ES2199478T3

ES2199478T3 - Generacion de agentes reductores de nox en un motor de encendido por compresion con inyeccion de hidrocarburos durante la carrera de expansion.

Info

Publication number: ES2199478T3
Application number: ES98962976T
Authority: ES
Inventors: Walter Weissman; Frank Hershkowitz; Anthony Marion Dean; Harry Stuard Pink
Original assignee: ExxonMobil Research and Engineering Co
Current assignee: ExxonMobil Technology and Engineering Co
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-12-09
Publication date: 2004-02-16
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: CN1281532A; EP1038098A1; WO1999030024A1; AU1809799A; US6029623A; JP2001526354A; DE69814455T2; CN1261682C; CA2318941C; BR9813427A; EP1038098B1; DE69814455D1; CA2318941A1; EP1302651A1; AU760254B2

Abstract

Un método para hacer funcionar un motor diesel para disminuir la concentración de NOx presente en la corriente de escape del motor, aguas abajo de un catalizador de escape, sin que se reduzca sustancialmente la potencia del motor, inyectando un hidrocarburo en el cilindro del motor diesel durante la carrera de expansión, a continuación de la inyección de una carga principal de combustible en el cilindro del motor durante una carrera de admisión, con el fin de incrementar la formación de productos craqueados que contienen oxigenados, insaturados, oxigenados insaturados y mezclas de los mismos, en el que la cantidad de hidrocarburo inyectada durante la carrera de expansión es de desde un 0, 5% en peso a un 5% en peso basado en el peso de la carga de combustible principal del motor, comprendiendo el método: medir la formación y la composición de los productos craqueados en función del ángulo de inyección secundaria en puntos de calibración seleccionados cuando se hacen variar las condiciones de funcionamiento en el margen operativo del motor, y registrar estas mediciones como calibración, en la forma siguiente: se determina el ángulo de la distribución para la inyección secundaria al cual se hace máxima la generación de productos craqueados, APr, en un punto de funcionamiento de referencia del motor, se determinan los ángulos APi de la distribución para la inyección secundaria, correspondientes a una generación máxima de productos craqueados cuando se hacen variar los parámetros del motor en el margen de funcionamiento de éste, en puntos de funcionamiento del motor merced a mediciones realizadas en el motor, se determina el ángulo de la distribución para la inyección secundaria correspondiente a la relación deseada entre productos craqueados olefínicos y oxigenados y el rendimiento total de productos craqueados, ADr, en el punto de funcionamiento de referencia del motor merced a mediciones realizadas en el motor, se calcula como ADr-APr la magnitud de la desviación del ángulo dela distribución para la inyección secundaria entre el ángulo correspondiente a la generación máxima de productos craqueados y el ángulo correspondiente a la relación deseada de oxigenados/olefinas y el rendimiento total de productos craqueados en cualquier punto de funcionamiento.

Description

Generación de agentes reductores de NO_{x} en un motor de encendido por compresión con inyección de hidrocarburos durante la carrera de expansión.

Campo del invento

El presente invento se refiere en general a un método mejorado para hacer funcionar un motor diesel. Más particularmente, el invento se refiere a un método para formar especies reductoras de NO_{x} en un motor diesel a partir de hidrocarburos inyectados durante la carrera de expansión.

Antecedentes del invento

Durante el funcionamiento normal de un motor diesel, primero se comprime aire atmosférico en la cámara de combustión del motor a una presión de, aproximadamente, 35,5 kg/cm^{2} (500 psi). La compresión del aire eleva su temperatura a unos 538ºC (1000ºF). Se inyecta entonces combustible diesel en el aire caliente comprimido a través de una tobera de inyección de combustible. El combustible es atomizado en la cámara de combustión, donde se calienta hasta su temperatura de auto-ignición, dando como resultado la ignición espontánea, la combustión y la expansión de los gases en la cámara. La expansión de los productos de la combustión impulsa al cilindro hacia abajo, proporcionando por tanto la carrera de trabajo del motor.

