ES2241220T3

ES2241220T3 - Procedimiento y dispositivo para reducir la carga de los componentes del sistema de escape de motores de combustion interna.

Info

Publication number: ES2241220T3
Application number: ES99120114T
Authority: ES
Inventors: Karl Dr. Huber; Mike Dipl.-Ing. Rohr; Dieter Dr. Lachner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1999-10-08
Publication date: 2005-10-16
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: DE19847477A1; DE59912139D1; EP0994245A3; EP0994245A2; EP0994245B1

Abstract

Un procedimiento de reducción de la carga de los componentes de sistema de gases de escape de motores de combustión interna, provistos de una regulación lambda, en particular en vehículos automóviles, con un sistema de gases de escape (14, 24), que se acopla al menos a una culata (16) del motor de combustión interna (10), y con un dispositivo (42, 64) que dosifica el carburante y el aire de combustión, sabiendo que, por medio del dispositivo (42, 64) que dosifica el carburante y el aire de combustión, a las temperaturas de gases de escape elevadas, esperadas, se regula la relación de aire-carburante 1 para que sea próxima a la relación estequiométrica 1=1, o bien sea más pobre, caracterizado porque el aire de refrigeración es inyectado en el sistema de gases de escape (24) por una bomba (48; 58) montada sobre el motor de combustión interna, próxima a las cámaras de combustión del motor de combustión interna (10) y, durante la inyección de aire de refrigeración, la regulación lambda es puesta fuera de servicio y cambiada a un control de la mezcla aire-carburante.

Description

Procedimiento y dispositivo para reducir la carga de los componentes del sistema de escape de motores de combustión interna.

El invento se refiere a un procedimiento así como a un dispositivo para reducir la carga de los componentes del sistema de escape de motores de combustión interna, en particular en los vehículos automóviles, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

En particular, en los motores de combustión interna sobrealimentados, que tengan una potencia específica alta, los componentes situados cerca de los gases de escape, incluidas las válvulas de escape y los canales de escape previstos en la culata, los codos de gases de escape que se acoplan a ellas, y, llegado el caso, los componentes situados aguas abajo de estos están expuestos a solicitaciones de temperatura elevada, así como igualmente, los previstos para la destoxificación de los gases de escape, tales como los catalizadores. Por medio de intervenciones en la termodinámica del motor, por medio de utilización de materiales resistentes a las altas temperaturas, y gracias a las disposiciones de refrigeración (por ejemplo, inyección de agua), se espera por este hecho disminuir las solicitaciones de temperatura.

Se conoce por el documento DE 43 25 307 A1 un procedimiento de control o mando del aporte de carburante para un motor de combustión interna de varios cilindros, que trabaja por compresión de mezcla, para el cual la solicitación de temperatura del catalizador se reduce por el hecho de que el aporte de carburante hacia al menos un cilindro es interrumpido en función de la temperatura de los gases de escape. El inconveniente de este procedimiento reside en el hecho de que, por el hecho de la puesta fuera de servicio de un cilindro individual, el comportamiento del par del motor de combustión interna está influenciado y que el motor de combustión interna sufre un refuerzo de las irregularidades de rotación.

El objetivo del invento es indicar un procedimiento mejorado y un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento, con la ayuda del cual, para un sobrevalor relativamente pequeño, se puede alcanzar una disminución fiable de la solicitación de temperatura de los componentes, situados cerca de los gases de escape, del motor de combustión interna del tipo del preámbulo.

El problema de acuerdo con el procedimiento es resuelto por las propiedades caracterizantes de la reivindicación 1 de la patente. Las otras reivindicaciones describen perfeccionamientos ventajosos del procedimiento, así como un dispositivo apropiado para poner en práctica el procedimiento.

De acuerdo con el invento, se propone que el aire de refrigeración sea inyectado en el sistema de gases de escape cerca de la cámaras de combustión del motor de gases de escape, por una bomba, montada sobre el motor de combustión interna y que, durante la inyección del aire de refrigeración, la regulación Lambda sea puesta fuera de servicio y sea conmutada en un control de mezcla aire-carburante.

