MXPA05003204A - Metodos y aparatos para operacion de motores de combustible multiple. - Google Patents

Metodos y aparatos para operacion de motores de combustible multiple.

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Abstract

Se describen metodos y aparatos para operaciones de un motor de combustible multiple, que corre sobre una combinacion de dos o mas combustibles. Una unidad de control electronica (ECU) puede ser conectada a los componentes existentes de un sistema de motor con el fin de controlar la operacion de los motores de combustible multiple. El sistema de motor puede ser mecanicamente gobernado o electronicamente controlado. Las entradas del ECU que operan las caracteristicas del sistema de motor, determinan las caracteristicas de gobierno para operacion de combustible multiple con base en las caracteristicas de gobierno. En una modalidad preferida, un motor de combustible doble opera utilizando diesel como primer combustible y gas natural como un segundo combustible. Las caracteristicas operativas pueden incluir la velocidad del motor, posicion del regulador, temperatura de escape del motor, presion del gas del segundo combustible, temperatura del gas del segundo combustible, presion de incremento de un multiple de entrada, o temperatura refrigerante del motor.

Description

MÉTODOS Y APARATOS PARA OPRRACION DE MOTORES DE COMBUSTIBLE MÚLTIPLE CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con métodos y aparatos para operar un motor de combustible múltiple que utiliza una unidad de control electrónica (ECU) . El sistema de combustible múltiple puede ser aplicado a motores gobernados mecánicamente o controlados electrónicamente. En una modalidad, un motor de combustión interna está cubierto en un sistema de motor de combustible doble que opera sobre una combinación de dos combustibles. En una modalidad particular, el diesel es utilizado como el primer combustible, y el gas natural como el segundo combustible.
INFORMACIÓN ANTECEDENTE Los problemas de polución del aire inherentes a la operación de mototes de combustión interna con combustible de gasolina y combustible de aceite diesel son bien conocidos. Por esta razón varios dispositivos de control de emisión están actualmente en uso, y pueden ser requeridos por la reglamentación federal con el fin de reducir la cantidad de contaminantes descargados a la atmósfera por los motores de combustión interna. Estos dispositivos de control de emisión, sin embargo, solo remueven una porción de los contaminantes y están sometidos al deterioro con el paso del tiempo. También, ellos a menudo impiden que los motores operen con eficiencias pico. El gas natural es también algunas veces utilizado como combustible para motores de combustión interna. Este tiene la capacidad de producir menos contaminantes por combustión y disminuir los costos de operación del motor sin dispositivos de control de emisión compleja, y su uso reduce la proporción de consumo de combustible fósil mundial . En razón a que la infraestructura de transporte actual no incluye gran número de abastecedores al detal distribuidos ampliamente de gas natural para vehículos, ha sido impráctico producir vehículos que sean solamente abastecidos de combustible mediante combustibles gaseosos similares al gas natural debido a varias limitaciones. Es más práctico equipar los vehículos con un suministro tanto de combustible líquido tal como combustible de gasolina o diesel y un suministro auxiliar de combustible gaseoso tal como gas natural. Para hacer eso eficientemente se prefiere que sea hecho tan poco reajuste como sea posible a los sistemas y configuraciones de toma de combustible existentes .
Varios sistemas han sido desarrollados para mezclar combustibles gaseosos con combustibles líquidos. Por ejemplo, se han diseñado sistemas que suspenden combustible gaseoso a través de una válvula de medición de gas en aire abastecido al múltiple de entrada de aire de un motor diesel . Esta combinación de aire y combustible es luego mezclada con el combustible diesel antes de la combustión. Ejemplo de este tipo de sistemas es aquel mostrado en la Patente U.S. No. 4,463,734. En razón a que estos sistemas controlan el flujo de combustible gaseoso mediante el volumen de aire que entra al motor, existe combustible gaseoso directo y constante para la proporción de combustible diesel. Sin embargo, en razón a que diferentes condiciones de carga pueden ocurrir a varias velocidades del motor, este tipo de sistema no siempre suministra una mezcla que de como resultado una eficiencia máxima. La Patente U.S. No. 5,370,097, que se incorpora aquí como referencia, describe un sistema para controlar un flujo de combustible gaseoso y el flujo de combustible líquido en un motor de combustión interna para incrementar la eficiencia y la salida.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN De acuerdo con una modalidad de la presente invención, un sistema de motor es convertido a un motor de combustible múltiple que opera sobre una combinación de dos o más combustibles. De acuerdo con otra modalidad, el motor de combustible múltiple se proporciona como equipo original en varios tipos de vehículos. El sistema de combustible múltiple puede ser aplicado a motores gobernados mecánicamente o controlados electrónicamente. En una modalidad preferida, el sistema de combustible múltiple opera sobre diesel como un primer combustible y el gas natural como un segundo combustible. Un aspecto de la presente invención es suministrar una unidad de control electrónica (ECU) para un motor de combustible múltiple. El ECU es capaz de ingresar las características de operación del sistema de motor y controlar las cantidades de un primer y segundo combustible para suministrarlo al sistema de motor con base en al menos una de las características de operación. Las características de operación pueden incluir presión de gas del segundo combustible, temperatura de gas del segundo combustible, presión de incremento de un múltiple de entrada y/o temperatura del refrigerante del motor.