Con el fin de que un motor diesel funcione eficientemente, es decir, con un consumo mínimo de combustible y una potencia máxima, típicamente se le hace funcionar con relaciones entre aire y combustible que generan gases de escape que contienen grandes cantidades de oxígeno y, usualmente, sólo cantidades mínimas de hidrocarburos no quemados. Desafortunadamente, el hacer funcionar un motor diesel con el fin de conseguir una potencia y un rendimiento máximos, también tiene como consecuencia condiciones que elevan las temperaturas máximas de funcionamiento y, por tanto, las emisiones de NO_{x}. Un método para reducir las emisiones de NO_{x} es, naturalmente, poner los gases de escape en contacto con un catalizador capaz de reducir las especies NO_{x} en la corriente de gas. Sin embargo, para que los catalizadores conocidos sean eficaces en el ambiente de un escape diesel, el de-NO_{x} catalítico es, usualmente, más efectivo cuando en los gases de escape hay presentes especies reductoras. Con el fin de generar estas especies en el motor, normalmente se le ha de hacer funcionar en condiciones de baja temperatura máxima, condiciones estas que se encuentran directamente en oposición a las deseables desde el punto de vista del funcionamiento globalmente eficiente del motor.

Un método para proporcionar especies reductoras en el catalizador es la inyección secundaria, en la que un hidrocarburo se inyecta en un cilindro de un motor diesel a un ángulo fijo del cigüeñal, próximo al término de la carrera de expansión. Un problema asociado con este método es que la cantidad de diversas moléculas reductoras necesarias para conseguir una completa reducción de las especies NO_{x}depende de parámetros de funcionamiento del motor, tales como la velocidad del motor, la carga del motor y la presión del gas de admisión (recirculación de gases de escape y aire, "EGR") cuando está presente un compresor, y la inyección secundaria a un ángulo fijo del cigüeñal no prevé medios para ajustar la cantidad de hidrocarburo inyectada en respuesta a cambios de los parámetros de funcionamiento del motor. Un segundo problema asociado con la inyección secundaria a un ángulo fijo del cigüeñal es que los agentes reductores más eficaces, es decir, las olefinas y los oxigenados, no constituyen la principal fuente de combustible del motor. Debe proporcionarse al motor una fuente secundaria de estos compuestos, con el fin de inyectar estos compuestos en la corriente de escape. Todavía otro problema asociado con la inyección secundaria a un ángulo fijo del cigüeñal, lo constituye la introducción en el escape de moléculas aromáticas de elevado punto de ebullición. Esto impone una carga adicional sobre el sistema de tratamiento del escape, ya que tales moléculas contribuirán a la generación de emisiones de PNA a no ser que se las oxide a CO_{2} y H_{2}O.

La técnica anterior más próxima, el documento US-A-5479775 describe un controlador de inyección electrónica de combustible que determina la cantidad de inyección de combustible y el ángulo de distribución del cigüeñal de acuerdo con la carga del motor y las rpm (y la temperatura), con el fin de realizar una posterior inyección adicional durante la carrera de expansión, con un caudal del 2% o menor de la inyección principal en el punto muerto superior (PMS) principal y a un ángulo de distribución de entre 80º y 180º después del PMS con el fin de reducir los NO_{x} aguas abajo del catalizador 10. Al ser el control de la inyección un control de circuito abierto, aunque se miden los NO_{x} aguas abajo del catalizador (véase el perceptor), es innecesario decir que los valores de mando prefijados del inyector deben haber sido proporcionados a partir de valores de ensayo en banco del motor utilizando uno o más perceptores como indicación de los mejores valores del ángulo de la distribución y de alimentación de combustible.

En consecuencia, un objeto del presente invento es proporcionar una solución al funcionamiento de un motor diesel con el fin de producir especies efectivas, reductoras de NO_{x} en una cámara de combustión del motor diesel en cantidades suficientes para convertir catalíticamente los NO_{x} presentes en el gas de escape del motor. Otro objeto del invento es convertir los NO_{x} del gas de escape de forma que se eviten las restricciones normalmente impuestas si estas especies han de formarse como subproductos de una combustión normal.

Dicho de otro modo, un objeto del presente invento es hacer funcionar un motor diesel de manera eficiente al tiempo que se generan suficientes productos orgánicos craqueados, es decir, especies reductoras en la cámara de combustión para la reducción catalítica de NO_{x} en el gas de escape.

