ES2960688T3 - Funcionamiento de un motor de encendido por compresión alimentado con una combinación de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno - Google Patents

Funcionamiento de un motor de encendido por compresión alimentado con una combinación de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno Download PDF

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Abstract

La invención se refiere a un método para operar un motor de encendido por compresión (10) alimentado con una combinación de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno. El método comprende: durante un arranque en frío, alimentar el motor con el combustible de hidrocarburos solo, o con el combustible de hidrocarburos y una proporción reducida de hidrógeno en comparación con condiciones de funcionamiento en caliente, y aumentar la proporción de hidrógeno utilizado para alimentar el motor a medida que se calienta. mientras corres. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Funcionamiento de un motor de encendido por compresión alimentado con una combinación de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno
La invención aborda los problemas observados durante el funcionamiento en frío de un motor alimentado con una mezcla de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno.
Existen potentes incentivos económicos y sociales para reducir el consumo de combustibles basados en hidrocarburos en motores de combustión interna. Se cree que la liberación de carbono por su combustión es un contribuyente principal al calentamiento global. Los recursos de petróleo crudo de la tierra son finitos y su extracción daña el medio ambiente de varias maneras.
El hidrógeno se ha propuesto durante mucho tiempo como un sustituto de los combustibles basados en hidrocarburos y la atención actual en la reducción de la liberación de carbono a la atmósfera solamente ha aumentado su atractivo a este respecto. No obstante, debido a varios motivos técnicos y sociales, la adopción generalizada del uso del hidrógeno como combustible de vehículos no ha tenido lugar en el momento de escribir esta memoria.
Es conocido que alimenta motores de combustión interna con una mezcla controlada de hidrógeno y un combustible de hidrocarburo. En algunos casos, el hidrógeno se usa en una pequeña proporción para el control de emisiones nocivas en el escape del motor. En otros, se usa una proporción mucho mayor de hidrógeno para reducir sustancialmente el consumo del combustible de hidrocarburo. US 2010/229838 A1 describe un motor de combustible dual que arranca como un motor de encendido por compresión convencional utilizando combustible diésel. Se añade hidrógeno después de que el motor se ha calentado, ya sea cambiando directamente a un funcionamiento con hidrógeno, o inyectando primero el combustible diésel durante la carrera de compresión e hidrógeno durante la carrera de explosión.
Este enfoque de combustible dual tiene numerosas ventajas potenciales. Es posible adaptar los motores de combustión interna existentes, especialmente los motores de encendido por compresión alimentados convencionalmente con diésel, para usar una mezcla de hidrógeno/hidrocarburo. No puede usarse únicamente hidrógeno para alimentar un motor diésel, ya que no experimenta encendido por compresión. El componente diésel proporciona las características de encendido por compresión necesarias y sirve para encender el hidrógeno. Sin embargo, es posible disminuir en gran medida el consumo de diésel. El hidrógeno presenta una baja densidad energética por unidad de volumen, de modo que los motores alimentados únicamente con hidrógeno suministran una baja potencia máxima en relación con su cilindrada. Pero en un motor alimentado con hidrógeno/diésel dual, la mezcla puede ajustarse según los requisitos de potencia. La proporción de hidrógeno usado puede maximizarse cuando la potencia requerida del motor es modesta, y cuando se exige una alta potencia, la proporción de diésel puede aumentar, de modo que no es necesario que el rendimiento se resienta. Normalmente, el motor puede funcionar únicamente con diésel cuando es necesario, de modo que el vehículo no depende de un acceso frecuente a una fuente de hidrógeno (lo que, en la actualidad, sería problemático, ya que las estaciones de repostaje capaces de suministrar hidrógeno no están disponibles uniformemente).
En el proceso de desarrollo de un motor alimentado con hidrógeno/diésel dual, los inventores encontraron un problema práctico relacionado con el funcionamiento en frío del motor. Se descubrió, sorprendentemente, que cuando el motor estaba frío, en el período inmediatamente después del arranque, la adición de hidrógeno al combustible hizo que el motor se calara. Esto fue inicialmente un hallazgo desconcertante, ya que el hidrógeno tiene una baja energía de encendido y podría pensarse que su adición a la mezcla favorecería así el encendido del combustible.
