica, que normalmente es de aproximadamente 0,1 MPa (1 bar). Cuanto menor sea la carga del motor, menor será la temperatura de los gases de escape.
Un ejemplo a continuación basado en la presión atmosférica de 0,1 MPa (1 bar) a una temperatura del aire de 0 °C (273 K) y una relación de compresión efectiva de 16,67, y, además, sin importancia para el concepto inventivo, que tiene lugar la combustión. a volumen constante en el punto muerto superior del pistón, es decir, como en el ciclo Otto, al que se acercan los motores diésel actuales y que es relevante cuando se usan VVT y VCR en motores diésel con posibilidad de la llamada combustión cuantitativa. Así, las cifras de temperaturas, presiones, etc., son teóricas y no están influenciadas por pérdidas de calor, fricción, etc., y están redondeadas, pero, como ya se ha dicho, carecen de importancia para el concepto inventivo.
Un requisito previo para el siguiente ejemplo es que el motor diésel actual, a plena carga, reciba combustible, lo que produce un aumento de temperatura en la masa de aire comprimido de 2000 grados.
En consecuencia, un 25% de carga en un motor diésel actual, de acuerdo con la fórmula para la combustión a volumen constante, da como resultado un aumento de temperatura en la masa de aire comprimido de 0,25*2000=500 grados. La presión de compresión llega a ser 5,14 MPa (51,4 bar) a una temperatura de 568 0C (841,2 K) y la presión de compresión a 8,19 MPa (81,9 bar) a una temperatura de 10680C (1341,2 K), y la presión en los gases de escape al final de la carrera de trabajo llega a ser 0,16 MPa (1,6 bar) a una temperatura de escape de 435 K, es decir, 162 °C. Esta es una temperatura a la que, por ejemplo, un catalizador SCR, según lo indicado anteriormente por la Administración de Transporte Sueca, ya no está activo (temperatura por debajo de 200 °C). Con cargas del motor más bajas que las del ejemplo, la temperatura de escape, por supuesto, es aún más baja. Este ejemplo confirma la causa de los problemas de control de emisiones. Al aumentar significativamente la temperatura de los gases de escape en vehículos con motores diésel durante cargas parciales, como, por ejemplo, durante velocidades más bajas en el tráfico urbano o durante el tráfico con muchos arranques y paradas, o durante el arranque con un motor frío, se logra un control eficiente de las emisiones.
En la Patente Sueca SE1500404-7, se describen VCR y VVT (en adelante denominadas válvulas libremente controlables), relación de compresión variable y sincronización variable de válvulas, respectivamente. Con cargas parciales, es posible reducir considerablemente el caudal de gases de escape mientras la temperatura de escape sigue siendo alta. De este modo, se alcanzan las temperaturas de escape requeridas para la operación adecuada del catalizador.
Resumen
El objetivo principal de la presente invención es proporcionar una tecnología mejor adicional con la que se resuelvan los problemas de control de emisiones insuficiente con cargas más bajas. Este objetivo se logra proporcionando al método y al dispositivo los rasgos caracterizantes indicados en las reivindicaciones de la patente.
La presente invención se refiere a un desarrollo de la tecnología de combustión, un desarrollo que antes no había sido posible.
La presente invención es un desarrollo adicional de la solución descrita en SE1500404-7. Según un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para proporcionar altas temperaturas de escape y/o emisiones reducidas con cargas parciales del motor, comprendiendo dicho motor al menos un cilindro con un pistón alternativo, tiene un volumen de compresión variable (VCR), y al menos una válvula de escape y al menos una válvula de admisión, estando provista la válvula de admisión de sincronización variable de válvulas (VVT). El sistema de control del motor diésel puede configurarse para, según la necesidad actual de potencia del motor, determinar cuándo debe abrirse y cerrarse la válvula de admisión, y a qué tamaño debe ajustarse el volumen de compresión para que la temperatura en el gas de escape en la evacuación sea suficientemente alta para la función de limpieza del presente postratamiento de gases de escape. La invención se caracteriza por que el sistema de control del motor controla las funciones para VVT y VCR de manera que la presión del cilindro durante la carrera de trabajo, con cargas del motor que ascienden al 25% o menos de dicha carga máxima del motor, alcanza la presión atmosférica actual o cae por debajo de la presión atmosférica actual antes de que el pistón alcance, o cuando el pistón alcanza, el punto muerto inferior, en donde la válvula de admisión se abre cuando la presión del cilindro alcanza la presión atmosférica actual, o cae por debajo de la presión atmosférica actual, para introducir aire que se mezclará con los gases de combustión. Esto contribuye a la oxidación de partículas, CO, HC y a un aumento del trabajo del motor debido al aumento de presión en el cilindro. Debido al aumento de presión también se consigue en cierta medida un aumento de la temperatura de los gases de combustión.