Otro aspecto de la presente invención es suministrar un método para controlar el suministro de combustible a un motor de combustible múltiple. El método incluye suministrar un ECU, que ingresa características de operación de un sistema de motor, y controlar las cantidades de un primer y segundo combustible para suministrarlo al motor con base en al menos una de las características de operación. Un aspecto adicional de la presente invención es suministrar un método para calibrar un ECU para un motor de combustible múltiple. El método incluye ingresar las características de operación de un sistema de motor al ECU, determinar las características de gobierno para la operación del combustible con base en las características de operación, y controlar las cantidades de un primer y segundo combustible para suministrarlo al motor con base en las características de gobierno. Otro aspecto de la presente invención es suministrar un método para convertir un sistema de motor de un vehículo a un motor de combustible múltiple. El método incluye instalar un ECU. En una modalidad particular, el método comprende además montar un tanque de almacenamiento para un segundo combustible e instalar una segunda línea de combustible en comunicación de flujo entre el tanque de almacenamiento para el segundo combustible y el motor. Un aspecto adicional de la presente invención es suministrar un motor de combustible múltiple, que comprende un motor, un tanque de almacenamiento para un primer combustible, una primer línea de combustible en comunicación de flujo entre el tanque de almacenamiento para el primer combustible y el motor, un tanque de almacenamiento para un segundo combustible, una segunda línea de combustible en comunicación de flujo entre el tanque de almacenamiento para el segundo combustible y el motor, y un ECU. Otro aspecto de la presente invención es suministrar un software de control u otros tipos de medios legibles por computadora tales como la memoria de acceso aleatorio de computadora para operar un motor de combustible múltiple. Estos y otros aspectos de la presente invención serán más evidentes de la siguiente descripción.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es un gráfico de velocidad de motor (r.p.m) contra la posición del regulador para un motor mecánicamente gobernado.
La figura 2 es un diagrama esquemático de un motor con combustible doble convertido a partir de un sistema de motor mecánicamente gobernado. La figura 3 es un diagrama esquemático de un ECU para conversión de un sistema de motor mecánicamente gobernado a un motor de combustible doble. La figura 4 es un diagrama esquemático de un motor de combustible doble convertido a partir de un sistema de motor electrónicamente controlado. La figura 5 es un diagrama esquemático de un ECU para la conversión de un sistema de motor electrónicamente controlado a un motor de combustible doble. La figura 6 es un diagrama esquemático que describe la estructura del hardware de un ECU. Las figuras 7a-7c son diagramas de flujo que muestran la estructura del software total ECU para el motor mecánicamente gobernado. La figura 8 es un diagrama de flujo que muestra el ejecutivo de fondo del software ECU para un motor mecánicamente gobernado. La figura 9 es un diagrama de flujo que muestra el ejecutivo de control del software ECU para un motor mecánicamente gobernado.
La figura 10 es un diagrama de flujo que muestra la conversión análogo/digital (A/D) del software ECU para un motor mecánicamente gobernado. La figura 11 es un diagrama de flujo que muestra la conversión de la velocidad del motor para un motor mecánicamente gobernado. La figura 12 es un diagrama de flujo que muestra la función de control del combustible de gas del software ECU para un motor mecánicamente gobernado. La figura 13 es un diagrama esquemático que describe el pulso del inyector. La figura 14 es un mapa piloto diesel de suministro diesel versus vacío. La figura 15 es un diagrama de flujo que muestra la estructura del software total ECU específica para un sistema electrónicamente controlado.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Una modalidad de la presente invención suministra métodos y aparatos para convertir sistemas de motor en motores de combustible múltiple, que operan en una combinación de dos o más combustibles. Por ejemplo, Un motor de combustible doble puede operar utilizando un "primer combustible" y un "segundo combustible" . En el modo de combustible doble, el motor corre al combinar el primer y segundo combustible, de otra parte, el motor corre en el modo de combustible simple utilizando el primer combustible solo. En una modalidad preferida, un motor de combustible doble opera utilizando diesel como el primer combustible y gas natural como el segundo combustible. Aunque las modalidades descritas aquí se enfocan en el uso del diesel y gas natural, cualquier combustible gaseoso o líquido adecuados pueden ser utilizados para cualquiera de los combustibles, incluyendo los basados en petróleo y los combustibles no basados en petróleo. Las modalidades descritas aquí se enfocan en el uso de una unidad de control electrónica (ECU) para la conversión de un sistema de motor existente en un motor de combustible múltiple. El "sistema de motor" incluye todas las partes de motor existentes, bombas, tanques de combustible, dispositivos de medición, válvulas, y otros componentes que se requieren para construir un motor de combustible múltiple y que no están incluidas como partes del ECU. Para un motor electrónicamente controlado, el sistema de motor también incluye un controlador fabricante de equipo original (OEM) . Típicamente, el proceso de conversión no modifica el motor existente, que mantiene sustancialmente la misma potencia y desempeño de torque. En su lugar, el ECU está conectado al sistema de motor existente para manejar el suministro de combustible para una potencia confiable y un control de emisión en un amplio rango de condiciones de operación. Por ejemplo, el motor puede correr completamente con diesel (el "primer combustible") hasta que un interruptor indica que el modo de combustible múltiple se desea. Cuando el interruptor se enciende, el ECU opera para suministrar gas natural suficiente (el "segundo combustible") para correr el motor y la cantidad mínima de combustible diesel requerida para iniciar la combustión (es decir, la cantidad mínima requerida para prender el piloto del gas natural) . Ajustando las cantidades de diesel y gas natural suministrados al motor, el ECU se esfuerza en minimizar las emisiones aunque maximizando el desempeño. El sistema de motor existente puede ser mecánicamente gobernado o electrónicamente controlado. Para un motor mecánicamente gobernado, el ECU incluye múltiples sensores que registran las "características operativas" del sistema de motor, que puede incluir la velocidad del motor (r.p.m), la temperatura del motor (o escape) , la posición del regulador, la presión del gas del segundo combustible, la temperatura del gas del segundo combustible, la presión incrementada de toma del inyector diesel y/o la temperatura del refrigerante. Para un motor electrónicamente controlado, el ECU puede recibir entradas para tales características operativas. Sin embargo, en lugar de sensores dedicados, al menos algunas de las entradas de las características de operación pueden venir directamente del controlador OEM existente. Con base en estas características de operación, el ECU puede calibrase así mismo al determinar las "características de gobierno" del motor de combustible múltiple en un proceso conocido como "mapeo" . Las características de gobierno son los parámetros del motor que definen el desempeño del sistema de combustible múltiple y corresponden a cada característica de operación registrada. Así, para una característica operativa tal como la velocidad del motor, el ECU mapea una característica de gobierno correspondiente para la velocidad del motor que define la operación de combustible doble. El ECU utiliza entonces las características de gobierno para determinar cuando ajustar el suministro de cada combustible o mediante que cantidad. La proporción objetivo a máxima carga y torque es, por ejemplo, 80% de gas natural y 20% de diesel. Alrededor de esta proporción objetivo, el gas nocivo se reduce significativamente y el humo visible es virtualmente eliminado.