Sumario del invento

El invento se refiere a un método para disminuir las emisiones de NO_{x} aumentando la formación de oxigenados, insaturados, oxigenados insaturados y mezclas de los mismos a partir de un hidrocarburo inyectado en un cilindro de un motor alimentado con combustible diesel durante una carrera de expansión sin reducir sustancialmente la potencia del motor, comprendiendo el método las características definidas de acuerdo con la reivindicación 1.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una ilustración esquemática de los componentes principales de un cilindro de un motor diesel, necesaria para comprender el presente

\hbox{invento.}

La Figura 2 es una ilustración esquemática de un sistema de inyección de conducto común, configurado para uso con el presente invento.

La Figura 3 muestra la dependencia de los rendimientos máximos de productos craqueados (oxigenados e insaturados de hidrocarburos (olefinas)) con un ángulo de inyección secundaria medido desde el inicio de la carrera de expansión de acuerdo con el presente invento en un punto particular de funcionamiento del motor, con una carga de 3,1 bar BMEP (presión media efectiva al freno), una presión de admisión de 1,4 bar y una velocidad de giro de 2.250 r.p.m. El agente de inyección secundario es una mezcla de parafinas correspondiente al 2% en peso de la carga principal de combustible.

La Figura 4 es una gráfica que muestra la dependencia de la suma de estos productos craqueados respecto de la carga del motor, la presión de admisión y la velocidad de giro.

La Figura 5 ilustra la dependencia del rendimiento de productos craqueados en función de la desviación respecto del ángulo al que se produce un rendimiento máximo cuando se hacen variar los parámetros de funcionamiento del motor.

La Figura 6 muestra cómo varía la relación de olefinas C_{1} a oxigenados C_{1} con la desviación de la distribución respecto del ángulo al cual tiene lugar el rendimiento total máximo. La variación es aproximadamente uniforme cuando varían los parámetros de funcionamiento del motor.

Descripción detallada

Se describirá ahora el invento con mayor detalle haciendo referencia específica a un motor alternativo de combustión interna con encendido por compresión, de cuatro tiempos; sin embargo, debe apreciarse fácilmente que el invento es igualmente aplicable a otros motores con encendido por compresión, tales como los motores alternativos de combustión interna con encendido por compresión, de dos tiempos. Asimismo, en la descripción que sigue números de referencia similares en los dibujos se aplican a partes similares.

Refiriéndonos en primer lugar a la Figura 1, un motor diesel incluye un bloque 12 de motor en el que hay una cámara de combustión o cilindro 14. Dentro del cilindro 14 hay un pistón 15 deslizable en él, unido al cigüeñal del motor (no mostrado). En la parte superior del cilindro 14 hay una culata 16 que cierra un extremo del cilindro 14.

Una tobera 17 de inyección de combustible está montada en la culata 16 para realizar una inyección sincronizada de combustible diesel directamente en la cámara de combustión o cilindro 14. El motor incluye, también, una válvula de escape 21, una lumbrera de escape 24, una válvula de admisión de aire 20 y una lumbrera de admisión de aire 18.

En funcionamiento, cuando el pistón 15 se encuentra en una posición correspondiente a un ángulo de rotación del cigüeñal de, aproximadamente, 0º al comienzo de la carrera de admisión del cilindro, la válvula de admisión 20 se abre y se aspira aire atmosférico a la cámara de combustión o cilindro 14, a medida que el pistón desciende. La válvula 20 se cierra al concluirse la carrera de admisión, o poco después de ello, y el pistón 15 asciende en la carrera de compresión. El pistón 15 inicia su carrera de compresión en una posición próxima a la parte inferior del cilindro, correspondiente a un ángulo de rotación del cigüeñal de 180º, es decir, en la posición de punto muerto inferior. Se inyecta una carga piloto, opcional, de combustible en la cámara de combustión cuando el pistón 15 alcanza una posición correspondiente a un ángulo de rotación del cigüeñal de, aproximadamente, 330º en la carrera de compresión. El aire contenido en el cilindro es comprimido, aumentando su temperatura y su presión, lo que hace que cualquier carga piloto de combustible sufra una reacción química y física previa a la aparición de la llama. A medida que continúa la compresión, se inyecta el combustible diesel principal en el cilindro 14 a través de la tobera de inyección 17 y, cuando se enciende el combustible diesel, hace que toda la mezcla contenida en la cámara de combustión 14, se expanda. La carrera de expansión (o de potencia) del motor comienza cuando el pistón pasa por una posición correspondiente a un ángulo de punto muerto superior (0º) del cigüeñal. De acuerdo con el presente invento, durante la expansión en el cilindro 14 en la carrera de potencia, se inyecta en el cilindro una cantidad preseleccionada de combustible de hidrocarburo basada en la cantidad de combustible principal, a un ángulo de rotación predeterminado denominado ángulo de inyección secundaria. Esta inyección de combustible preseleccionada puede inyectarse a través de la tobera 17 o mediante una tobera separada.

