ES2215823T3

ES2215823T3 - Motor de combustion interna multicilindro con un dispositivo para calentar un catalizador.

Info

Publication number: ES2215823T3
Application number: ES01116808T
Authority: ES
Inventors: Peter Muller; Stephan Ramatschi; Stefan Detterbeck; Hanns-Christian Dr. Hasenclever; Florian Preuss
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-08-18
Filing date: 2001-07-10
Publication date: 2004-10-16
Anticipated expiration: 2021-07-10
Also published as: EP1180583B1; ATE263310T1; EP1180583A3; DE50101825D1; DE10040516A1; EP1180583A2

Abstract

Motor de combustión interna multicilindro con un dispositivo para calentar el catalizador, especialmente motor de combustión interna con una cilindrada relativamente grande, - que comprende un dispositivo de formación de mezcla para la generación alternativa controlada por calentamiento/regulada por calentamiento de gas de escape rico en un primer grupo de cilindros (2) y gas de escape pobre en un segundo grupo de cilindros (3), y - cada grupo de cilindros (2, 3) está equipado con una tubería de gas de escape separada (4, 5) que lleva una catalizador de tres vías (6, 6¿) relativamente próximo al motor y un catalizador acumulador de NOx (7, 7¿) alejado del motor en sentido de aguas abajo, - estando dispuesta entre las dos tuberías de gas de escape (4, 5) aguas arriba de los catalizadores acumuladores de NOx (7, 7¿) una única tubería de unión (8) controlable por medio de una compuerta de estrangulación (10), y - estando equipadas las tuberías de gas de escape (4, 5), aguas abajo de los catalizadores acumuladores de NOx (7, 7¿), para el cierre alternativo controlado por calentamiento, con compuertas giratorias (9, 9¿) que sirven eventualmente de compuertas acústicas, - siendo llevada a posición de cierre la respectiva compuerta giratoria (9, 9¿) de la tubería de gas de escape (4, 5) que conduce un gas de escape rico y - siendo llevada al mismo tiempo a una posición abierta la compuerta de estrangulación (10) en la tubería de unión (8) para un retorno predeterminado de gas de escape al grupo de cilindros (2, 3) con gas de escape rico.

Description

Motor de combustión interna multicilindro con un dispositivo para calentar un catalizador.

La invención se refiere a un motor de combustión interna multicilindro con un dispositivo para calentar un catalizador.

Para el tratamiento posterior de los gases de escape de motores de combustión interna Otto de inyección por tubo de aspiración y de inyección directa, que se hacen funcionar con una relación aire-carburante pobre, se utilizan, entre otros, catalizadores acumuladores de NO_{x}. Estos catalizadores son envenenados en medida creciente en el transcurso de su funcionamiento por el azufre contenido en el carburante, incorporándose azufre en el catalizador en lugar de NO_{x}. Por tanto, es necesaria una desulfuración del catalizador después de cierto periodo de funcionamiento, ya que, en caso contrario, se reduce el rendimiento del catalizador respecto de NO_{x} hasta valores inadmisibles. Para la desulfuración se tiene que solicitar el catalizador con una temperatura mínima de, por ejemplo, 650ºC y una composición rica de los gases de escape. Estas condiciones pueden conseguirse, por ejemplo, durante un viaje en autopista. Sin embargo, si se mueve el vehículo con bajas cargas, por ejemplo principalmente en el tráfico urbano, no se alcanzan las condiciones de desulfatación. Para este caso son necesarias otras medidas, como, por ejemplo, una regulación retrasada del ángulo de encendido, una inyección doble o un llamado reglaje de bancos, en el que un grupo de cilindros es hecho funcionar con mezcla rica y al mismo tiempo el otro grupo de cilindros es hecho funcionar con mezcla pobre. Un suministro de carburante de esta clase es conocido, por ejemplo, por el documento DE 195 06 980 C2.

El reglaje de bancos es una medida muy eficaz para calentar el catalizador, eligiéndose la alimentación de carburante a los distintos grupos de cilindros de modo que se obtenga antes del respectivo catalizador aproximadamente una composición estequiométrica de los gases de escape. Las reacciones exotermas en el catalizador conducen a un fuerte calentamiento del catalizador acumulador de NO_{x} sin que tengan que calentarse los tubos de los gases de escape antes del catalizador acumulador. Esto representa una neta ventaja frente a otras medidas de calentamiento.