El ECU puede ser instalado sin remover el gobernador mecánico existente. Como resultado, las características de gobierno de velocidad se deben programar cercanas a, pero no mayores de, las características de operación de velocidad del gobernador mecánico. En otras palabras, el ECU preferiblemente controla la velocidad del motor durante la operación del combustible múltiple a un r.p.m cercano pero que no exceda el r.p.m del gobernador mecánico, como se muestra en la figura 1. Esto evita que el gobernador mecánico fallezca durante la operación de combustible múltiple y suspenda el suministro del primer combustible, por ejemplo, diesel, una condición conocida como sobrecarga de motor. La figura 2 es un diagrama esquemático de un sistema de motor de combustible doble que fue convertido a partir de un motor mecánicamente gobernado. Como se muestra, el sistema de combustible doble 10 se utiliza para suministrar un primer combustible (por ejemplo combustible diesel) solo o en combinación con un segundo combustible (por ejemplo gas natural comprimido) a un motor de combustión interna 11 que tiene inyectores de combustible 12. Los inyectores de combustible 12 inyectan combustible directamente a los cilindros del motor. En la figura 2, el primer combustible es diesel mientras el segundo combustible es gas natural comprimido (CNG) . Sin embargo, cualquier combustible adecuado puede ser utilizado para el primer y segundo combustibles . El sistema 10 incluye un tanque de almacenamiento de gas a alta presión 15 que suministra CNG a través de un conducto 16 a un mezclador de aire/gas 17 montado para inducir el gas natural hacia dentro de una corriente de aire que entra en la toma de aire del motor 11. El mezclador de aire/17 puede ser un mezclador convencional tal como el modelo SP4D de Combustión Lab's Inc. de Riverdale, GA. Una válvula de corte de alta presión 19, un regulador de presión 20, una válvula de corte de baja presión 21 y un accionador de medición de combustible 22 están acoplados en serie con el conducto 16 entre el tanque 15 y el mezclador 17 para controlar el flujo de gas natural. El regulador de presión 20 produce la presión del gas natural a una presión seleccionada, dependiendo del tipo y tamaño del motor utilizado con el sistema 10. El accionador de medición de combustible 22 puede ser cualquier accionador adecuado tal como el modelo DYNK 10322-800 de Barber Colman Company de Loves Park, IL. El aire de ambiente filtrado es suministrado en el mezclador 17 a través de un conducto 24.
El sistema 10 también incluye un tanque de almacenamiento de combustible diesel 27 acoplado a una bomba de combustible 28 que suministra combustible diesel a través de un conducto 29 a los inyectores de combustible del motor 12. La bomba de combustible 28 es típicamente manejada por el motor, y su salida está relacionada con la velocidad del motor. La bomba de combustible 28 tiene un gobernador mecánico convencional (no mostrado) , una palanca de corte 31 y un regulador 32. La palanca de corte 31 se puede utilizar para limitar el flujo del combustible diesel bombeado por la bomba 28 tal como lo hace el regulador 32. El uso efectivo de los dos reguladores se puede emplear para evitar que el combustible diesel entre al motor cuando el motor no está operando. El regulador 32 está acoplado a un pedal de acelerador 33 mediante un cable movible 34. Un sensor de acelerador 37 se emplea para sensibilizar la posición del pedal del acelerador manual 33 y de esta manera el regulador 32. El tanque 27, la bomba 28, el conducto 29, el regulador 32, la palanca de corte 31, el pedal del acelerador 33 y el cable 31 pueden ser equipo estándar en automóviles que tienen motores diesel. Los componentes existentes son convertidos a un sistema de motor de combustible doble a través del uso de un ECU 45. El sensor de temperatura del refrigerante de motor 38, un sensor de velocidad de motor o r.p.m 39, y un sensor de temperatura de escape 40 se pueden acoplar con el motor 11 y con el ECU 45 por medio de líneas de señal 41, 42 y 43, respectivamente. Un sensor de presión de gas 46 y un sensor de temperatura de gas 47 se pueden acoplar con el suministro de gas 16 y con el ECU 45 por medio de líneas de señal 48 y 49, respectivamente. Un sensor de presión incrementada 50 se puede acoplar con la toma del múltiple inyector 12 y con el ECU 45 por medio de la línea de señal 51. El ECU 45 está acoplado al accionador de control de combustible diesel 52 mediante la línea de salida de señal 53 y una línea de retroalimentación 54. El accionador de control de combustible diesel 52 está a su vez mecánicamente acoplado a la palanca de corte 31 mediante un cable 55. Un selector de combustible bi -posicional 56 se suministra el cual está acoplado al ECU 45 mediante una línea de señal 57. El ECU 45 también está acoplado tanto a las válvulas de corte 19 como 21 mediante la línea de control 57, al accionador de medición de combustible 22 mediante una línea de control 58 y mediante la línea de retroalimentación 59, y finalmente con el sensor del acelerador 37 mediante una línea 60.