La inyección de hidrocarburo durante la expansión, es decir, la carrera de potencia, se conoce como inyección secundaria para distinguirla de la inyección principal de combustible. El hidrocarburo inyectado durante la expansión es el hidrocarburo inyectado secundario. Generalmente, el combustible de hidrocarburo inyectado durante la carrera de expansión puede ser el mismo que se inyecta como combustible principal en el motor durante la carrera de compresión o puede ser algún otro hidrocarburo u oxigenado. La cantidad óptima de hidrocarburo inyectado secundario en un punto particular del funcionamiento, viene determinada por la relación entre agentes reductores y compuestos NO_{x} necesarios en el catalizador de escape para conseguir una conversión efectiva de NO_{x}. Esta relación puede depender de varios factores, incluyendo la temperatura de funcionamiento del motor, el instante de la inyección, la relación de compresión, la velocidad de giro del motor, la relación aire-combustible, la carga del motor, la recirculación de gases de escape (egr) y la composición deseada de la corriente de gases efluente. En general, sin embargo, se inyectará en el cilindro aproximadamente de un 0,5 a aproximadamente un 5% en peso, preferiblemente de aproximadamente un 1% en peso a un 3% en peso, basado en el peso de combustible principal utilizado para la combustión principal.

Debe observarse que la inyección secundaria de acuerdo con este invento no reduce, sustancialmente, la potencia del motor.

Además, como se ha indicado, el ángulo de inyección secundaria dependerá, también, de la composición deseada de las especies orgánicas en la corriente de gases de escape. La Figura 3 ilustra los productos de inyección calculados de una mezcla de iso-parafinas, parafinas normales y ciclo-parafinas, diseñada para representar la parte alifática de un combustible diesel típico (la parte alifática es la parte principal de un combustible diesel típico) con un motor diesel de inyección directa, de 4 cilindros y 2,5 litros, con turbocompresor, con una relación de compresión de 21:1 y que funciona con una carga indicada ("carga") de 3,1 bar de presión de motor media al freno ("BMEP"), y una velocidad de giro del motor de 2250 r.p.m. en función del momento de la inyección secundaria. La figura muestra que la producción máxima de la suma de los agentes reductores deseados, es decir, olefinas y oxigenados, se produce cuando se realiza la inyección aproximadamente 72º después del punto muerto superior. Además, como se muestra en la Figura 3, las cantidades relativas de oxigenados y de olefinas varía a medida que el instante de la inyección secundaria se desvía de un ángulo de rotación de 72º del cigüeñal. Los datos se generaron utilizando un modelo cinético para simular el comportamiento de tal motor.

La Figura muestra la producción de oxigenados C_{3}(sombreado horizontal), insaturados C_{3} (sombreado hacia arriba a la derecha) e insaturados C_{4} (sombreado hacia arriba a la izquierda). También se muestra la suma de productos craqueados procedentes de la inyección secundaria (línea interrumpida).

