ES2205312T3 - Procedimiento de funcionamiento de un intercambiador de calor en la corriente de gases de escape de un motor de combustion interna para vehiculos automoviles. - Google Patents

Abstract

LA INVENCION SE REFIERE A UN METODO PARA OPERAR UN INTERCAMBIADOR DE CALOR EN CORRIENTE DE GAS DE ESCAPE DE UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA PARA VEHICULOS, QUE SE CARACTERIZA PORQUE LA CORRIENTE DE GAS DE ESCAPE PUEDE DIVIDIRSE Y ENVIARSE POR UNA CONDUCCION PRINCIPAL (2) Y UNA CONDUCCION DE BYPASS (3), PORQUE EL INTERCAMBIADOR DE CALOR (4) ESTA DISPUESTO EN LA CONDUCCION DE BYPASS (3) Y PORQUE DURANTE UNA ETAPA DE CALENTAMIENTO PUEDE GENERARSE UN REFLUJO EN LA CONDUCCION PRINCIPAL (2) QUE PRODUCE UNA CONTRAPRESION EN LA SALIDA DEL GAS DE ESCAPE DEL MOTOR DE COMBUSTION INTERNA. SEGUN LA INVENCION, LA ETAPA DE CALENTAMIENTO SE DIVIDE EN DOS FASES, GENERANDOSE EN LA PRIMERA FASE UNA CONTRAPRESION MAYOR QUE EN LA SEGUNDA FASE. PREFERENTEMENTE SE DISPONE UNA PRIMERA VALVULA (V1) EN LA CONDUCCION PRINCIPAL (2) Y UNA SEGUNDA VALVULA (V2) EN LA CONDUCCION DE BYPASS (3) DESPUES DEL INTERCAMBIADOR DE CALOR (4). EN LA PRIMERA FASE AMBAS VALVULAS ESTAN CERRADAS Y EN LA SEGUNDA FASE LA PRIMERA VALVULA ESTA CERRADA Y LA SEGUNDA VALVULA ABIERTA.

Description

Procedimiento de funcionamiento de un intercambiador de calor en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna para vehículos automóviles.

La invención concierne a un procedimiento de funcionamiento de un intercambiador de calor calentado por gases de escape en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna según el preámbulo de la reivindicación 1.

Un procedimiento de esta clase es conocido, por ejemplo, por el documento GB-A-2 301 177. Un procedimiento semejante es conocido también por el documento DE 195 00 473 A1. En los procedimientos conocidos la energía de la contrapresión de la corriente de gases de escape se convierte en calor, especialmente por efecto del remansado en la tubería de gases de escape a la salida de estos gases del motor de combustión interna. Debido a la elevada contrapresión de los gases de escape, especialmente en una fase de marcha de calentamiento, el motor de combustión interna es solicitado adicionalmente, pudiendo recuperarse el calor producido parcialmente a través del intercambiador de calor de gases de escape para efectuar un calentamiento más rápido del refrigerante. Esto conduce, por un lado, a que se pueda ajustar la temperatura de los gases de escape en un intervalo en el que trabajan de forma óptima los sistemas pospuestos de tratamiento posterior, y, por otro lado, el más rápido calentamiento del refrigerante conduce a que se reduzcan las emisiones de gases de escape. Además, debido a la mayor contrapresión de los gases de escape se presenta un aumento de las tasas internas de retorno de gases de escape.

El procedimiento conocido por el documento DE 195 00 473 A1 se compone de dos fases: Una primera fase en forma de una fase de arranque y una segunda fase en forma de una fase normal. En la primera fase durante un funcionamiento de marcha de calentamiento, no definido con más detalle, se activan preferiblemente dos válvulas, una primera válvula aguas arriba y una segunda válvula aguas abajo del intercambiador de calor, según un ciclo establecido, de tal manera que primero se cierra la válvula dispuesta aguas abajo y se abre la válvula dispuesta aguas arriba para llenar el intercambiador de calor con gases de escape calientes que entran con alta velocidad desde la zona de remansado, y a continuación se vuelve a cerrar tan oportunamente la válvula dispuesta aguas arriba que se origina una sobrepresión con temperatura y densidad simultáneamente incrementadas en el intercambiador de calor. Después de transcurrido un período de permanencia predeterminado, se abre primero la válvula dispuesta aguas abajo para vaciar el intercambiador de calor y generar entonces una depresión, y a continuación se vuelve a cerrar dicha válvula. Seguidamente, se repite el ciclo. En el procedimiento conocido por el documento DE 195 00 473 A1 el intercambiador de calor puede estar dispuesto tanto en la tubería principal como en una tubería de derivación de la tubería de gases de escape. Mientras que en la primera fase descrita se realiza un calentamiento máximo posible de los gases de escape, en la segunda fase como fase normal se concluye llanamente el calentamiento adicional de los gases de escape abriendo las válvulas para hacer posible un flujo lo más libre posible a través de al menos la tubería principal de gases de escape.