Se entiende que proporcionar altas temperaturas del gas de escape se refiere a proporcionar temperaturas del gas de escape más altas en comparación con las de un motor diésel convencional, es decir, una temperatura de gas de escape aumentada. La presión del cilindro descrita anteriormente que alcanza la presión atmosférica actual, o cae por debajo de la presión atmosférica actual, se puede lograr, por ejemplo, controlando VVT y VCR de manera que las válvulas de admisión se cierren cuando se haya suministrado la cantidad de aire de combustión que el sistema de control del motor ha decidido que es necesaria para la carga deseada del motor (de acuerdo con el llamado ciclo Miller temprano) mientras que, al mismo tiempo, el sistema de control del motor ajusta la relación de compresión para lograr la mejor eficiencia. Las válvulas de escape no necesariamente tienen que ser variables. En realizaciones, también se puede lograr la disposición mencionada anteriormente del sistema de control del motor para proporcionar una temperatura suficientemente alta en los gases de escape en la evacuación para las presentes tecnologías de postratamiento de gas de escape, la función de limpieza prevista mediante dicho cierre temprano de las válvulas de admisión y el ajuste de la relación de compresión para una mejor eficiencia. Alternativamente, para los mismos fines se puede usar un cierre tardío de la válvula de admisión (después del punto muerto superior según el llamado ciclo posterior de Miller).
Aparte de las ventajas mencionadas anteriormente con la adición de aire, surgen oportunidades para un control de emisiones sustancialmente más eficiente durante la evacuación inicial de los gases de escape, ya que la baja presión en el cilindro hace que los gases de escape calientes fluyan de regreso al cilindro, lo que también contribuye a la oxidación de las partículas, el CO y los HC, antes de que los gases de escape sean evacuados nuevamente.
El 25% de carga significa básicamente que la introducción de aire de combustión se interrumpe cuando se ha completado el 25% de la carrera de entrada y que la relación de compresión efectiva 16,67 se inicia cuando queda el 25% de la carrera de compresión. La presión de compresión se vuelve, como arriba, 5,14 MPa (51,4 bar) a una temperatura de 5680C (841,2 K), pero la presión de combustión aumenta a 17,35 MPa (173,5 bar) a una temperatura de 2568 oc (2841,2 K), mientras que la presión en los gases de escape al final de la carrera de trabajo se convierte en 0,05 MPa (0,5 bar) a una temperatura de gas de escape de 530 K, es decir, 257 °C, temperatura a la que todavía está activo un catalizador SCR. Pero lo más interesante es cuál es la temperatura durante la carrera de trabajo cuando la presión supera la presión atmosférica, en este caso 0,1 MPa (1 bar), ya que es principalmente a esta temperatura a la que se inicia la evacuación de los gases de escape. A 0,1 MPa (1 bar), la temperatura es 654 K, es decir, 381 °C, temperatura a la que el catalizador SCR reduce los NO<x>en aproximadamente un 95%.
Al dicho paso de 0,1 MPa (1 bar) durante la carrera de trabajo, queda el 40% de la carrera de trabajo y cuanto menor es la carga del motor, queda la mayor porción de la carrera de trabajo. Por ejemplo, con una carga del 10%, la temperatura sigue siendo de 381 oc (654 K) y el 75% de la carrera de trabajo permanece al pasar 0,1 MPa (1 bar).
En consecuencia, existe la posibilidad, con cargas parciales del motor, de crear una presión en la combustión, presión que es inferior a la presión atmosférica, lo que permite que se lleven a cabo acciones para el control de emisiones ya antes de que los gases de escape abandonen el cilindro.
Un flujo másico bajo en los gases de escape evacuados en comparación con el flujo en los motores diésel actuales proporciona un tiempo de residencia más largo en el catalizador y, de ese modo, una mejor función del catalizador adicionalmente, lo que contribuye a que los NOx formados se reduzcan en una cierta medida a nitrógeno y oxígeno, respectivamente. Además, se crea la posibilidad de crear gases de escape calientes directamente al arrancar un motor frío, con el consiguiente calentamiento rápido de los cilindros y del sistema de escape, lo cual es una ventaja sustancial ya que la acción catalítica se inicia entonces casi instantáneamente después del arranque.