Para calibrar inicialmente el sistema el interruptor selector 53 está ubicado en apagado "off" de tal forma que el motor opera sobre el combustible diesel solamente. El motor es entonces operado con la palanca de corte de la bomba de combustible 31 completamente abierto y con el regulador 32 completamente abierto mediante el accionador 47 con el fin de llevar el motor a su velocidad de motor máxima. Una carga es entonces ubicada sobre el motor, con un dinamómetro convencional, para reducir la velocidad del motor mediante una cantidad creciente predeterminada, típicamente aproximadamente 200 r.p.m. El torque del motor, los caballos de fuerza y la temperatura de escape es luego determinada mediante el dinamómetro y almacenada dentro de la memoria del ECU 45. El motor decrece mediante el incremento predeterminado hasta que este cesa de operar debido a la carga sobre el motor. En cada velocidad creciente del motor el torque del motor máximo resultante, los caballos de fuerza y la temperatura de escape son registrados y almacenados en la memoria del ECU 45. Con base en estas características de operación, el ECU 45 determina las características de gobierno para la operación de combustible doble. Este proceso se denomina como el mapeo del motor. En una modalidad preferida, el ECU 45 puede almacenar hasta valores de 256 r.p.m a lo largo del rango de r.p.m. Luego, el interruptor selector 53 es ubicado en encendido "on" de tal forma que el motor opera tanto con combustible diesel como con gas natural . El motor es llevado a vacío con la palanca de corte 31 completamente abierta. La palanca de corte es luego lentamente cerrada mediante la acción del accionador 47 con el fin de restringir el flujo del combustible diesel a través de este aunque simultáneamente la acción del accionador de medición del combustible 22 incrementa el flujo del gas natural a su través para compensar por la reducción del combustible diesel. Los accionadores 22 y 47 son movidos de esta manera hasta que la velocidad del motor puede no ser mantenida debido a una cantidad mínima inferior de combustible diesel para combustión. Esta cantidad mínima de combustible diesel es comúnmente denominada como el "combustible piloto" . La posición del accionador 47 y la velocidad del motor son almacenadas en la memoria del ECU 45 como un valor de referencia . La palanca de corte 31 es luego regresada a la posición completamente abierta y el regulador 32 es movido a una posición que incrementa la velocidad del motor, mediante una cantidad creciente predeterminada, a la siguiente velocidad del motor que fue previamente mapeada . Los accionadores 22 y 47 son de nuevo movidos, como se describió previamente, para determinar y almacenar la posición del combustible piloto del accionador 47 para esta velocidad de motor particular. Este proceso es preferiblemente repetido junto con el rango completo de velocidades de motor y los valores de referencia correspondiente son registrados. Se ha encontrado que como mínimo el combustible piloto llega a aproximadamente el 5% de la cantidad total de combustibles. Con el ECU 45 preprogramado con un mapeo del torque del motor y los caballos de fuerza para cada velocidad del motor, el ECU 45 regula preferiblemente el flujo del combustible diesel y del gas natural de manera que no sobrepase las condiciones mapeadas con el fin de sobre potenciar el motor. En otras palabras, la combinación de dos combustibles no produce un torque o caballos de fuerza de motor mayores que las producidas por el motor que opera convencionalmente en combustible diesel solamente. En una modalidad preferida, el ECU 45 considerará la temperatura del gas, la presión del gas, y la presión de incremento del múltiple de entrada para ajusfar la proporción de diesel a gas de acuerdo con los cambios de las condiciones ambientales. Las temperaturas de escape y refrigerante del motor también pueden ser consideradas en razón a que el gas es preferiblemente inyectado cuando el motor está caliente. Con el encendido del motor 11 apagado las válvulas de corte del gas natural 19 y 21 y la palanca de corte de la bomba diesel 31 son cerradas de tal forma que ni el gas natural ni el combustible diesel pueden ingresar al motor. Para Arrancar y operar el motor 11 solamente con combustible diesel el selector 53 es ubicado en "off" . Con el selector en esta posición las válvulas de corte 19 y 21 permanecen cerradas con el fin de evitar que el gas natural entre al motor. En la medida en que el sistema de ignición del motor es activado la palanca de corte 31 es completamente abierta de tal forma que la bomba diesel 28 puede forzar el combustible diesel a través del conducto 29 hacia dentro de los inyectores 12 del motor. La proporción de flujo del combustible diesel suministrado al motor se puede determinar mediante el gobernador mecánico y la posición del regulador 32. El área utilizada en combinación con el combustible diesel entra al motor a través del mezclador de aire/gas 17. Para arrancar y operar el motor 11 con el sistema de combustible 10 en un modo de combustible doble el selector 53 es selectivamente ubicado en "on" energizando de esta manera el ECU 45. Mientras se arranca el motor es deseable tener gas natural entrando a este, en la medida en que esto puede originar que el motor se "encierre" debido a la presión dentro de los cilindros. Por lo tanto, si el sensor de r.p.m 40 indica que el motor no está operando por encima de una velocidad mínima pre seleccionada el ECU 45 le señala las válvulas de corte 19 y 21 que permanezcan cerradas. Una vez que el motor está operando por encima de la velocidad mínima pre seleccionada, el ECU 45 energiza el accionador de control de combustible diesel 47 y abre las válvulas de corte 19 y 21 para permitir gas natural a través del regulador de presión 20 y el accionador de medición 22. La cantidad de cada combustible suministrado al motor se determina mediante el ECU 45 que puede hacerlo así al regular el flujo de gas natural a través del accionador de medición del combustible 22 y el flujo del combustible diesel desde la bomba 28, que se determina mediante el posicionamiento selectivo de su regulador 32 y la palanca de corte 31. El ECU 45 puede regular los flujos en respuesta a la información suministrada por el sensor de r.p.m 40 y el sensor del acelerador 37. La figura 3 es un diagrama esquemático de un ECU típico 70 para la conversión de un motor mecánicamente gobernado a un sistema de motor de