En el presente invento, la inyección secundaria ocurre a un ángulo que depende de la carga del motor, de la presión de admisión cuando está presente un compresor y de la velocidad de giro. Como se ha explicado en lo que antecede, la inyección secundaria tiene como resultado la formación de productos craqueados durante la combustión que aparecen en la corriente de escape. Los productos craqueados contienen oxigenados y olefinas. Se encontró que la cantidad de productos craqueados formados y las cantidades relativas de olefinas y oxigenados entre los productos craqueados depende de la carga del motor y de la presión de admisión y de la velocidad de giro. La Figura 4 muestra la dependencia de la suma de la formación de productos craqueados de la carga del motor, de la presión de admisión y de la velocidad de giro. Además, como se ha explicado en lo que antecede, la relación entre productos craqueados olefínicos y oxigenados depende de la carga del motor y de la velocidad de giro. Los datos de la Figura 4 se generaron utilizando el mismo modelo cinético.

Debe observarse que en los casos en que se utiliza un compresor, la presión de admisión puede correlacionarse estrechamente con la velocidad de giro del motor.

Es bien sabido adaptar un catalizador de escape a un motor diesel con el propósito de reducir la concentración de compuestos NO_{x} en la corriente de escape del motor. Los expertos en la técnica son conscientes de que, dependiendo del catalizador del escape y de las condiciones de escape, los oxigenados o las olefinas pueden ser más reactivos para la reducción de NO_{x}. Un objeto del presente invento es ajustar el ángulo de la inyección secundaria de modo que se haga máxima la formación de productos craqueados cuando los parámetros de funcionamiento del motor se hacen variar en todo el margen de funcionamiento. Otro objeto del invento es ajustar el ángulo de inyección secundaria de forma que la distribución de productos craqueados entre oxigenados y olefinas se optimice, según lo requieran el catalizador del escape y las condiciones del escape para conseguir la conversión de NO_{x} con la máxima eficacia cuando se hacen variar los parámetros de funcionamiento en todo el margen operativo.

En una realización, se obtiene un ángulo de inyección secundaria deseado midiendo la formación y la composición de los productos craqueados en función del ángulo de inyección secundaria cuando se hacen variar condiciones de funcionamiento tales como la relación aire-combustible, el grado de recirculación de los gases de escape, la presión de admisión de gas (aire y EGR) cuando está presente un compresor, la carga del motor y su velocidad de giro, en todo el margen de funcionamiento del motor. Estas mediciones de registran como calibración. Debe observarse que no es necesario medir todos los parámetros del motor como parte de la calibración con todos los motores ya que, como apreciarán los expertos en la técnica, algunos parámetros operativos del motor pueden correlacionarse estrechamente dependiendo de la configuración del motor particular y de su utilización. En líneas generales, no obstante, deben variarse al menos la carga del motor y la presión de admisión del gas (cuando está presente un compresor) al determinar la calibración.

Durante el uso real del motor, de acuerdo con esta realización, se miden las condiciones de funcionamiento del motor y se recupera el registro correspondiente del ángulo de inyección secundaria. Se hacen funcionar entonces los inyectores del motor de modo que la inyección secundaria tenga lugar en el ángulo óptimo merced a la acción de un controlador de inyectores. El ángulo óptimo, como se ha establecido en lo que antecede, depende de la cantidad y de la relación entre oxigenados y olefinas que se deseen en cada punto de funcionamiento para conseguir una reducción eficaz de NO_{x} y una emisión mínima de hidrocarburos en el escape.

En una realización preferida, la calibración se obtiene de la forma siguiente:

En primer lugar, se determina el ángulo de distribución de la inyección secundaria en un punto de referencia en el que se hace máxima la producción de agentes reductores de NO_{x}. El ángulo de distribución se conoce como ángulo de referencia para la producción máxima de agentes reductores, AP_{r}. Preferiblemente, el punto de referencia se selecciona para que se encuentre bien dentro del margen de todos los parámetros utilizados en la calibración.

Una vez determinado AP_{r}, se realizan mediciones en el motor diesel para determinar la extensión de los cambios que es necesario realizar en el ángulo de inyección para conseguir una producción máxima de agentes reductores de NO_{x}, cuando se hacen variar parámetros del motor tales como la carga, la velocidad y la presión de admisión del gas cuando está presente un compresor. Se registra el ángulo de inyección correspondiente a una generación máxima de agentes reductores para condiciones de funcionamiento correspondientes al margen operativo del motor. El ángulo de inyección correspondiente a una producción máxima (AP) de agentes reductores en un punto (i) de funcionamiento del motor, que difiere del punto de referencia (r), se denomina AP_{i}. La desviación del ángulo de inyección respecto del ángulo de inyección de referencia es, por tanto, AP_{i}-AP_{r}.