El aire de refrigeración, que o bien presente la temperatura ambiente, o bien pueda ser enfriado por medio de un dispositivo provisto sobre el motor de combustión interna (por ejemplo un radiador de aire de sobrealimentación, una instalación de climatización), es por lo tanto transportado por una bomba montada sobre el motor de combustión interna, de manera que, por ejemplo en el caso de una entrada de aire de refrigeración del 10% del caudal de aire de combustión del motor de combustión interna, se consigue disminuir alrededor de 100ºC las temperaturas de los gases de escape.

La extracción del aire de refrigeración puede llegado el caso hacerse del lado de aspiración del motor de combustión interna, antes de la medición del caudal de aire de combustión, por lo demás la cantidad de aire de refrigeración extraída puede ser tenida en cuenta desde el punto de vista de la técnica de control o de regulación, para excluir la eventualidad de un enriquecimiento inoportuno de la mezcla aire-carburante del motor de combustión interna. De este modo, en el caso de un motor de combustión interna provisto de una regulación lambda o de una sonda lambda en el conducto de gases de escape, es ventajoso que, durante la inyección de aire de refrigeración, se conmute a un control de mezcla aire-carburante, o bien que la regulación, realizada por medio de la sonda lambda, sea interrumpida durante el suministro de aire de refrigeración. De este modo, se suprime el riesgo de tener señales de regulación que sean falseadas por el aire de refrigeración que haya sido introducido. La adición dosificada de aire-carburante sólo se controla en función de los parámetros de motor conocidos, tales como el caudal de aire de combustión, la velocidad de rotación del motor de combustión, etc., para que sea de un valor, por ejemplo, de \lambda = 1 o superior y que excluye en todo caso que se produzca una reacción exotérmica posterior durante la inyección del aire de refrigeración.

La bomba puede ser una bomba de aire secundario, que exista sobre el motor de combustión interna, o bien, en un modo de realización reforzado, montada sobre este, y por medio de la cual, de manera conocida de por sí, la entrada de aire secundario pueda efectuarse con un objetivo de destoxificación de los gases de escape, mientras que el motor de combustión interna todavía está frío.

Sin embargo, la bomba puede, en el caso de un motor de combustión interna sobrealimentado, ser alimentada por el compresor existente o bien, en el caso de un motor de combustión interna no sobrealimentado, ser alimentada por un compresor separado, sabiendo que el compresor puede ser impulsado o bien directamente de manera mecánica por el motor de combustión interna, o bien por medio de una turbina impulsada por los gases de escape.

Ventajosamente, el aire de refrigeración es inyectado en los canales de escape dispuestos en el interior de la culata, directamente detrás de las válvulas de escape del motor de combustión interna, de manera que la temperatura de los gases de escape ya se disminuye directamente detrás de las cámaras de combustión.

La inyección de aire de refrigeración puede ser realizada en los motores de combustión interna provistos de una entrada de aire secundario prevista de todas maneras para la destoxificación de los gases de escape, por el hecho de que los canales de aire secundario ya existentes sean utilizados conjuntamente, gracias a una concepción correspondiente, permitiendo un aporte máximo deseado de aire de refrigeración, permitiendo, llegado el caso, por lo tanto, únicamente un caudal de aire aumentado. Preferentemente, la entrada de aire de refrigeración se hace de manera correspondiente - como se conoce de por sí para la entrada de aire secundario - por canales de aire secundario, que desembocan directamente en la culata del motor de combustión interna, en sus canales de escape y acoplados de manera correspondiente a la entrada de aire de refrigeración. Llegado el caso, por esto mismo, se puede utilizar una válvula de aire secundario unitaria, que se utiliza, por medio de una señal de mando correspondiente, inicialmente para la entrada de aire secundario y, en el intervalo de la plena carga del motor de combustión interna, para la entrada de aire de refrigeración.