En una instalación de gases de escape multiflujo que se utiliza especialmente en motores de combustión interna de gran volumen un catalizador próximo al motor y un catalizador acumulador de NO_{x} dispuesto aguas abajo son solicitados cada uno con el gas de escape de un banco de cilindros. Por tanto, ya no es posible con medios sencillos calentar el catalizador acumulador por medio de un reglaje de bancos de cilindros. Únicamente es posible un reglaje de cilindros con el que se ha de calentar el catalizador, sirviendo el calor producido en el catalizador para calentar el catalizador acumulador subsiguiente. Resulta así la desventaja de un pequeño rendimiento y la desventaja adicional de un posible sobrecalentamiento y un deterioro inherente del catalizador. La problemática se acentúa aún en motores de combustión interna de gran volumen por la circunstancia de que debido al más bajo colectivo de carga en su utilización por el cliente, existe una demanda de calentamiento más frecuente que en el caso de motores de combustión interna de pequeño volumen.

Se conoce por el documento US 6,047,542 un motor de combustión interna multicilindro que comprende un primero y un segundo grupos de cilindros que pueden hacerse funcionar alternativamente en régimen rico y pobre, todos ellos con sendas tuberías de gas de escape separadas en ciertos segmentos y dotadas cada una de ellas de un dispositivo catalizador dispuesto cerca del motor y otro dispuesto lejos del motor. Aguas abajo de los dispositivos catalizadores alejados del motor las tuberías de gas de escape separadas desembocan en un ramal de tubería común en el que está instalado al menos otro dispositivo catalizador.

El primer grupo de cilindros es hecho funcionar preferiblemente en régimen rico para un catalizador de tres vías especial dispuesto cerca del motor en la primera tubería de gases de escape y destinado a generar amoniaco -NH_{3}- que puede ser alimentado en la misma tubería de gas de escape a un catalizador de NH_{3}.

El segundo grupo de cilindros es hecho funcionar preferiblemente en régimen pobre para un primer catalizador acumulador de NO_{x} dispuesto cerca del motor en la segunda tubería de gas de escape, al cual está asociado en la misma tubería de gas de escape, lejos del motor, un segundo catalizador acumulador de NO_{x}.

Ambas tuberías de gas de escape se pueden unir entre los dispositivos catalizadores próximos al motor y los alejados del motor por medio de sendas tuberías de unión separadas, controladas por compuerta, para aumentar una conversión de NO_{x} mediante una formación reforzada de amoniaco. Finalmente, el amoniaco es transformado en el dispositivo catalizador del ramal de tubería común.

Asimismo, se conoce por el documento US 3,943,710 un motor de combustión interna multicilindro con filas de cilindros opuestas una a otra, en donde cada fila de cilindros lleva asociada una tubería de gas de escape, cada una de éstas con un catalizador de gas de escape. Aguas arriba de los dos catalizadores ambas tuberías de gas de escape están unidas una con otra con el fin de hacer, por medio de una compuerta de mando en una de las tuberías de gas de escape, especialmente en el arranque en frío del motor de combustión interna, que el gas de escape de ambos bancos de cilindros sea conducido a través de solamente uno de los catalizadores para calentarlo con mayor rapidez. Al alcanzarse la temperatura de conversión se pone la compuerta de mando en posición de paso, alimentándose gas de escape ya atemperado a más alta temperatura, a través de esta tubería de gas de escape, al catalizador no recorrido por la corriente hasta entonces.

La invención se basa en el problema de construir para un motor de combustión interna multicilindro un dispositivo de calentamiento del catalizador en el sentido de que, con un pequeño coste de mando, en combinación con una configuración constructiva sencilla, se logre un calentamiento seguro del catalizador para, por un lado, una reactivación y, por otro lado, un aseguramiento de una temperatura de activación, debiendo alcanzarse al mismo tiempo con la configuración un retorno de gas de escape.