En esta realización, puede cambiarse la proporción relativa de olefinas y oxigenados presentes entre los agentes reductores de NO_{x} haciendo variar el ángulo de inyección secundaria. Como se ha explicado en lo que antecede, con frecuencia es deseable incrementar la concentración relativa de oxigenados o de olefinas entre los productos craqueados cuando cambian las condiciones de funcionamiento del motor. Generalmente, se obtiene una concentración de oxigenados relativamente mayor en el caso de ángulos de inyección secundaria menores y la mayor concentración de olefinas ocurre a ángulos superiores. Véase la Figura 3. El ángulo de inyección secundaria deseado en el punto operativo de referencia (r) correspondiente a la relación deseada de oxigenados/olefinas y el rendimiento total de productos craqueados, AD_{r}, se determinan merced a mediciones directas en el motor. Se ha descubierto que la desviación deseada respecto del ángulo de inyección correspondiente a una generación máxima de agentes reductores en cualquier punto operativo (i) del motor igual a AD_{i}-AP_{i} es una constante aproximadamente igual al valor AD_{r}-AP_{r}. Véanse las Figuras 5 y 6. En otras palabras, se ha descubierto que la magnitud de la desviación del ángulo del cigüeñal entre el ángulo de inyección secundaria correspondiente a una generación máxima de agentes reductores en cualquier punto operativo (i) y el ángulo correspondiente a la relación deseada de oxigenados/olefinas y el rendimiento total de productos craqueados en el mismo punto (i), es aproximadamente constante para todos los valores de (i) y, en consecuencia, puede evaluarse al valor de referencia (r).

En las Figuras 4 y 5 los puntos representados con rectángulos corresponden a una carga BMEP de 3,1 bar, una presión de admisión de 1,4 bar y una velocidad de giro de 2250 r.p.m.; los puntos en forma de rombos corresponden a una carga BMEP de 1,5 bar, una presión de admisión de 1,4 bar y una velocidad de giro de 2100 r.p.m.; los puntos en forma de estrella corresponden a una carga BMEP de 3,1 bar, una presión de admisión de 1,2 bar y una velocidad de giro de 1550 r.p.m.; y los puntos circulares corresponden a una carga BMEP de 2,0 bar, una presión de admisión de 1,1 bar y una velocidad de giro de 1550 r.p.m. El mismo convenio de referencias se aplica en la Figura 6. Las Figuras 5 y 6 fueron generadas utilizando el mismo modelo cinético que en la Figura 4.

Para resumir, en esta realización, los parámetros AP_{r} y AD_{r}-AP_{r} y el vector AP_{i} se determinan como calibración utilizando mediciones directas en el motor. La cantidad y el tipo de agentes reductores de NO_{x}pueden optimizarse después, durante el uso real del motor determinando el punto (i) de funcionamiento del motor que corresponde a una condición operativa particular y determinando luego el ángulo deseado del cigüeñal para la inyección secundaria AD_{i} a partir de la relación AD_{i} = AP_{r}+(AP_{i}-AP_{r})+(AD_{i}-AP_{i}), donde AD_{i}-AP_{i} es igual a AD_{r}-AP_{r} para cualquier (i).

Los puntos de calibración se seleccionan de entre estos valores de carga y velocidad del motor que corresponden a un margen de funcionamiento deseado del motor. Los puntos particulares seleccionados dependerán del catalizador particular empleado y de la cantidad total de NO_{x} presente en la corriente de escape antes del catalizador de escape, en función de la carga y de la velocidad del motor.