A continuación se explica más precisamente un ejemplo de realización del invento dando detalles suplementarios. En el dibujo esquemático,

La figura 1 representa un motor de combustión interna, de émbolos alternativos de cuatro cilindros, no sobrealimentado, provisto de un dispositivo para la entrada de aire secundario cerca de los gases de escape y de una entrada de aire de refrigeración por medio de una bomba de aire común; y

La figura 2 representa un motor de combustión interna de émbolos alternativos, provisto de una sobrealimentación por turbocompresor, impulsado por los gases de escape y de una entrada de aire de refrigeración controlada por una válvula de cadencia, instalada en los canales de escape del motor de combustión interna.

En la figura 1 se a designado por 10 un motor de combustión interna de émbolos alternativos de cuatro cilindros, sobre la culata 16 del cual se ha montado por medio de una brida, para la entrada de aire de combustión, un codo de aspiración 12 y, cerca del escape, un codo de escape 14. En la culata 16 hay previstas válvulas de cambio de los gases de admisión y de escape 18, 20, que controlan el cambio de gases del motor de combustión interna por medio de canales de admisión 22 y de canales de escape 24 correspondientes. El suministro dosificado de carburante, así como el sistema de gases de escape se acoplan al codo de gases de escape 14 y provisto de un catalizador de tres vías, son de tipo clásico y no se representan por este hecho.

En la culata 16, en el lado de los canales de escape 24 está dispuesto un canal longitudinal 26, que desemboca, por una parte, en los canales de escape 24, por canales cortos de unión 28 y termina, por otra parte, en la cara frontal 30 de la culata 16. En la zona del punto de desembocadura del canal longitudinal 26 está montada por medio de bridas, sobre la cara delantera 30, una válvula 34 de mando electromagnético.

La válvula 34, que, preferentemente, es una válvula de mando de paso o una válvula de cadencia está conectada por un conducto 46 a una bomba de aire 48, pudiendo esta bomba de aire 48 ser impulsada, o bien eléctricamente, o bien directamente de manera mecánica por el motor de combustión interna 10. Mediante la bomba de aire 48, se puede, desde el filtro de aire 50 del motor de combustión interna, aspirar aire depurado y, mientras que la válvula 34 está abierta, por el canal longitudinal 26 y los canales de unión 28, se le puede hacer circular por los canales de escape 28 en el interior de la culata 16 del motor de combustión interna.

La válvula 34 está controlada por un aparato de mando 42 que puede ser, por ejemplo, el aparato de mando de motor o un aparato de mando para la adición dosificada de aire-carburante del motor de combustión interna 10. En el aparato de mando 42, las temperaturas de los gases de escape T, detectadas por un sensor de temperatura de gases de escape 52 montado en el codo de gases de escape 14, el estado de carga \alpha del motor de combustión interna 10, la velocidad de rotación n del motor de combustión interna 10 y, llegado el caso, otros parámetros del motor, son tratados en una combinación lógica.

Por medio del aparato de mando 42, por una parte, de manera en sí conocida, se puede controlar el aporte de aire secundario al motor de combustión interna 10, es decir que en caso de arranque en frío del motor de combustión interna 10 y en caso del motor de combustión interna funcionando con una relación sobrestequiométrica (=\lambda<1), se puede inyectar aire secundario en los gases de escape que sale de las cámaras de combustión del motor de combustión interna con el fin de generar una post-reacción exotérmica. Este aire secundario sólo se inyecta por regla general durante un corto intervalo de tiempo en el momento del arranque en frío del motor de combustión interna y conduce a un calentamiento rápido de los componentes que aseguran el paso de los gases de escape.