Este problema se resuelve con la reivindicación independiente.

Para el calentamiento según la invención de uno de los catalizadores acumuladores de NO_{x} alejados del motor se hace funcionar en régimen rico un grupo de cilindros del motor de combustión interna, mientras que el otro grupo de cilindros se hace funcionar al mismo tiempo en régimen pobre. Debido al bloqueo según la invención de la tubería de gas de escape que conduce el gas de escape rico se genera en ésta una contrapresión tal que el gas de escape rico pasa por la tubería de unión, abierta en una medida predeterminada, a la tubería de gas de escape sin estrangular que conduce gas de escape pobre para formar un gas de escape sustancialmente estequiométrico que provoca reacciones exotermas en el catalizador acumulador de NO_{x}, con la consecuencia de un fuerte calentamiento que es útil para una reactivación y/o un aseguramiento de una temperatura de actividad. Para calentar el otro catalizador acumulador de NO_{x} de la manera antes descrita se permuta, por un lado, el reglaje de los bancos de cilindros y, por otro lado, se bloquea de forma controlada la otra tubería de gas de escape que conduce ahora gas de escape rico.

Con el bloqueo controlado de la respectiva tubería de gas de escape que conduce un gas de escape rico es posible por medio de la compuerta de estrangulación en la tubería de unión entre las tuberías de gas de escape un represado del gas de escape por el lado del motor que provoca un retorno del gas de escape al grupo de cilindros que suministra gas de escape rico, con la ventaja no despreciable de una reducción espontánea o automática del par de giro. Se puede suprimir así de manera ventajosa una estrangulación adicional del aire de aspiración según una de las medidas conocidas.

Resulta de esto como ventaja adicional para un motor de combustión interna multicilindro el empleo de una instalación de aspiración de aire simplificada, ya que no es necesaria una estrangulación de aspiración dependiente del grupo de cilindros.

Se describe la invención con ayuda de un motor de combustión interna multicilindro representado esquemáticamente en el dibujo.

Un motor de combustión interna 1 construido como motor en línea con preferiblemente 6 cilindros está equipado con un dispositivo de calentamiento del catalizador que comprende un dispositivo de formación de mezcla no mostrado para la generación alternativa controlada por calentamiemto/regulada por calentamiento de gas de escape rico en un primer grupo de cilindros 2 y gas de escape pobre en un segundo grupo de cilindros 3. Cada grupo de cilindros 2, 3 está equipado con una tubería de gas de escape separada 4, 5 con un catalizador 6, 6' relativamente próximo al motor y un catalizador 7, 7' alejado del motor en sentido de aguas abajo. Preferiblemente, como catalizadores 6, 6' próximos al motor se han elegido catalizadores de tres vías y como catalizadores 7, 7' alejados del motor se han elegido catalizadores acumuladores de NO_{x}.

Como puede apreciarse también en la figura única, entre ambas tuberías de gas de escape 4, 5, aguas arriba de los catalizadores acumuladores de NO_{x} 7, 7', está dispuesta una tubería de unión 8 y aguas abajo de los catalizadores acumuladores de NO_{x} 7, 7' las tuberías de gas de escape 4, 5 están equipadas con órganos de mando 9, 9' para el cierre alternativo controlado por calentamiento.

Dado que uno de los grupos de cilindros 2, 3 con gas de escape rico suministra un par de giro mayor en comparación con el otro grupo de cilindros 3, 2 con gas de escape pobre, se tiene que, durante el funcionamiento de calentamiento de uno de los dos catalizadores alejados del motor o catalizadores acumuladores de NO_{x} 7, 7', se controla según la invención el órgano de mando 9, 9' de la tubería de gas de escape 4, 5 que conduce un gas de escape rico para llevarlo a la posición de cierre.

Por tanto, en la tubería de gas de escape 4 del grupo de cilindros 2 que conduce un gas de escape rico se genera una contrapresión que, por un lado, provoca un traspaso del gas de escape rico, a través de la tubería de unión 8, a la tubería de gas de escape 5 sin estrangular que conduce un gas de escape pobre proveniente del grupo de cilindros 3. Esto proporciona una mezcla de gas de escape aproximadamente estequiométrica, cuyas reacciones exotérmicas en el catalizador acumulador de NO_{x} 7' conducen a un fuerte calentamiento que es útil para una reactivación o un aseguramiento de una temperatura de actividad.