combustible doble. Como se muestra, el gas natural es controlado con hasta 6 inyectores 71-76 que inyectan a un múltiple de entrada. Alternativamente, una válvula proporcional se puede utilizar para controlar el gas natural. El ECU 70 contiene un controlador adecuado, tal como un micro controlador de 32 bit, para cálculos rápidos de los parámetros de control del motor requeridos. El ECU 70 también contiene la memoria adecuada, tal como la memoria de acceso aleatorio. El programa puede ser almacenado completamente en la memoria flash y si se desea se puede reemplazar o actualizar en el campo. La memoria EEPROM se puede utilizar para almacenar los datos de calibración, los mapas y los códigos de falla. Una salida de servomotor 80 se puede dedicar para controlar el posicionador del piloto diesel. En todas análogas se pueden suministrar para los sensores de sistema de lectura tal como el sensor de posición del regulador 81, el sensor de velocidad de motor 82, el sensor de presión de gas 83, el sensor de presión incrementada del múltiple 84, el sensor de temperatura de escape 85 y el sensor de temperatura refrigerante 86. Las entradas digitales también pueden ser incluidas para leer los r.p.m, la velocidad, el tiempo, los sensores binarios, y otras señales lógicas que dependen de la configuración del sistema. Además, el ECU puede contener un sistema que habilite el interruptor 87 y el interruptor de habilitación del corte de potencia (PTO) 88. La figura 3 también describe una válvula de gas 89 y un sistema de luz 90. Un puerto dúplex completo RS422 (no mostrado) se puede suministrar para comunicación con el software de programación y diagnóstico que corre sobre un computador portátil. El software de control se puede programar o personalizar de software genérico que depende de los requisitos de una aplicación específica. El software típico utilizado para los motores mecánicamente gobernados incluye control de vacío, mapeo de corte, mapeo de r.p.m del motor, mapeo del piloto diesel, compensación de presión de gas, compensación de presión del múltiple, y control PTO. El software desarrolla un diagnóstico de cada sensor. En caso de que el sensor falle, el sistema es deshabilitado y el código de falla registrado. El código de falla se puede recuperar durante la reparación del sistema. El software de calibración es conocido como Programming and Diagnostic Monitor (PD ) . El software puede correr bajo Windows, típicamente en un computador portátil. Las lecturas de todos los sensores, el gas utilizado, la posición del accionador del piloto diesel, y varias banderas de estado son desplegadas. Los datos de calibración pueden ser cargados al ECU directamente desde la pantalla o desde los archivos y si se desea descargados de nuevo y almacenados en archivos . Como contraste al motor mecánicamente gobernado, un motor electrónicamente controlado típicamente incluye un controlador OEM que incluye interfaces con los sensores existentes para medir ciertas características de operación. Así, el ECU de la presente invención puede trabajar en armonía con el controlador OEM existente, comunicarse con el controlador OEM por vía de las señales de enlace de datos para recibir las características de operación que el controlador OEM ha captado y registrado. Para aquellas características operativas que el controlador OEM no ha captado y registrado, el ECU puede contener sus propios sensores, por ejemplo, presión de gas, temperatura de gas, y sensores de presión incrementadas. Como el motor mecánicamente gobernado, las características operativas para el motor electrónicamente controlado pueden incluir la velocidad del motor (r.p.m), la temperatura del motor (o escape) , las posición del regulador, la presión de gas del segundo combustible, la temperatura de gas del segundo combustible, la presión incrementada del múltiple de toma del inyector, y/o la temperatura del refrigerante del motor .
La figura 4 representa un diagrama esquemático de un sistema de motor de combustible doble 100 que fue convertido a partir de un motor electrónicamente controlado. Varios componentes son idénticos a los componentes descritos para el sistema mecánicamente gobernado en la figura 2. Los componentes que difieren son descritos adelante. Como se muestra en la figura 4, un controlador OEM existente 101 puede recibir características operativas a partir del sensor de velocidad del motor 102, el sensor de temperatura del refrigerante 103, y el sensor acelerado 104, el sensor de presión del múltiple 123, el sensor de temperatura del múltiple 124, el sensor de presión ambiente 125, el sensor de temperatura ambiente 126, el sensor de velocidad del vehículo 130, a través de las líneas de señal 105, 106, 107, 140, 141, y 142, respectivamente. Los componentes existentes son convertidos a un motor de combustible doble a través del uso de un ECU 110, que se pueden acoplar con un sensor de presión de gas 111, un sensor de temperatura de gas 112, un sensor de presión incrementada 113, y un sensor de temperatura de escape del motor 114 a través de las líneas de señal 115, 116, 117 y 118, respectivamente. El ECU 110 también se puede acoplar con un dispositivo de medición de gas 119 por medio de la línea de señal 120, y puede regular el flujo de gas hacia dentro del motor a través de la línea de señal 121. Además, el ECU 110 puede estar acoplado con el controlador OEK 101 por medio de un enlace de datos 145. En una modalidad preferida, se emplea un enlace de datos SAEJ 1939. El ECU 110 recibe mediciones de velocidad del motor, temperatura del refrigerante, posición del acelerador, temperatura ambiente, presión ambiente, temperatura del múltiple, presión del múltiple y velocidad del vehículo a partir del enlace de datos 145. Además, el ECU 110 recibe la información en operación del controlador OEM 101 que se relaciona con el control de torque, el control de r.p.m, el control de corte de potencia (PTO) el control de velocidad en vehículo así como también la información de diagnóstico y la información de configuración del motor. Una vez que el ECU 110 ha recibido las características de operación, este procede a cargar el sistema, generar características de gobierno para la operación de combustible doble. El ECU 110 puede utilizar las características de gobierno para regular el flujo del combustible diesel al enviar las señales al controlador OEM 101, y al regular el flujo del gas natural al enviar las señales al dispositivo de medición de gas 119.