En realizaciones, el aire introducido se calienta mediante un intercambiador de calor (lnterheatertm) que, por ejemplo, intercambia calor con gases de escape. Esto mejora dicha oxidación y contribuye al aumento de temperatura en la mezcla que se crea. El aumento de temperatura también da como resultado un aumento de la temperatura de gas de escape en comparación con sin intercambiador de calor.
En realizaciones, la introducción de aire tiene lugar en relación con el inicio de la evacuación, en donde el aire a alta velocidad fluye hacia el interior del cilindro y se mezcla eficazmente con los gases de combustión. Esto se puede conseguir, por ejemplo, mediante una válvula de admisión con sincronización variable de válvulas (VVT) que se abre al mismo tiempo que la válvula de escape (que no tiene por qué ser necesariamente variable).
Según un segundo aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo para proporcionar una temperatura de gas de escape alta y/o emisiones más bajas en cargas parciales del motor en un motor diésel. El motor diésel comprende al menos un cilindro con un pistón alternativo que permite un volumen de compresión variable, VCR, y al menos una válvula de escape y al menos una válvula de admisión, estando provista la válvula de admisión de sincronización variable de válvulas, VVT. El sistema de control del motor diésel puede configurarse para, según la necesidad actual de potencia del motor, determinar cuándo debe abrirse y cerrarse la válvula de admisión, y a qué tamaño debe ajustarse el volumen de compresión para que la temperatura en el gas de escape en la evacuación sea suficientemente alta para la función de limpieza deseada del presente postratamiento de gases de escape. El sistema de control del motor puede configurarse para llevar a cabo el método según el primer aspecto de la invención. El dispositivo se caracteriza por que la presión en los gases de escape durante la carrera de trabajo es controlada por el sistema de control del motor, usando las funciones para VVT y VCR, de modo que la presión, con cargas del motor que ascienden al 25% o menos de la carga máxima del motor, alcanza la presión atmosférica actual, o cae por debajo de la presión atmosférica actual, antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior, en donde se abre la válvula de admisión y se introduce aire.
Según un tercer aspecto de la invención, se proporciona un motor diésel que comprende al menos un cilindro con un pistón alternativo, un volumen de compresión variable, VCR, y al menos una válvula de escape y al menos una válvula de admisión, estando provista la válvula de admisión de sincronización variable de válvulas, VVT, y un sistema de control del motor. El sistema de control del motor está configurado, usando las funciones para V<v>T y VCR, para controlar la presión del cilindro en cargas del motor que asciendan al 25% o menos de la carga máxima del motor, de modo que la presión del cilindro alcance la presión atmosférica actual, o caiga por debajo de la presión atmosférica actual, antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior y para controlar que la válvula de admisión se abra cuando la presión del cilindro alcance la presión atmosférica actual, o caiga por debajo de la presión atmosférica actual, mediante lo cual se introducirá aire. El sistema de control del motor diésel puede configurarse además para, según la necesidad actual de potencia del motor, determinar cuándo debe abrirse y cerrarse la válvula de admisión, y a qué tamaño debe ajustarse el volumen de compresión para que la temperatura en el gas de escape en la evacuación sea suficientemente alta para la función de limpieza deseada del presente postratamiento de gases de escape.
Las realizaciones del método descritas anteriormente son aplicables también como realizaciones correspondientes del segundo y tercer aspectos de la invención.
Breve descripción de los dibujos
Los aspectos descritos anteriormente y otros aspectos de la invención se describirán ahora con más detalle con referencia a las figuras adjuntas que muestran realizaciones de la invención, en donde
la fig. 1 muestra un diagrama de flujo que ilustra una realización del método según el primer aspecto de la invención, y
la fig. 2 ilustra esquemáticamente una realización de un dispositivo según el segundo aspecto de la invención.