Según la presente invención, se usa un método para hacer funcionar un motor de encendido por compresión alimentado con una combinación de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno y que tiene al menos una cámara de combustión dotada de una bujía de precalentamiento, comprendiendo el método, durante un arranque en frío: activar la bujía de precalentamiento;
alimentar el motor con el combustible de hidrocarburo únicamente durante el arranque;
desactivar la bujía de precalentamiento cuando una temperatura de motor detectada alcanza un valor umbral predeterminado que está por debajo de una temperatura de funcionamiento de motor normal;
después de la desactivación de la bujía de precalentamiento, implementar un retardo antes del comienzo del suministro de hidrógeno al motor, durante el cual el motor continúa siendo alimentado con el combustible de hidrocarburo únicamente; después del retardo, comenzar el suministro de hidrógeno al motor; y
aumentar progresivamente la proporción de hidrógeno con respecto al combustible de hidrocarburo a lo largo del tiempo a medida que el motor se calienta mientras funciona.
A continuación, se describirá una realización específica de la presente invención, solo a manera de ejemplo, con referencia a la figura adjunta, que es una representación esquemática de partes de un motor que puede funcionar según la invención.
La realización de la invención descrita en la presente descripción se implementa en un motor de combustión interna de encendido por compresión y, específicamente, un motor diésel 10, representado en una forma altamente esquemática en la figura, que tiene un colector 12 de entrada de aire, un escape 14 y un conjunto de inyectores 16 de combustible asociados con las respectivas cámaras 18 de combustión, mostrándose solamente una de las mismas en las figuras. El combustible diésel se extrae de un tanque 20 y se suministra a los inyectores 16. El hidrógeno se almacena en un recipiente 21 a presión en forma líquida o gaseosa y a alta presión (que, únicamente a manera de ejemplo, puede estar en el intervalo de 35 a 70 MPa), y se suministra al colector de entrada de aire del motor a través de una unidad reguladora 22 usada para regular la presión de hidrógeno suministrada. El inyector 23 de hidrógeno suministra el hidrógeno y el combustible diésel para el encendido se suministra a través del inyector 16.
El funcionamiento del motor está bajo el control de un sistema de procesamiento electrónico representado en el dibujo como una ECU (Electronic Control Unit [Unidad de control electrónico]) 24. Las conexiones de control de la ECU 24 no están representadas en las figuras por motivos de simplicidad, aunque la ECU sirve, en respuesta a los datos de entrada de una gama de sensores, para controlar, entre otros elementos:
la unidad reguladora 22 y el inyector 23 de hidrógeno y, a través del mismo, la cantidad de hidrógeno suministrado a las cámaras 18 de combustión;
los inyectores 16 de combustible y, a través de los mismos, la cantidad de diésel suministrado a las cámaras 18 de combustión; y
bujías 26 de precalentamiento asociadas con las cámaras 18 de combustión.
La ECU regula el suministro de diésel e hidrógeno para lograr (a) una entrada deseada de energía de combustible al motor, que varía según factores que incluyen la demanda de potencia del conductor, y (b) un equilibrio deseado entre la alimentación de diésel y de hidrógeno.
Las bujías 26 de precalentamiento facilitan el arranque del motor cuando el motor está frío, como es bien conocido en relación con los motores diésel convencionales. El hidrógeno no se inyecta mientras las bujías de precalentamiento están activas, ya que las bujías de precalentamiento encenderían el hidrógeno prematuramente, incluso en ausencia de compresión por parte de los pistones del motor, con un riesgo de reflujo de llama (flashback) en el colector de admisión. Por lo tanto, un proceso posible para un arranque en frío consiste en activar las bujías de precalentamiento y alimentar el motor con diésel únicamente durante el arranque, desactivar a continuación las bujías de precalentamiento y comenzar el suministro de hidrógeno con el diésel.
Sin embargo, en ensayos prácticos de motores del tipo ilustrado, los inventores han descubierto que, al seguir este proceso, la adición de hidrógeno a la mezcla de combustible bajo hace que el motor se cale. Esto originalmente fue una gran sorpresa, ya que el hidrógeno se enciende fácilmente y podría pensarse que facilitaría el funcionamiento en frío.