La conversión catalítica de las especies NO_{x} ocurre en un margen de temperaturas en que es funcional el catalizador de escape. La temperatura del catalizador de escape, a cualquier velocidad particular viene determinada, principalmente por la carga de trabajo. En consecuencia, a cualquier velocidad particular del margen de funcionamiento, se selecciona el punto de calibración de carga-velocidad mínimo a una carga correspondiente a una temperatura del catalizador de escape que se encuentre al comienzo del margen funcional. El punto máximo de calibración carga-velocidad a esa velocidad se selecciona a una carga correspondiente a una temperatura del catalizador de escape en el extremo superior del margen de temperaturas de funcionamiento del catalizador, siempre que la carga no supere la carga máxima del motor para la velocidad seleccionada.

En la práctica, durante la calibración de un motor diesel, se seleccionan puntos de calibración a velocidades que abarcan el margen de funcionamiento deseado del motor y se determinan los valores de carga máximo y mínimo para cada velocidad, como antes se ha establecido. Dentro del margen de estos valores de carga máximo y mínimo, se seleccionarán otros puntos de calibración cuando se observe una producción incrementada de NO_{x}.

El número exacto de puntos de calibración dependerá del tipo de motor diesel y de la forma en que se utilice éste. Por ejemplo, en casos en que el motor sea hecho funcionar continuamente a una carga y con una velocidad constantes, puede bastar con un único punto de calibración para la práctica del invento. En otros casos, tales como aquéllos en los que el motor es sometido a condiciones de carga y de velocidad rápidamente variables en todo el margen de funcionamiento del motor, los puntos de calibración pueden incluir valores de carga mínimo y máximo a velocidades representativas, así como puntos de calibración dentro de estos valores mínimo y máximo en puntos de carga-velocidad correspondientes a una producción de NO_{x} incrementada. El European City Emission Extended Urban Driving Cycle es representativo de tal caso. Este ciclo de conducción se establece en la directiva 91/441/C.E.E. modificada por la 96/69/CE como ciclo de ensayo de emisiones Prueba de Tipo 1.

No es necesario obtener un valor de calibración en cada punto de funcionamiento del margen operativo del motor que presente una producción incrementada de NO_{x}. Se ha obtenido un número suficiente de puntos de calibración cuando pueden utilizarse métodos de interpolación estándar, conocidos para los expertos en la técnica, para determinar el ángulo del cigüeñal para la inyección secundaria correspondiente a una generación máxima de agentes reductores en cualquier punto de funcionamiento del motor.

En la realización preferida, el invento es llevado a la práctica como se muestra en la figura 2. La figura 2 muestra un depósito (1) de combustible conectado a una bomba (2) de combustible. El combustible abandona la bomba de combustible a alta presión y es entregado a un conducto común (3). Una unidad (5) de control de inyectores percibe información relativa a la carga y la velocidad del motor a través de perceptores (7). La unidad de control de inyectores determina el punto (i) de funcionamiento del motor y calcula el ángulo AD_{i} de inyección deseado. La unidad de control de inyectores genera una señal (6) que activa los inyectores (4) del motor al alcanzarse el ángulo apropiado del cigüeñal, de forma que la inyección secundaria tenga lugar en el ángulo AD_{i} deseado del cigüeñal en cada uno de los cilindros del motor.

Como se apreciará fácilmente, los motores diesel tienen diversos modelos. Para cada modelo de motor, puede determinarse fácilmente la relación entre la condición de consumo de combustible y las características del gas de escape. Cualquier experto en la técnica es capaz de ajustar la composición del gas de escape inyectando una cantidad preseleccionada de hidrocarburo en el cilindro durante su carrera de expansión, en un ángulo de inyección secundaria predeterminado. Esto permite optimizar el motor desde el punto de vista de proporcionar una eficacia y una potencia máximas y, al mismo tiempo, poder tener un gas de escape con una cantidad apropiada de especies reductoras en el gas para uso en la reducción de NO_{x} en el gas de escape en presencia de un convertidor catalítico apropiado.

La inyección secundaria también puede dar como resultado la conversión del NO producido durante la combustión de la carga de combustible principal en NO_{2}. Como en la generación de agentes reductores, puede obtenerse una magnitud deseada de conversión de NO a NO_{2} haciendo variar el ángulo del cigüeñal para la inyección secundaria en respuesta a condiciones variables de funcionamiento del motor. La magnitud de la conversión se ve afectada por el grado de mezcla entre el NO y el agente que se inyecta. La conversión máxima de NO en NO_{2} a un ángulo dado del cigüeñal para la inyección secundaria y en un punto dado de funcionamiento del motor, se obtiene cuando el NO y el agente que se inyecta se mezclan por completo.