Descripción detallada
La fig. 1 muestra un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente una realización del método según el primer aspecto de la invención, donde el método comprende, basándose en la necesidad actual de potencia del motor, determinar 1 cuando la válvula de admisión debe abrirse y cerrarse, y a qué tamaño debe ajustarse el volumen de compresión para que la temperatura en el gas de escape en la evacuación sea suficientemente alta para la función de limpieza prevista del presente postratamiento de escape. El método comprende además usar el sistema de control del motor para control 2 de las funciones para VVT y VCR de manera que la presión del cilindro durante la carrera de trabajo, con cargas del motor que ascienden al 25% o menos de dicha carga máxima del motor, alcance la presión atmosférica actual, o caiga por debajo de la presión atmosférica actual, antes de que el pistón alcance, o cuando el pistón alcanza, el punto muerto inferior, en donde la válvula de admisión se abre 4 cuando dicha presión del cilindro alcanza la presión atmosférica actual, o cae por debajo de la presión atmosférica actual, para introducir aire que se mezclará con los gases de combustión. Antes de introducir el aire, este se calienta 3 mediante intercambio de calor con los gases de escape.
La figura 2 ilustra una realización de un dispositivo según el segundo aspecto de la invención, pero también podría considerarse que ilustra partes de una realización de un motor diésel según el tercer aspecto de la invención.
El motor está provisto de manera convencional de un cilindro 11 en el que un pistón 12 conectado a un vástago 13 de pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás. El motor comprende además un volumen 14 de compresión variable formado en la culata del cilindro en un cilindro 15 secundario que está abierto hacia abajo, hacia el cilindro 11, y está provisto de un pistón 16 secundario alternativo que permite un volumen de compresión variable (VCR). Al cambiar la posición del pistón 16 secundario, se cambia el volumen total por encima del pistón 12. El pistón secundario es ajustable por medio del actuador 17. En la culata de cilindro está dispuesta al menos una válvula 18 de escape y al menos una válvula 19 de admisión. Al menos la válvula de admisión está provista de sincronización variable de válvulas VVT usando el actuador 20. En la figura, la válvula 18 de escape está ilustrada con un actuador de manera correspondiente a la válvula de admisión, pero esto no es necesario. También es posible el accionamiento convencional de la válvula de escape mediante un árbol de levas. Se conocen diferentes tipos de actuadores adecuados para usar como actuadores 17, 20 y, por tanto, no se describen en detalle aquí. Un inyector 23 está dispuesto para inyectar combustible en el volumen 14 de compresión variable.
El motor y el dispositivo comprenden además un sistema 21 de control del motor que, basándose en la necesidad actual de potencia del motor, determina cuándo debe abrirse y cerrarse la válvula 19 de admisión y también a qué tamaño debe ajustarse el volumen 14 de compresión para que la temperatura en los gases de escape en el momento de la evacuación, es decir, cuando se abre la válvula 18 de escape, sea suficientemente alta para proporcionar y mantener la función de limpieza prevista del postratamiento de gases de escape (SCR, por ejemplo). El sistema 21 de control del motor está configurado para, usando las funciones para VVT y VCR (es decir, controlando los tiempos de apertura y cierre de la válvula de admisión y la posición del pistón 16 secundario usando los actuadores 17, 20), controlar la presión del cilindro, con cargas del motor que asciendan al 25% o menos de la carga máxima del motor, para alcanzar la presión atmosférica actual, o caer por debajo de la presión atmosférica actual, antes de que el pistón 12 alcance el punto muerto inferior. El sistema 21 de control del motor está configurado, además, usando el actuador 20, para controlar la válvula 19 de admisión para que se abra cuando la presión del cilindro alcance la presión atmosférica actual, o caiga por debajo de la presión atmosférica actual, mediante lo cual se introducirá aire.
En la figura, se ilustra cuando el pistón 12 está Justo por encima del punto muerto inferior, es decir, durante el final de la carrera de trabajo. Por medio del control del sistema 21 de control del motor, la presión del cilindro está por debajo de la presión atmosférica actual en este momento. Tanto la válvula de admisión como la de escape, 18, 19, están abiertas de manera que se introduzca aire a través de la válvula de admisión y se introduzcan gases de escape calientes a través de la válvula de escape (ver las flechas en la figura). El aire que se introduce a través de la válvula de admisión se calienta mediante intercambio de calor con los gases de escape mediante un intercambiador 22 de calor (ilustrado esquemáticamente).
Cuando el pistón 12 finalmente comienza su movimiento hacia arriba (después del punto muerto inferior), la válvula 19 de admisión se cierra, mientras que la válvula 18 de escape se mantiene abierta para evacuar los gases de combustión (durante la carrera de escape).