Sin embargo, por medio del aparato de mando 42, además la válvula 34, se controla igualmente si, por medio del sensor de temperatura 52, se determina una temperatura de gases de escape demasiado elevada, por ejemplo de 900ºC y/o si el motor de combustión interna funciona por encima de un umbral de velocidad de rotación n definido y/o por debajo de un umbral de carga \alpha definido. A continuación, el aparato de mando 42 controla la válvula 34 para obtener una cantidad de aire de refrigeración que sea por ejemplo del 10% del caudal de aire de combustión del motor de combustión interna 10, por lo que, por medio de la bomba de aire de refrigeración 48, hay transferencia de aire de refrigeración para bajar la temperatura de los gases de escape, con el objeto de una inyección hecha directamente detrás de las válvulas de escape 20. Al mismo tiempo, de manera no representada, por medio del aparato de mando 42, se asegura que la mezcla de aire-carburante introducida en el motor de combustión interna 10 esté limitada a un valor \lambda, para la que no se puede efectuar en los gases de escape ninguna otra post-reacción exotérmica. Este valor, como regla general, es de \lambda=1 y mayor (funcionamiento en equilibrio estequiométrico o en régimen pobre).

En la figura 2, de nuevo, se ha representado un motor de combustión interna 10 de émbolos alternativos, de varios cilindros, que funcionan en sobrealimentación gracias a un turbocompresor alimentado por los gases de escape 54. Las partes cuya función es idéntica son designadas por números de referencia idénticos.

El compresor 58 del turbocompresor impulsado por los gases de escape 54 es puesto en servicio en el conducto de aspiración 56 del motor de combustión interna 10. Para asegurar el control de la potencia, se ha previsto una válvula de estrangulamiento 60 que puede ser controlada a voluntad. Aguas debajo de la válvula de estrangulamiento 60 están dispuestos inyectores 62 por los cuales se inyecta carburante, que ha sido dosificado por un aparato de control 64, en los canales de admisión 22 de la culata 16 del motor de combustión interna 10.

La turbina de gases de escape 68, dispuesta en el conducto de gases de escape 66, impulsa el compresor 58, sabiendo que, por medio de un conducto de derivación 70 y de una válvula de derivación 72, se puede controlar la potencia de empuje, respectivamente la presión de sobrealimentación aplicada aguas abajo del compresor 56. Aguas abajo de la turbina de gases de escape 68, se sitúa en el conducto de gases de escape 66 un catalizador 64 que sirve para la destoxificación de los gases de escape.

Del conducto de aspiración 56 parte, aguas abajo del compresor 58, pero aguas arriba de la válvula de estrangulamiento 10, un conducto de aire de refrigeración 76, en el que está dispuesta una válvula de control de caudal 78 y que está unida a los canales de escape 24 por el canal longitudinal 26 dispuesto en la culata 16 y en los canales de unión 28. Por medio de una activación de la válvula 78, por una parte, se puede introducir de este modo aire secundario, como ya se ha descrito y, por otra parte, se puede inyectar en los canales de escape 24 aire de refrigeración en cantidad suficiente. Es evidente que los canales 26, 28, así como el conducto de aire de refrigeración 76, tienen una concepción que les da una sección transversal correspondiente.

Si el motor de combustión interna 10 está provisto de una refrigeración de aire de sobrealimentación, es por lo tanto ventajoso que el conducto de aire de refrigeración 76 parta aguas abajo del refrigerador de aire de sobrealimentación; sin embargo se puede disponer igualmente, en el conducto de aire de refrigeración 76, un intercambiador de calor separado que, llegado el caso, puede ser acoplado al circuito de frío de una instalación de climatización del vehículo automóvil que, de manera correspondiente, hace caer la temperatura del aire de refrigeración a un valor adecuado.