La figura 5 represente un diagrama esquemático de un ECU 150 típico para la conversión de un motor electrónicamente controlado a un sistema de motor de combustible doble. Como se muestra, el gas natural es controlado con hasta 6 inyectores 151-156 que inyectan a un múltiple de entrada. Alternativamente, una válvula proporcional se puede utilizar para controlar el gas natural. La inyección del puerto del gas natural al múltiple de entrada también se puede utilizar. El ECU 150 contiene un controlador adecuado, tal como un microcontrolador de 32 bit, para cálculos rápidos de los parámetros de control de motor requeridos. El ECU 150 también contiene una memoria adecuada. El programa se puede almacenar completamente en una memoria flash y si se desea se puede reemplazar o actualizar en el campo. La memoria EEPROM se puede utilizar para almacenar los datos de calibración, los mapas y los códigos de falla. Las entradas análogas se pueden suministrar para los sensores del sistema de lectura tal como el sensor de presión de gas 160, el sensor de presión incrementado del múltiple 161, el sensor de temperatura del gas 162, y el sensor de temperatura de escape 163. La velocidad del motor, la temperatura del refrigerante, la posición del regulador se pueden leer de una conexión de enlace de datos del controlador OEM 165. El ECU 150 también puede contener un puerto CAN 166 para comunicación con el enlace de datos 165. Además, el ECU puede contener un interruptor que habilite el sistema 167 y un interruptor que habilite el PTO 168. La figura 5 también describe una válvula de gas 169 y un sistema de luz 170. Un puerto dúplex completo RS422 (no mostrado) se puede suministrar para comunicación con el software de programación y diagnóstico que corre sobre un computador portátil. Para el motor electrónicamente controlado, el software de control puede ser estructurado de manera similar al software para los motores mecánicos, excepto que varias características operativas se pueden obtener del enlace de datos, no los sensores dedicados del ECU. El hardware ECU para motores mecánicamente controlados y electrónicamente gobernados es esencialmente el mismo. La figura 6 presenta un diagrama esquemático que muestra la estructura del hardware de un ECU típico. El software para ambos sistemas difiere como se explica en la siguiente información . Las figuras 7a, 7b y 7c ilustran la macroestructura del software ECU típico para un motor mecánicamente gobernado. Como se muestra en la figura 7a, cuando la energía es prendida el programa es vectorizado para un ejecutivo de inicializacion que desarrolla las funciones necesarias para preparar el sistema para operación normal. Luego de completar la inicializacion, el ejecutivo de fondo es ingresado. El algoritmo es asincrónico y desarrolla funciones no priorizadas en el tiempo, logradas en la medida en que el tiempo de procesamiento está disponible. Un ejecutivo de manejo de interruptor puede ser sincrónico, que corre cada dos milisegundos como se muestra en la figura 7b. Durante este ejecutivo de control sincrónico, el software puede comunicarse con el controlador OEM de un motor electrónicamente controlado. Los ejecutivos de manejo del interruptor restantes pueden ser asincrónicos, que sirven a varios eventos internos y externos, como se muestra en la figura 7c. La figura 8 representa un diagrama de flujo típico para el ejecutivo de fondo. En una modalidad, la función inicialmente desarrolla una de las tareas de tiempo tal como leer los datos de calibración de la memoria EEPROM, arrancando con el temporizador de circuito de guarda, etc., después de lo cual se ingresa un bucle asincrónico. Las funciones asincrónicas pueden incluir la calibración de los r.p.m versus la posición del regulador, la calibración del combustible diesel versus el r.p.m, inicializar la transmisión de los datos de diagnóstico al monitor de diagnóstico, validar el temporizador del circuito de vigilancia, etc. De acuerdo con una modalidad de la presente invención, la figura 9 presenta un diagrama de flujo para un ejecutivo de control sincrónico. El ejecutivo de control desarrolla todas las tareas relacionadas con el control de los combustibles diesel y de gas. Varios parámetros de motor pueden ser leídos, tal como la posición del regulador, la temperatura del escape, la presión del gas, la temperatura del gas, las r.p.m, y la velocidad del motor. Con base en estas lecturas, el suministro de diesel y de gas requerido se puede calcular utilizando la amplitud del pulso de inyector y la posición del accionador del piloto diesel. La figura 10 es un diagrama de flujo que describe la conversión análogo/digital (A/D) típica. La conversión de una entrada análoga se desarrolla con un convertido A/D que trabaja el modo de exploración; la conversión se puede lograr para cuatro entradas de una vez. De acuerdo con otra modalidad de la presente invención, la figura 11 es un diagrama de flujo que describe el proceso de conversión de la velocidad del motor para un motor mecánicamente gobernado. (Para un motor electrónicamente controlado, la velocidad es leída directamente del enlace de datos) . En esta modalidad, la velocidad del motor es leída utilizando un contador de cubrimiento libre de 16 bit en modo de captura con el búfer. Un pulso externo captura el valor habitual del contador y lo almacena en un registrador de captura. La válvula previamente mantenida en el registrador de captura es transferida a un registrador de búfer. Una bandera se establece que indica que el evento de captura ha tenido lugar. La función get-rpm() (mostrada en la figura 11) contiene un algoritmo que calcula las r.p.m utilizando el valor de captura previo del registrador del búfer, el valor de la nueva captura del registrador de captura, la frecuencia del contador, y el número de dientes del volante. Esta función puede ser llamada desde dentro del ejecutivo de control sincrónico cada dos milisegundos . El algoritmo de la conversión del motor también puede incluir protección contra resultados fallidos en caso de que la frecuencia de la señal de entrada se haga tan lenta que el contador tenga tiempo de hacer bucles alrededor. El rpm-cap-flag (ver figura 11) es una bandera de captura que se establece cuando se detecta un evento de captura. Cada vez que la función corre y la captura no es detectada, la variable "acm" se incrementa. Si la captura no es detectada para los tiempos "acm-max" , entonces la rpm es considerada como cero. Para 120 dientes del volante y la variable acm-max ajustada a 4, los rpm medibles mínimo sor. de aproximadamente 60. De acuerdo con una modalidad adicional, la figura 12 presenta un diagrama de flujo típico para la función de control de gas. En razón a que el sistema puede ser instalado sin remover el gobernador mecánico existente, las características de gobierno de la velocidad del motor de combustible doble son preferiblemente programadas tan cercanas a, pero no mayores de, aquella del gobernador mecánico. Las características del gobernador mecánico pueden ser almacenadas en el mapa ECU denominado tps-map cuando el sistema es calibrado. El mapa contiene múltiples valores a lo largo del rango de las r.p.m. Por razones de estabilidad, se puede aplicar un desalineado a las características según se muestra en las figuras 12. El desalineado aplicado es usualmente de 20 a 200 r.p.m. Un algoritmo separado puede gobernar en motor a vacío bajo; la referencia de r.p.m utilizada por esa función se puede ajustar como se muestra en la figura 12. Diferentes Configuraciones de PDI se pueden utilizar en el modo PTO por razones de estabilidad. La limitación del combustible de gas se puede aplicar para evitar que el motor se sobrecargue de combustible. Una curva limitante de combustible se puede almacenar en la memoria EEPROM con un punto por cada 32 r.p.tn. El rango de valores es generalmente de 0 a 