Por otro lado, la contrapresión antes descrita en la tubería de gas de escape 4 provoca en el grupo de cilindros 2 un intenso retorno de gas de escape, con la ventaja de una reducción del par de giro del grupo de cilindros 2 que funciona en régimen rico en comparación con el grupo de cilindros 3 que funciona en régimen pobre. La cuantía del retorno de gas de escape puede controlarse preferiblemente por medio de una compuerta de estrangulación 10 en la tubería de unión 8.

Para calentar el catalizador acumulador de NO_{x} 7 se ajusta el grupo de cilindros 2 a un gas de escape pobre y el grupo de cilindros 3 a un gas de escape rico, llevándose el órgano de mando 9' en la tubería de gas de escape 5 a una posición de cierre y manteniéndose el órgano de mando 9 de la tubería de gas de escape 4 en posición abierta. Preferiblemente, los órganos de mando 9 y 9' están construidos cada uno de ellos como una compuerta giratoria.

Con la utilización según la invención de compuertas, especialmente compuertas giratorias, como órganos de mando 9, 9' aguas abajo de cada catalizador 7, 7' alejado del motor es posible también, en el caso de una instalación de gas de escape multiflujo con un punto de diafonía o una tubería de unión, un calentamiento del catalizador incluso en motores de combustión interna en los que la alimentación de aire para los dos bancos de cilindros no puede ser estrangulada por separado.

Asimismo, la compuertas o compuertas giratorias u órganos de mando 9, 9' aguas abajo de los catalizadores 7, 7' alejados del motor no tienen que satisfacer requisitos extremos respecto de su hermeticidad interior y exterior. Por tanto, se pueden utilizar compuertas relativamente baratas en forma de compuertas giratorias. Tales compuertas se usan ya de serie como las llamadas "compuertas acústicas". Para su utilización en el calentamiento del catalizador se pueden incorporar estas compuertas en los tubos de gas de escape inmediatamente aguas abajo de catalizador 7, 7' alejado del motor o bien, por motivos acústicos, en la zona de la amortiguación del sonido o de los tubos finales, pudiendo servir compuertas acústicas ya existentes para el calentamiento del catalizador.

Claims

1. Motor de combustión interna multicilindro con un dispositivo para calentar el catalizador, especialmente motor de combustión interna con una cilindrada relativamente grande,

-: que comprende un dispositivo de formación de mezcla para la generación alternativa controlada por calentamiento/regulada por calentamiento de gas de escape rico en un primer grupo de cilindros (2) y gas de escape pobre en un segundo grupo de cilindros (3), y

-: cada grupo de cilindros (2, 3) está equipado con una tubería de gas de escape separada (4, 5) que lleva una catalizador de tres vías (6, 6') relativamente próximo al motor y un catalizador acumulador de NO_{x} (7, 7') alejado del motor en sentido de aguas abajo,

-: estando dispuesta entre las dos tuberías de gas de escape (4, 5) aguas arriba de los catalizadores acumuladores de NO_{x} (7, 7') una única tubería de unión (8) controlable por medio de una compuerta de estrangulación (10), y

-: estando equipadas las tuberías de gas de escape (4, 5), aguas abajo de los catalizadores acumuladores de NO_{x} (7, 7'), para el cierre alternativo controlado por calentamiento, con compuertas giratorias (9, 9') que sirven eventualmente de compuertas acústicas,

-: siendo llevada a posición de cierre la respectiva compuerta giratoria (9, 9') de la tubería de gas de escape (4, 5) que conduce un gas de escape rico y

-: siendo llevada al mismo tiempo a una posición abierta la compuerta de estrangulación (10) en la tubería de unión (8) para un retorno predeterminado de gas de escape al grupo de cilindros (2, 3) con gas de escape rico.

2. Motor de combustión interna según la reivindicación 1, caracterizado por

-: el uso del dispositivo cuando falte una estrangulación de la aspiración de aire dependiente del grupo de cilindros.