La invención no se limita a las realizaciones descritas anteriormente, pero se pueden hacer modificaciones dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, el volumen de compresión variable y la sincronización variable de válvulas se pueden realizar de muchas maneras diferentes y con muchos tipos diferentes de actuadores (neumáticos, hidráulicos, eléctricos). Tampoco es necesario configurar necesariamente el sistema de control del motor para que opere exactamente como se describió anteriormente. Por ejemplo, no es necesario que la válvula de escape y la válvula de admisión estén abiertas simultáneamente, pero la válvula de admisión puede abrirse y cerrarse antes de que se abra la válvula de escape.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Método para proporcionar una temperatura de escape aumentada y emisiones más bajas con cargas parciales del motor que ascienden al 25% o menos de la carga máxima del motor en un motor diésel, comprendiendo dicho motor al menos un cilindro con un pistón alternativo, tiene un volumen de compresión variable, VCR, y al menos una válvula de escape y al menos una válvula de admisión, estando provista la válvula de admisión de sincronización variable de válvulas, VVT, en donde un sistema de control del motor, basado en la necesidad actual de potencia del motor, determina (1) cuándo se abre y se cierra la válvula de admisión, y a qué tamaño se debe ajustar el volumen de compresión para que la temperatura de los gases de escape en la evacuación sea suficientemente alta para la función de limpieza prevista del presente postratamiento de gases de escape, caracterizado por que el sistema de control del motor, usando las funciones para VVT y VCR, con cargas del motor que ascienden al 25% o menos de dicha carga máxima del motor, controla (2) la presión del cilindro durante la carrera de trabajo para alcanzar la presión atmosférica actual, o caer por debajo de la presión atmosférica actual, antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior, en donde la válvula de admisión se abre (4) cuando dicha presión del cilindro alcanza dicha presión atmosférica actual, o cae por debajo de dicha presión atmosférica actual, para introducir aire que se mezclará con los gases de combustión.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado por que el aire introducido se calienta (3) mediante gases de escape en un intercambiador de calor.
3. Método según la reivindicación 1 y 2, caracterizado por que se abre (4) la válvula de entrada para introducir aire en relación con el inicio de la evacuación de los gases de escape.
4. Dispositivo para proporcionar una temperatura de escape aumentada y emisiones más bajas con cargas parciales del motor diésel, comprendiendo dicho motor al menos un cilindro (11) con un pistón (12) alternativo, que permite un volumen (14) de compresión variable, VCR, y al menos una válvula (18) de escape y al menos una válvula (19) de admisión, estando provista la válvula de admisión de sincronización variable de válvulas, VVT, en donde el dispositivo comprende un sistema (21) de control del motor que, basado en la necesidad actual de potencia del motor, determina cuándo se abre y se cierra la válvula (19) de admisión, y también a qué tamaño se debe ajustar el volumen (14) de compresión para que la temperatura de los gases de escape en la evacuación sea suficientemente alta para la función de limpieza prevista del presente postratamiento de gases de escape, y para llevar a cabo el método según la reivindicación 1, caracterizado por que el sistema (21) de control del motor esté configurado para, usando las funciones para VVT y VCR, controlar la presión del cilindro para, con cargas del motor que asciendan al 25% o menos de la carga máxima del motor, alcanzar la presión atmosférica actual, o caer por debajo de la presión atmosférica actual, antes de que el pistón alcance el punto muerto inferior, y para controlar que se abra la válvula (19) de admisión cuando dicha presión del cilindro alcance dicha presión atmosférica actual, o caiga por debajo de dicha presión atmosférica actual, mediante lo cual se introducirá aire.
5. Dispositivo según la reivindicación 4, que comprende además un intercambiador (22) de calor dispuesto para elevar la temperatura de dicho aire que se introduce a través de la válvula (19) de admisión cuando dicha presión del cilindro alcance dicha presión atmosférica actual, o caiga por debajo de dicha presión atmosférica actual.
6. Dispositivo según la reivindicación 4 o 5, en donde dicho sistema (21) de control del motor está configurado para controlar la válvula (19) de admisión de modo que se abra cuando la presión del cilindro alcance la presión atmosférica actual, o caiga por debajo de la presión atmosférica actual, y en conexión con el inicio de evacuación de gases de escape.
7. Motor diésel que comprende al menos un cilindro (11) con pistón (12) alternativo, un volumen (14) de compresión variable, VCR, y al menos una válvula (18) de escape y al menos una válvula (19) de admisión, estando provista la válvula de admisión de sincronización variable de válvulas, VVT, y un dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 4-6.
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