En el conducto de gases de escape 66 están dispuestos además entre una sonda lambda 80 y un sensor de temperatura 52, estando estas sondas y sensores 80, 52, conectados al aparato de mando 64. Entonces, de manera conocida, el contenido de oxígeno en los gases de escape es regulado con la sonda lambda 80 en un mando de reacoplamiento con el aparato de mando 64 para el mando de la mezcla aire-carburante, para asegurar la obtención de una conversión adecuada de los gases de escape en el catalizador 74, mientras que se tienen valores de \lambda de alrededor de 1. Igualmente, la válvula de derivación 72 está conectada al aparato de mando 64, de manera que, en un circuito combinatorio lógico correspondiente al aparato de mando 64 electrónico, se pueda tener una presión de sobrealimentación suficiente para el aporte de aire de refrigeración para el conducto de aire de refrigeración 76.

Si de nuevo, por medio del sensor de temperatura 52, se le indica al aparato de mando 64 que la temperatura de los gases de escape es de un valor inaceptablemente elevado, entonces, llegado el caso, la válvula de derivación 72 es cerrada para aumentar la presión de sobrealimentación en el conducto de aspiración 56. Además, la válvula de control de caudal 78 es activada para que se introduzca aire de refrigeración en los canales de escape 24 por el conducto de aire de refrigeración 76. Al mismo tiempo, la evaluación de las señales por la sonda lambda 80 en el aparato de mando 64 es interrumpida y el control de la mezcla de aire-carburante se hace ahora sin regulación lambda, a un valor de \lambda=1 o superior, de manera que el motor de combustión interna 10 no recibe ahora más que un suministro de carburante en una cantidad tal que los gases de escape que salen de las cámaras de combustión ya no contienen ninguna fracción de carburante sin quemar, por lo tanto de tal manera que una post-reacción exotérmica sea imposible. De manera correspondiente, los gases de escape muy calientes, por ejemplo a una temperatura de 900ºC, tienen sus temperaturas rebajadas a por ejemplo 800ºC debido a la entrada de aire de refrigeración.

Debido al dispositivo de aporte dosificado de aire-carburante, no representado, por ejemplo con un caudalímetro que mide el caudal de masa de aire, en el conducto de aspiración 56 aguas arriba del compresor 58, hace falta aquí, en el aparato de control 64, sustraer, por cálculo de la cantidad de aire de combustión global, la cantidad de aire de combustión que haya de ser extraída por medio del conducto de aire de refrigeración 76, con el fin de que el motor de combustión interna 10 pueda recibir de manera dosificada la cantidad de carburante exacta para obtener el valor \lambda=1, añadida a la cantidad de aire de combustión introducida efectivamente.

Es evidente que entonces, el caudal respectivo de aire de refrigeración debe ser conocido, ya sea gracias a una determinación empírica y llegado el caso por medio de un campo de características, tomando en consideración la presión de sobrealimentación, la carga y la velocidad de rotación del motor de combustión interna, etc., ya sea por medio de un segundo caudalímetro de aire, montado en el conducto de aire de refrigeración 76.

Cuando se alcanza un valor de umbral de temperatura inferior, de por ejemplo 750ºC, y/o si la posición a plena carga \alpha definida del motor de combustión interna es de nuevo abandonada, el aporte de aire de refrigeración es regulado de nuevo por cierre de la válvula de control de paso 78 y, por una activación de las señales de la sonda \lambda, se acopla de nuevo la regulación lambda.

El invento no está limitado a los ejemplos de realización que se hayan descrito. Se puede realizar el aporte, por una parte, de aire de refrigeración y, por otra parte, el de la inyección de aire secundario igualmente bajo la forma de sistemas separados. La inyección de aire de refrigeración se puede hacer al exterior de la culata, por ejemplo, en el codo de gases de escape 14. El control del aporte de aire de refrigeración y de la cantidad de aire de refrigeración se puede efectuar igualmente, por ejemplo, con la ayuda de un campo de características registradas en el aparato de control electrónico 42 ó 64, únicamente a estados de carga definidos del motor de combustión interna, en los que se espera tener que soportar gases de escape particularmente calientes.