Este procedimiento conocido representa un control muy sencillo para el calentamiento acelerado de los gases de escape, en el que quedan sin considerar todas las demás funciones y estados de funcionamiento del motor de combustión interna, como, por ejemplo, procesos de aceleración o funciones óptimas para el confort y las emisiones.

Por tanto, el cometido de la invención consiste en mejorar un procedimiento de la clase citada al principio de tal manera que se tengan en cuenta también otros parámetros funcionales de un control de motor de combustión interna, especialmente en lo que se refiere a ventajas de confort o de emisiones.

Este problema se resuelve con las particularidades caracterizantes de la reivindicación 1.

Las reivindicaciones subordinadas son perfeccionamientos ventajosos de la invención.

Sustancialmente, el funcionamiento de marcha de calentamiento se divide según la invención en dos fases, generándose en la primera fase una contrapresión más alta que en la segunda fase. A este fin, están dispuestas preferiblemente una primera válvula en la tubería principal y una segunda válvula en la tubería de derivación aguas abajo del intercambiador de calor, de modo que en la primera fase, especialmente en el intervalo de temperatura inferior y/o bajo una pequeña carga del motor de combustión interna, se pueden cerrar ambas válvulas para una contrapresión máxima posible y en la segunda fase está cerrada la primera válvula, pero abierta la segunda válvula. Por consiguiente, en la segunda fase la corriente de gases de escape se ve impedida adicionalmente de circular por la tubería principal. Por tanto, la corriente de gases de escape es forzada a circular por la tubería de derivación más estrecha con el intercambiador de calor. Se origina así ciertamente una menor contrapresión que en la primera fase, pero se impide un flujo libre por la tubería principal. La fase normal, en la que la corriente de gases de escape puede circular sin impedimento por la tubería principal, se define como tercera fase. Sin embargo, preferiblemente, en la tercera fase está cerrada la segunda válvula en la tubería de derivación.

La segunda válvula puede estar cerrada en la primera fase, por ejemplo bajo carga de muelle, eligiéndose la característica del muelle de modo que la corriente de gases de escape pueda ejercer una ligera presión sobre la válvula. Por tanto, queda garantizado el suministro de gas de escape caliente al intercambiador de calor.

Las válvulas primera y segunda son preferiblemente compuertas de estrangulación.

La segunda fase se elige especialmente a temperaturas medias del refrigerante (por ejemplo, entre 70º y 85ºC) en la zona de carga inferior del motor de combustión interna.

Cuando la temperatura del refrigerante está cerca de la temperatura de funcionamiento, es decir, cerca de la temperatura de apertura del termostato, fundamentalmente todo el gas de escape deberá circular sin impedimentos por la tubería principal. Por tanto, especialmente a una temperatura del refrigerante que ha sobrepasado un umbral de temperatura superior, se inicia la tercera fase o se desconecta la calefacción del gas de escape.

En el dibujo se ha representado un ejemplo de ejecución de la invención. Muestran:

las figuras 1 a 3, las posiciones de las válvulas en las tres fases y

la figura 4, una lógica de control posible de la calefacción de gases de escape según la invención.

En la figura 1 se ha conectado una tubería principal 2 de gas de escape a la salida de gases de escape de un motor de combustión interna 1. De la tubería principal 2 parte una tubería de derivación 3 en la que está dispuesto un intercambiador de calor 4 calentado por los gases de escape. En la tubería principal 2 está dispuesta aguas arriba, referido al intercambiador de calor 4, una primera válvula V1 en forma de una compuerta de estrangulación. Referido al intercambiador de calor 4, una segunda válvula V2 está montada aguas abajo en la tubería de derivación 3. En la figura 1 ambas válvulas V1 y V2 están cerradas. Esto corresponde a la primera fase, en la que se genera la contrapresión más alta a la salida de gas de escape del motor de combustión interna 1.

En las figuras 2 y 3 las piezas iguales están provistas de los mismos símbolos de referencia. En la figura 2 se representa la posición de las válvulas V1 y V2 en la segunda fase, en la que la primera válvula V1 está cerrada y la segunda válvula V2 está abierta.

En la figura 3 se representa la fase normal o tercera fase, en la que está desconectada la calefacción de gases de escape, para lo cual está abierta especialmente la primera válvula V1. Preferiblemente, la segunda válvula V2 está cerrada. En la tercera fase la corriente de gas de escape puede circular sin impedimento por la tubería principal 2.