Claims

1. Un método para hacer funcionar un motor diesel para disminuir la concentración de NO_{x} presente en la corriente de escape del motor, aguas abajo de un catalizador de escape, sin que se reduzca sustancialmente la potencia del motor, inyectando un hidrocarburo en el cilindro del motor diesel durante la carrera de expansión, a continuación de la inyección de una carga principal de combustible en el cilindro del motor durante una carrera de admisión, con el fin de incrementar la formación de productos craqueados que contienen oxigenados, insaturados, oxigenados insaturados y mezclas de los mismos, en el que la cantidad de hidrocarburo inyectada durante la carrera de expansión es de desde un 0,5% en peso a un 5% en peso basado en el peso de la carga de combustible principal del motor, comprendiendo el método:

medir la formación y la composición de los productos craqueados en función del ángulo de inyección secundaria en puntos de calibración seleccionados cuando se hacen variar las condiciones de funcionamiento en el margen operativo del motor, y registrar estas mediciones como calibración, en la forma siguiente:

: se determina el ángulo de la distribución para la inyección secundaria al cual se hace máxima la generación de productos craqueados, AP_{r}, en un punto de funcionamiento de referencia del motor,

: se determinan los ángulos AP_{i} de la distribución para la inyección secundaria, correspondientes a una generación máxima de productos craqueados cuando se hacen variar los parámetros del motor en el margen de funcionamiento de éste, en puntos (i) de funcionamiento del motor merced a mediciones realizadas en el motor,

: se determina el ángulo de la distribución para la inyección secundaria correspondiente a la relación deseada entre productos craqueados olefínicos y oxigenados y el rendimiento total de productos craqueados, AD_{r}, en el punto de funcionamiento de referencia del motor merced a mediciones realizadas en el motor,

: se calcula como AD_{r}-AP_{r} la magnitud de la desviación del ángulo de la distribución para la inyección secundaria entre el ángulo correspondiente a la generación máxima de productos craqueados y el ángulo correspondiente a la relación deseada de oxigenados/olefinas y el rendimiento total de productos craqueados en cualquier punto de funcionamiento (i),

luego, durante el funcionamiento del motor,

a): determinar el punto (i) de funcionamiento del motor que corresponde a una condición particular de funcionamiento,

b): determinar el ángulo deseado para la inyección secundaria, AD_{i} para ese punto de funcionamiento a partir de la relación AD_{i} = AP_{r}+(AP_{i}-AP_{r})+(AD_{r}-AP_{r}), si es necesario utilizando métodos de interpolación estándar para determinar AP_{i} a partir de la calibración,

c): hacer funcionar los inyectores del motor de modo que la inyección secundaria se produzca a ese ángulo deseado de inyección secundaria, AD_{i}, merced a la actuación de un controlador de inyectores, y

d): repetir las operaciones (b) y (c) siempre que cambie el punto de funcionamiento en la operación (a).

2. El método de la reivindicación 1, en el que el punto de funcionamiento del motor se determina a partir de, al menos, uno de entre la carga del motor, la velocidad del motor y la presión de admisión del gas cuando está presente un compresor del gas de admisión.

3. El método de la reivindicación 1, en el que el ángulo del cigüeñal en el momento de la inyección está comprendido entre 20º después del punto muerto superior y 180º después del punto muerto superior.

4. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que la cantidad de hidrocarburo inyectada durante la carrera de expansión está comprendida entre un 1% en peso y un 3% en peso basado en el peso de la carga principal de combustible al motor.

5. El método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que el hidrocarburo inyectado es el mismo que se utiliza como combustible principal.

6. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el hidrocarburo inyectado es diferente del que se utiliza como combustible principal.

7. El método de la reivindicación 6, en el que el hidrocarburo inyectado durante la carrera de expansión se selecciona del grupo que consiste en iso-parafinas, ciclo-parafinas y parafinas normales, y mezclas de las mismas.