En busca de una explicación y una solución, se usaron simulaciones numéricas para explorar la distribución de calor en la cámara de combustión. No se pretende limitar el alcance de la presente invención haciendo referencia a cualquier explicación teórica, y la eficacia de la invención se ha confirmado mediante ensayos prácticos. Pero existe una hipótesis de trabajo de que el hidrógeno tiende a apagar la combustión debido a que tiene una alta conductividad térmica. En el período después del arranque, el bloque del motor está relativamente frío. Forma un depósito térmico capaz de recibir calor de la cámara de combustión. El hidrógeno, debido a su conductividad térmica, forma una ruta para que el calor fluya desde la zona de combustión, a través de las paredes de la cámara de combustión, al bloque del motor, y así provoca que las temperaturas en la zona de combustión se reduzcan. El diésel es el que experimenta encendido por compresión y hace que la mezcla de combustible en su conjunto se encienda. Si el diésel no alcanza la temperatura necesaria, el encendido se apaga, a pesar de la baja energía de encendido del hidrógeno.
El problema no apareció en condiciones de funcionamiento normales, cuando el bloque del motor se ha calentado por la combustión del combustible, ya que la diferencia de temperatura entre el bloque del motor y la zona de combustión se reduce entonces en gran medida y la conducción de calor desde la zona de combustión por el hidrógeno se reduce correspondientemente.
Por lo tanto, si bien el problema podría resolverse alimentando el motor con diésel únicamente hasta que el motor ha alcanzado su temperatura de funcionamiento normal, esto no resulta una solución atractiva, ya que aumentaría el consumo de diésel y reduciría los beneficios de la alimentación dual, especialmente cuando un vehículo se usa para viajes cortos, resultando alimentado totalmente o en gran medida con diésel.
La ECU está programada para controlar el arranque y la alimentación de la siguiente manera.
En el arranque, el motor se alimenta con diésel únicamente. Si el motor está equipado con bujías 26 de precalentamiento y las condiciones lo requieren, se pueden activar las bujías de precalentamiento. La alimentación únicamente con diésel continúa hasta que la temperatura de motor medida alcanza un valor umbral. En la presente realización, la ECU recibe una señal de un sensor sensible a la temperatura del refrigerante del motor, y el valor umbral es un valor de la temperatura del refrigerante detectada. La temperatura umbral está muy por debajo de una temperatura de funcionamiento normal.
Cuando la temperatura de motor medida alcanza el valor umbral, las bujías de precalentamiento se desactivan. Se implementa un retardo antes de que comience el suministro de hidrógeno. El retardo puede especificarse como un número seleccionado de ciclos de motor.
Después del retardo, comienza el suministro de hidrógeno. Esto sucede antes de que el motor haya alcanzado su temperatura de funcionamiento en caliente. Para evitar el apagado de la combustión, la proporción de hidrógeno con respecto al diésel se reduce en este punto, en comparación con la proporción que se suministraría según la estrategia de control de funcionamiento en caliente de la ECU.
La proporción de hidrógeno aumenta a continuación progresivamente a medida que el motor se calienta. Más específicamente, la ECU cuenta los ciclos del motor, y aumenta la proporción de hidrógeno en función del número de ciclos del motor desde el comienzo del suministro de hidrógeno. Se ha descubierto que esto es más eficaz que aumentar la proporción de hidrógeno en función de la temperatura del refrigerante medida, ya que la temperatura del refrigerante no es necesariamente un buen indicador de temperatura en el bloque del motor y especialmente en las zonas de combustión del motor. Sin embargo, sería posible aumentar la proporción de hidrógeno en función de una temperatura de motor detectada, o tener en cuenta otros factores, tales como la alimentación del motor, en el cálculo.
El motor en cuestión aquí se debe alimentar con una alta proporción de hidrógeno. La contribución de energía del hidrógeno típicamente está en la región del 70-95 % cuando se alcanzan las condiciones de funcionamiento en caliente, y mientras que la demanda de potencia es moderada. Como se mencionó anteriormente, se puede usar una mayor proporción de diésel para satisfacer una demanda de alta potencia por parte del conductor.