En la figura 4 se representa la lógica de control de las válvulas en función de las fases F seleccionadas. En primer lugar, tiene lugar una preselección de una fase en función del punto de funcionamiento, para lo cual se define a través de un campo característico básico GK, en función del par de giro M y del número de revoluciones N del motor de combustión interna, en qué punto de funcionamiento del motor de combustión interna deberá seleccionarse qué fase de las tres fases posibles F = 1 a F = 3. Una histéresis siguiente para límites de conmutación entre las fases F deberá impedir una conexión en vaivén constante de las válvulas.

A continuación, tiene lugar una preselección de una fase en función de la temperatura del refrigerante. Se definen para ello, por ejemplo, un umbral de temperatura del ciclo de marcha T_WFZ (por ejemplo, 70ºC) y un umbral de temperatura de la calefacción de gases de escape T_WHZ (por ejemplo, 75ºC). Como umbral de temperatura de conmutación T_WFZHZ, al sobrepasarse el cual se conmuta de la primera fase F = 1 a la segunda fase F = 2, se prefija fundamentalmente el umbral de temperatura del ciclo de marcha T_WFZ. Sin embargo, si se conecta la calefacción del vehículo (ZHA = 1), el umbral de temperatura de la calefacción de gases de escape T_WHZ óptimo para el confort se considera como umbral de temperatura de conmutación T_WFZHZ. Cuando el umbral de temperatura de conmutación T_WFZHZ es mayor que la temperatura momentánea del refrigerante T_W (a > b), se preselecciona la primera fase F = 1 para calentar el gas de escape lo más rápidamente posible.

Cuando, debido a la preselección dependiente de la temperatura del agua, se ha prefijado, por ejemplo, la segunda fase F = 2 y, debido a la preselección dependiente del punto de funcionamiento, se ha prefijado, por ejemplo, la primera fase F = 1, se emite por parte de la unidad de selección máxima MAX la fase más alta en su numeración, en el presente ejemplo la segunda fase F = 2, y se ajusta ésta también básicamente. Sin embargo, cuando se presenta al menos un estado de los estados de funcionamiento individuales prefijados Z1 a Z5, se ajusta prioritariamente como excepción la tercera fase F = 3. El estado Z1 puede haberse cumplido, por ejemplo, cuando la temperatura momentánea del refrigerante T_W sobrepasa la temperatura de apertura del termostato (por ejemplo, 85ºC). El estado Z2 puede ser, por ejemplo, una aportación rápida de gas y el estado Z3 puede ser una suelta rápida del pedal del acelerador. El estado Z4 es, por ejemplo, el arranque del motor de combustión interna. El estado Z5 se ha cumplido, por ejemplo, cuando se presenta funcionamiento de empuje por encima de un umbral de velocidad de marcha definido, de modo que existe un riesgo de bloqueo de las ruedas motrices debido a un elevado par de arrastre del motor. Cuando se presenta al menos un estado de estos estados de funcionamiento individuales Z1 a Z5, se deberá desconectar la estrangulación de los gases de escape abriendo al menos la primera válvula V1 (tercera fase, F = 3).

Las dos válvulas V1 y V2 en forma de compuertas de estrangulación son controladas preferiblemente a través de un control negro-blanco digital (apertura/cierre) y a través de cajas de depresión. Por motivos de seguridad, sin aplicación de depresión, la primera válvula V1 deberá estar abierta y la segunda válvula V2 deberá estar cerrada. En la transición de la segunda fase F = 2 a la tercera fase F = 3 se deberá efectuar con desfase en el tiempo, para evitar puntas de presión en el conducto de gases de escape, la activación de las dos cajas de depresión (activación de V): primero, se abre la primera válvula V1 y seguidamente se cierra la segunda válvula V2 después de un retardo de tiempo. Al retornar de la tercera fase F = 3 a la segunda fase F = 2, se deberá abrir primero la segunda válvula V2 y seguidamente se deberá cerrar la primera válvula V1 después de un retardo de tiempo. En transiciones de la primera fase F = 1 a la segunda fase F = 2, y viceversa, así como en transiciones de la primera fase F = 1 a la tercera fase F = 3, y viceversa, no tienen que preverse conexiones desfasadas en el tiempo de las válvulas V1 y V2.

Ventajosamente, los campos característicos K1 y K2 empleados usualmente en motores de combustión interna para controlar la relación aire/carburante pueden modificarse en función de la fase F ajustada. El campo característico K1 es, por ejemplo, el campo característico del comportamiento de marcha en función del número de revoluciones N y del emisor de ángulos del pedal PWG, mediante el cual se prefija el deseo de par de giro para controlar la cantidad de carburante. El campo característico K1 del comportamiento de marcha se modifica, por ejemplo, por medio de una curva característica de corrección KL dependiente del número de revoluciones N. En el ejemplo representado la curva característica de corrección KL del campo característico K1 del comportamiento de marcha deberá impedir un salto de par de giro por efecto de la aplicación o desaplicación de la estrangulación de los gases de escape bajo una posición constante del ángulo del pedal. Se conecta aquí la cantidad de corrección en forma de rampa, pudiendo ajustarse la longitud de la rampa en función de la fase F seleccionada.