Claims

1. Un procedimiento de reducción de la carga de los componentes de sistema de gases de escape de motores de combustión interna, provistos de una regulación lambda, en particular en vehículos automóviles, con un sistema de gases de escape (14, 24), que se acopla al menos a una culata (16) del motor de combustión interna (10), y con un dispositivo (42, 64) que dosifica el carburante y el aire de combustión, sabiendo que, por medio del dispositivo (42, 64) que dosifica el carburante y el aire de combustión, a las temperaturas de gases de escape elevadas, esperadas, se regula la relación de aire-carburante \lambda para que sea próxima a la relación estequiométrica \lambda=1, o bien sea más pobre, caracterizado porque

el aire de refrigeración es inyectado en el sistema de gases de escape (24) por una bomba (48; 58) montada sobre el motor de combustión interna, próxima a las cámaras de combustión del motor de combustión interna (10) y, durante la inyección de aire de refrigeración, la regulación lambda es puesta fuera de servicio y cambiada a un control de la mezcla aire-carburante.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la bomba es una bomba de aire secundario (48), por medio de la cual se efectúa igualmente una introducción de aire secundario, con objeto de destoxificación de los gases de escape, cuando el motor de combustión interna (10) todavía está frío.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la bomba es el compresor (58) de un turbocompresor impulsado por los gases de escape (54), del que un conducto de aire de refrigeración (76) está al lado de los gases de escape, siendo controlado por medio de una válvula (78).

4. Un procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la inyección de aire de refrigeración se hace en la al menos una culata (16), cada vez en los canales de escape (24).

5. Un procedimiento de acuerdo una o varias de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, en el caso de un motor de combustión interna provisto de una inyección de aire secundario, el aire de refrigeración es introducido por los canales de aire secundarios (26, 28).

6. Un procedimiento de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque alrededor de 5 a 20%, en particular alrededor de 10% del caudal de aire de combustión a plena carga, del motor de combustión interna (10), es inyectado al aire de refrigeración.

7. Un procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la introducción de aire de refrigeración es controlada en función de la temperatura de los gases de escape (T) y/o de una temperatura de componente situado cerca de los gases de escape.

8. Un procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la introducción de aire de refrigeración es controlada en función de la carga (\alpha) y/o de la velocidad de rotación (n) del motor de combustión interna (10).

9. Un motor de combustión interna provisto de una regulación lambda, que presenta una culata (16) y un codo de gases de escape (14) que se acopla a esta, donde, en la culata (16) del motor de combustión interna (10) y/o en el codo de gases de escape (16), se acoplan, de cada canal de escape (24), se prevén cada vez canales de entrada de aire de refrigeración (28), a los que se conecta el conducto de refrigeración (46 ; 76), susceptible de ser controlado por medio de una válvula (34 ; 78) y conectado a una bomba (48 ; 58) impulsada indirecta o directamente por el motor de combustión interna (10), caracterizado porque el motor de combustión interna (10) presenta un aparato de mando (42 ; 64) para la puesta en práctica del procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 8.

10. Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque la bomba es, preferentemente, una bomba de aire secundario (48), impulsada mecánicamente por el motor de combustión interna (10).

11. Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque, en el caso de un motor de combustión interna (10) sobrealimentado, el compresor (58) está conectado a los canales de entrada de aire de refrigeración (26 ; 28) por medio de un conducto de aire de refrigeración (76) susceptible de ser controlado.

12. Un motor de combustión interna de acuerdo con una o varias de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque la válvula (78) es una válvula de control de paso (78), con ayuda de la cual se puede controlar una cantidad de aire de refrigeración definida, en función de la carga (á) y/o de la velocidad de rotación (n) del motor de combustión interna (10) y/o en función de la temperatura de los gases de escape (T) y/o de una temperatura de componente, situado cerca de los gases de escape.

13. Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque la válvula de control de paso (78) está controlada por un aparato de mando (64), que determina la composición de aire-carburante y que tiene en cuenta, durante el aporte dosificado de carburante, la cantidad de aire de refrigeración extraída del aire de combustión, o bien la extracción del aire de combustión global introducido.