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    i.Un método para hacer funcionar un motor (10) de encendido por compresión alimentado con una combinación de un combustible de hidrocarburo e hidrógeno y que tiene al menos una cámara (18) de combustión dotada de una bujía (26) de precalentamiento, comprendiendo el método, durante un arranque en frío:
    activar la bujía (26) de precalentamiento;
    alimentar el motor (10) con el combustible de hidrocarburo únicamente durante el arranque; desactivar la bujía (26) de precalentamiento cuando una temperatura de motor (10) detectada alcanza un valor umbral predeterminado que está por debajo de la temperatura de funcionamiento de motor (10) normal;
    después de la desactivación de la bujía (26) de precalentamiento, implementar un retardo antes del comienzo del suministro de hidrógeno al motor (10), durante el cual el motor (10) continúa siendo alimentado con el combustible de hidrocarburo únicamente;
    después del retardo, comenzar el suministro de hidrógeno al motor (10); y
    aumentar progresivamente la proporción de hidrógeno con respeto al combustible de hidrocarburo a lo largo del tiempo a medida que el motor (10) se calienta mientras está en funcionamiento.
  2. 2. Un método según la reivindicación 1, en donde el suministro de hidrógeno comienza después de que se alcanza un segundo valor umbral de temperatura de motor (10) detectada.
  3. 3. Un método según la reivindicación 2, en donde el segundo valor umbral de temperatura es inferior al 60 % de la temperatura de funcionamiento en caliente.
  4. 4. Un método según la reivindicación 3, en donde la temperatura de motor (10) detectada es la temperatura del refrigerante del motor (10).
  5. 5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde, después del comienzo del suministro de hidrógeno, la proporción de hidrógeno en el combustible aumenta en función de los ciclos del motor (10) desde el comienzo.
  6. 6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde, durante el funcionamiento en caliente, el hidrógeno constituye al menos el 65 % del contenido de energía del combustible durante al menos parte del tiempo.
  7. 7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el combustible de hidrocarburo es diésel.
  8. 8. Una ECU para un motor (10) programada para implementar un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
  9. 9. Un producto de programa informático para ejecutar en un ordenador que comprende instrucciones que, cuando el programa se ejecuta en un controlador de motor para un motor (10), hace que el controlador de motor haga funcionar el motor (10) según un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.
  10. 10. Un motor (10) de combustión interna de encendido por compresión que comprende al menos un inyector para suministrar un combustible de hidrocarburo a al menos una cámara de combustión y un suministro de hidrógeno para suministrar una cantidad controlada de hidrógeno a una entrada de aire que conduce a la cámara de combustión, estando dotada al menos una cámara de combustión de una bujía (26) de precalentamiento, teniendo el motor (10) un controlador electrónico configurado para implementar un proceso de arranque en frío que comprende:
    activar la bujía (26) de precalentamiento;
    alimentar el motor (10) con el combustible de hidrocarburo únicamente durante el arranque; desactivar la bujía (26) de precalentamiento cuando una temperatura de motor (10) detectada alcanza un valor umbral predeterminado que está por debajo de la temperatura de funcionamiento de motor (10) normal;
    después de la desactivación de la bujía (26) de precalentamiento, implementar un retardo antes del comienzo del suministro de hidrógeno al motor (10), durante el cual el motor (10) continúa siendo alimentado con el combustible de hidrocarburo únicamente;
    después del retardo, comenzar el suministro de hidrógeno al motor (10); y
    aumentar progresivamente la proporción de hidrógeno con respeto al combustible de hidrocarburo a lo largo del tiempo a medida que el motor (10) se calienta mientras está en funcionamiento.
  11. 11. Un motor (10) según la reivindicación 10, en donde el motor (10) se alimenta con el hidrocarburo únicamente durante un arranque en frío, y en donde el suministro de hidrógeno comienza después de que se alcanza un valor umbral de temperatura de motor (10) detectada.
  12. 12. Un motor (10) según la reivindicación 11, en donde el valor umbral de temperatura es inferior al 60 % de la temperatura de funcionamiento en caliente.
  13. 13. Un motor (10) según la reivindicación 11 o la reivindicación 12, en donde, después del comienzo del suministro de hidrógeno, la proporción de hidrógeno en el combustible aumenta en función de los ciclos del motor (10) desde el comienzo.
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