27.000, correspondiendo con un pulso inyector con el rango de 0 a 90%. Para una r.p.m dada el programa puede leer dos puntos de curva de combustible vecinas y calcular el límite de combustible que utiliza la interpolación lineal. El límite de combustible puede ser adicionalmente recalculado con consideración del incremento, la presión del gas, la temperatura del gas. Finalmente, el límite de combustible puede ser multiplicado por el porcentaje de posición del regulador, suministrando una característica de control de combustible además del control de velocidad PID. El valor calculado se puede asignar a los inyectores, un inyector a la vez. Si se utiliza la inyección del múltiple, la inyección puede operar secuencialmente como se muestra en la figura 13. La amplitud del pulso del inyector máxima utilizado es del 90%. La figura 14 presenta un mapa piloto diesel típico para un motor mecánicamente gobernado. El mapa representa la posición de la palanca del piloto diesel sobre la bomba a un mínimo bajo no hay carga sobre el motor, y a un mínimo alto cuando existe una carga sobre el motor. Como se muestra, el suministro de diesel típicamente se incrementa a un mínimo bajo para evitar la parada del motor y puede disminuir a un mínimo alto. La función de control del piloto diesel (figura 9) asegura que el suministro de combustible diesel sigue el mapa de combustible diesel almacenado en la memoria EEPROM durante la calibración. En una modalidad particular, el mapa de combustible diesel mantiene 128 puntos. La figura 15 describe la estructura del software ECU para un motor electrónicamente controlado. En estos sistemas, el ECU puede estar conectado por vía de un enlace de datos SAE J1939 con el controlador OEM, tomando ventaja de los sensores existentes y ejerciendo control sobre el suministro de combustible diesel a través del controlador OEM. El software ECU para sistemas electrónicamente controlados es estructurado similarmente al software del sistema mecánicamente gobernado. Sin embargo, varios parámetros de motor claves tales como la velocidad del motor, la velocidad del vehículo, la velocidad del motor, la temperatura del refrigerante, la temperatura ambiente y la presión, y la temperatura y presiones del múltiple puede ser obtenida del enlace de datos sin leerlos de los sensores dedicados a la ECU. El ECU determina el porcentaje de combustible deseado y envía una solicitud para alimentar el combustible diesel a este nivel .
El módulo CAN en el ECU utiliza cajas de correo para comunicación. Las cajas de correo pueden ser configuradas durante la inicialización del ECU como se muestra en la siguiente tabla, para recibir o transmitir varios grupos de parámetro J1939.
Otros parámetros también pueden ser recibidos dependiendo de la disponibilidad. La conversión de motor de combustible múltiple toma aproximadamente un día en completarse. Este se puede utilizar entre otras cosas, para convertir los motores de vehículos diesel y de gasolina ligeros, medios y de trabajo pesado, tanto de carretera como fuera de carretera, para retroajustar los motores mecánicos y electrónicos después de comercializados, o para convertir motores de diesel o gasolina inyectados directos, tanto turbocargados como inyectados naturalmente. Mientras que las modalidades particulares de esta invención han sido descritas anteriormente para propósitos de ilustración, será evidente para aquellos expertos en la técnica que numerosas variaciones de los detalles de la presente invención se pueden hacer sin apartarse de la invención como se define en las reivindicaciones finales.

Claims (45)

NOVEDAD DE LA INVENCION Habiéndose descrito el presente invento, se considera como una novedad y por lo tanto, se reclama como prioridad lo contenido en las siguientes: REIVINDICACIONES
1. Una unidad de control electrónico para un motor de combustible múltiple que utiliza un primer combustible y un segundo combustible, la unidad de control electrónica comprende : a. medios para ingresar a características de operación de un sistema de motor a una unidad de control electrónica, en donde al menos una de las características de operación comprende presión de gas del segundo combustible, temperatura de gas del segundo combustible, presión incrementada de un múltiple de entrada, o temperatura del refrigerante del motor; b. medios pata controlar las cantidades del primer combustible del segundo combustible para suministrarle al motor de combustible múltiple con base en al menos una de las características de operación.
2. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, que comprende además: a. medios para determinar las características de gobierno para la presión de combustible múltiple con base en las características de operación del sistema de motor; y b. medios para controlar las cantidades del primer combustible y del segundo combustible para suministrar al motor de combustible múltiple con base a las características de gobierno.
3. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde las características de operación comprenden al menos dos de las características de operación seleccionadas del grupo que consiste de la presión de gas del segundo combustible, la temperatura de gas del segundo combustible, la presión incrementada de un múltiple de entrada y la temperatura de refrigerante del motor.
4. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde las características de operación comprenden al menos tres de las características de operación seleccionadas del grupo que consiste de presión de gas del segundo combustible, temperatura de gas del segundo combustible, presión incrementada del múltiple de entrada, y temperatura refrigerante del motor.
5. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde las características de operación comprenden al menos cuatro de las características de operación seleccionadas del grupo que consiste de presión de gas del segundo combustible, temperatura de gas del segundo combustible, presión incrementada del múltiple de entrada del motor, y temperatura del refrigerante del motor.
6. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde la al menos una característica de operación comprende la presión del gas del segundo combustible .
7. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde la al menos una característica de operación comprende la temperatura del gas del segundo combustible .
8. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde la al menos una característica de operación comprende la presión incrementada del múltiple de entrada del motor.
9. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde la al menos una característica de operación comprende la temperatura del refrigerante del motor .
10. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el sistema de motor es mecánicamente gobernada .
11. La unidad de control electrónica de la reivindicación 10, que comprende además medios para mantener una velocidad del motor durante la operación del combustible múltiple por debajo de la velocidad mayor del motor durante la operación del combustible simple para una posición del regulador del motor dada.
12. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el sistema de motor es electrónicamente controlada.
13. La unidad de control electrónica de la reivindicación 12, que comprende además medios para comunicarse con el sistema de motor mediante un enlace de datos .
14. La unidad de control electrónica de la reivindicación 12, en donde las características de operación comprenden además la temperatura ambiente, la presión ambiente, la temperatura del múltiple y/o la presión del múltiple.
15. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el primer combustible comprende diesel .
16. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el primer combustible comprende gasolina .
17. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el segundo combustible es gaseoso .
18. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el segundo combustible comprende gas natural .
19. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el segundo combustible comprende propano .
20. La unidad de control electrónica de la reivindicación 1, en donde el segundo combustible es un líquido .
21. Un método para controlar el suministro de combustible a un motor de combustible múltiple que utiliza un primer combustible y un segundo combustible, el método comprende : a. suministrar una unidad de control electrónica; b. ingresar las características de operación de un sistema de motor a la unidad de control electrónica, en donde la al menos una de las características de operación comprende la presión de gas del segundo combustible, la temperatura del gas del segundo combustible, la presión incrementada de un múltiple de entrada, o ola temperatura refrigerante del motor; y c. controlar las cantidades del primer combustible y el segundo combustible para el suministro al motor con base en al menos una de las características de operación.
22. El método de la reivindicación 21, que comprende además : a. determinar las características de gobierno para la operación de combustible múltiple con base de las características de operación del sistema de motor; b. controlar las cantidades del primer combustible y el segundo combustible para suministrar al motor de combustible múltiple con base en las características de gobierno .
23. El método de la reivindicación 21, en donde el sistema de motor es mecánicamente gobernado.
24. El método de la reivindicación 23, que comprende además mantener una velocidad del motor durante la operación de combustible múltiple por debajo de una velocidad mayor de motor durante la operación de combustible sencillo para una posición de regulador de motor dada .
25. El método de la reivindicación 21, en donde el sistema de motor es electrónicamente controlado.
26. El método de la reivindicación 25, que comprende además comunicarse con el sistema de motor mediante un enlace de datos.
27. El método de la reivindicación 25, en donde las características de operación comprenden además la temperatura ambiente, la presión ambiente, la temperatura del múltiple y/o la presión del múltiple.
28. Un método para calibrar una unidad de control electrónica para un motor de combustible múltiple que utiliza un primer combustible y un segundo combustible, el método comprende : a. ingresar las características de operación de un sistema de motor a la unidad de control electrónica; b. determinar las características de gobierno para la operación de combustible múltiple con base en las características operativas; y c. controlar las cantidades del primer combustible y el segundo combustible para suministrar al motor con base en las características de gobierno.
29. El método de la reivindicación 28, en donde la al menos una de las características de operación comprende la presión del gas del segundo combustible, la temperatura de gas del segundo combustible, la presión incrementada de un múltiple de entrada, o la temperatura del refrigerante del motor .
30. El método de la reivindicación 28, en donde el sistema del motor es mecánicamente gobernado.
31. El método de la reivindicación 30 que comprende además mantener una velocidad del motor durante la operación del combustible múltiple por debajo de una velocidad mayor de motor durante la operación de combustible sencillo durante una posición de regulador de motor dada.
32. El método de la reivindicación 28, en donde el sistema de motor es electrónicamente controlado.
33. El método de la reivindicación 32, que comprende además comunicarse con el sistema de motor mediante un enlace de datos.
34. El método de la reivindicación 28, en donde la al menos una de las características de operación comprende la temperatura ambiente, la presión ambiente, la temperatura del múltiple, o la presión del múltiple.
35. El método de la reivindicación 28, en donde el primer combustible comprende diesel .
36. El método de la reivindicación 28, en donde el primer combustible comprende gasolina.
37. El método de la reivindicación 28, en donde el segundo combustible es gaseoso.
38. El método de la reivindicación 28, en donde el segundo combustible comprende gas natural .
39. El método de la reivindicación 28, en donde el segundo combustible comprende propano .
40. El método de la reivindicación 28, en donde el segundo combustible es un líquido.
41. Un método para convertir un sistema de motor de un vehículo a un motor de combustible que utiliza un primer combustible y un segundo combustible, el método comprende instalar una unidad de control electrónica en el vehículo en donde la unidad de control electrónica comprende. a. Medios para ingresar características de operación de un sistema de motor a una unidad de control electrónica, en donde la al menos una de las características de operación comprende presión de gas del primer combustible, temperatura del gas del segundo combustible, presión incrementada de un múltiple de entrada o temperatura refrigerante del motor; y b. medios para controlar las cantidades del primer combustible y el segundo combustible para suministrar al motor de combustible múltiple con base en al menos una de las características de operación.
42. El método de la reivindicación 41, que comprende además montar un tanque de almacenamiento para el segundo combustible en el vehículo e instalar una segunda línea de combustible en comunicación de flujo frente al tanque de almacenamiento para el segundo combustible y el motor.
43. Un sistema de motor de combustible múltiple que utiliza un primer combustible y un segundo combustible, el sistema de motor de combustible múltiple comprende un motor, un tanque de almacenamiento para el primer combustible, una primer línea de combustible en comunicación de flujo entre el tanque de almacenamiento para el primer combustible y el motor, un tanque de almacenamiento para el segundo combustible, una segunda línea de combustible en comunicación de flujo entre el tanque de almacenamiento del segundo combustible y el motor, y una unidad de control electrónica que comprende: a. medios para ingresar características de operación a la unidad de control electrónica, en donde la al menos una de las características de operación comprende presión de gas del segundo combustible, temperatura de gas del segundo combustible, temperatura incrementada de un múltiple de entrada, o temperatura del refrigerante del motor; y b. medios para controlar las cantidades del primer combustible y el segundo combustible para suministrar al motor de combustible múltiple con base en al menos una de las características de operación.
44. Unas instrucciones que contienen medios legibles por computador a las cuales, cuando se ejecutan por un procesador, desarrollan un método para operar un motor de combustible múltiple que utiliza un primer combustible y un segundo combustible, el método comprende: a. ingresar características de operación de un sistema de motor a una unidad de control electrónica; b. determinar las características de gobierno para la operación de combustible múltiple con base en las características de operación y c. controlar las cantidades del primer combustible y el segundo combustible para el suministro al motor con base en las características de gobierno.
45. El medio legible por computadora a la reivindicación 44, en donde la al menos una de las características de operación comprende presión gas del segundo combustible, temperatura de gas del segundo combustible, presión incrementada de un múltiple de entrada, o temperatura del refrigerante del motor.
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