El campo característico K2 es, por ejemplo, el campo característico básico para una tasa de retorno de gas de escape en función del número de revoluciones N del motor de combustión interna y del deseo de par M_EWUN del conductor. Este campo característico básico K2 se modifica por medio de un campo característico de corrección KK para tener en cuenta las condiciones termodinámicas modificadas a elevada contrapresión del gas de escape. La conexión de la cantidad de aire nominal de corrección se efectúa aquí también en forma de rampa en función de la fase F seleccionada. A través de los campos característicos K1 y K2 modificados deberá existir en principio, después de la selección máxima de entre la preselección de una fase en función de la temperatura del refrigerante y la preselección de esta fase en función del punto de funcionamiento, la posibilidad de reaccionar a las contrapresiones modificadas del gas de escape con cantidades de inyección deseadas modificadas y tasas de retorno de gas de escape modificadas.

Mediante el ejemplo de ejecución representado se pone claramente de manifiesto que, en contraposición al sencillo control según el estado de la técnica, se proporcionan con el procedimiento según la invención las posibilidades adicionales siguientes:

1. Histéresis para los límites de conmutación de la estrangulación de los gases de escape.

2. Posibilidad de elección entre función de la estrangulación de gases de escape óptima para el confort y las emisiones.

3. Dependencia de la estrangulación respecto de procesos de aceleración (gradientes de cantidad de inyección).

4. Desconexión de la estrangulación en situaciones difíciles en el aspecto de la dinámica de marcha.

5. Impedimento de un salto de par de giro al aplicar o desaplicar la estrangulación.

6. Corrección de las tasas de retorno de gas cuando está conectada la estrangulación de gases de escape.

7. Activación diferenciada en el tiempo de las compuertas de gases de escape para evitar puntas de presión en el conducto de estos gases.

8. Incorporación simultánea de parámetros funcionales del motor en el control (ventajas de confort y de emisiones).

9. Integración del control de las válvulas en el control del motor de combustión interna.

Claims (6)

1. Procedimiento de funcionamiento de un intercambiador de calor en la corriente de gases de escape de un motor de combustión interna para vehículos automóviles, en el que la corriente de gases de escape se puede distribuir en una tubería principal (2) y en una tubería de derivación (3), en el que el intercambiador de calor (4) está dispuesto en la tubería de derivación (3) y en el que se puede generar en la tubería principal (2) durante un funcionamiento de marcha de calentamiento un remansado que origine una contrapresión a la salida de gases de escape del motor de combustión interna (1), dividiéndose el funcionamiento de marcha de calentamiento en dos fases, generándose en la primera fase (F = 1) una contrapresión más alta que en la segunda fase (F = 2), caracterizado porque una primera válvula (V1) está dispuesta en la tubería principal (2) entre las conexiones de la tubería de derivación y una segunda válvula (V2) está dispuesta en la tubería de derivación (3) aguas abajo del intercambiador de calor (4), y porque en la primera fase (F = 1) ambas válvulas (V1, V2) están cerradas y en la segunda fase (F = 2) la primera válvula (V1) está cerrada, pero la segunda válvula (V2) está abierta.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque una tercera fase (F = 3) está definida como fase normal en la que preferiblemente la primera válvula (V1) está abierta, pero la segunda válvula (V2) está cerrada.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque se preselecciona una fase (por ejemplo, F = 2) en función de la temperatura del refrigerante (T_W), e independientemente de ella se preselecciona una fase (por ejemplo, F = 1) en función del punto de funcionamiento del motor de combustión interna referido al par de giro (M) y/o referido al número de revoluciones (N), y porque a continuación, en caso de desigualdad de las fases preseleccionadas, se ajusta la fase más alta en su numeración (aquí: F = 2).

4. Procedimiento según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque en función de estados de funcionamiento individuales prefijados (Z1 a Z5) se ajusta prioritariamente la tercera fase (F = 3).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se controlan las válvulas (V1, V2) con cierto desfase en el tiempo cuando tienen que variarse las posiciones de ambas válvulas (V1, V2) al pasar de una fase (por ejemplo, F = 2) a otra fase (por ejemplo, F = 3).

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque los campos característicos (K1, K2) empleados usualmente en motores de combustión interna para controlar la relación aire/carburante pueden ser modificados en función de la fase ajustada.