ES2268497T3 - Procedimiento para controlar un motor de combustion interna para la regeneracion de medios de purificacion de los gases de escape y dispositivo asociado. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de mando de un motor de combustión interna (2) para la regeneración de medios de purificación de los gases de escape (14) dispuestos en una línea de escape (4) del motor (2), en el que, durante una fase de regeneración de los medios de purificación, se analiza una composición de los gases de escape únicamente aguas abajo de los medios de purificación (14) con la ayuda de una sonda de oxígeno, caracterizado porque se elabora a partir de dicho análisis una señal de mando del motor (2) para modificar una composición de los gases de escape aguas arriba de los medios de purificación (14), de forma que se mantenga una señal de salida de la sonda de oxígeno (SM) en un valor de referencia (C).

Description

Procedimiento para controlar un motor de combustión interna para la regeneración de medios de purificación de los gases de escape y dispositivo asociado.

El presente invento se refiere a un procedimiento de mando de un motor de combustión interna, especialmente para la regeneración de medios de purificación asociados al motor, y a un dispositivo de mando asociado.

Se han realizado esfuerzos para disminuir las emisiones contaminantes de los vehículos automóviles provistos de motor de combustión interna, especialmente las emisiones de monóxido de carbono (CO), de óxido de nitrógeno (NO_{X}) y de hidrocarburos no quemados (HC).

Para realizar esto se disponen de forma conocida en sí elementos de purificación de los gases de escape tales como convertidores catalíticos, del tipo trampa de óxidos de nitrógeno, aptos para favorecer oxidaciones o reducciones de estas emisiones contaminantes para su transformación en emisiones consideradas como no contaminantes.

En los convertidores catalíticos los óxidos de nitrógeno son retenidos en sitios activos de elementos catalíticos que favorecen su reacción con reductores presentes en los gases de escape. Están previstas fases de purga de los elementos catalíticos en las que se actúa sobre la composición de los gases de escape para favorecer la eliminación de los óxidos de nitrógeno atrapados en sitios catalíticos de los elementos catalíticos.

Durante una fase de purga se puede determinar a partir de medidas la composición de los gases de escape con la ayuda de una sonda de oxígeno proporcional situada en una línea de gases de escape aguas arriba de los medios de purificación para saber la composición de los gases de escape que entran en los medios de purificación y así controlar mejor la eliminación de los óxidos de nitrógeno atrapados. La sonda de oxígeno proporcional permite más específicamente conocer una riqueza carburante/aire de los gases de escape.

El documento EP 0.636.770 (Toyota) describe un dispositivo de purificación de gases de escape que comprende un absorbedor de óxidos de nitrógeno, una sonda dispuesta aguas abajo del absorbedor, y medios de decisión para determinar el fin de una fase de purga en función de la señal de la sonda.

Este documento no divulga el procedimiento o dispositivo que permite actuar sobre la composición de los gases de escape emitidos por el motor.

A partir de la señal suministrada por la sonda se podrá por ejemplo actuar por medio de un bucle de retroacción sobre los inyectores para modificar una mezcla de combustión, y la composición de los gases de escape emitidos por el motor.

Se puede desear disponer de un procedimiento de mando de un motor de combustión interna con una fiabilidad mejorada y un coste de aplicación reducido.

El presente invento se refiere a un procedimiento de mando de un motor de combustión interna que puede ser aplicado a partir de un motor de concepción simple, con un número de elementos limitado, lo que permite reducir un coste de fabricación del motor, y permite mejorar la fiabilidad del motor.

El presente invento se refiere igualmente a un procedimiento de mando de un motor que permite la utilización de elementos más robustos y mejor adaptados al entorno del motor.

En tal procedimiento de mando de un motor de combustión interna para la regeneración de medios de purificación de los gases de escape dispuestos en una línea de escape del motor, durante una fase de regeneración de los medios de purificación se analiza una composición de los gases de escape únicamente aguas abajo de los medios de purificación con la ayuda de una sonda de oxígeno, y se elabora a partir de dicho análisis una señal de mando del motor para modificar una composición de los gases de escape aguas arriba de los medios de purificación, de forma que una señal de salida de la sonda de oxígeno se mantenga en un valor de referencia.

El análisis de los gases de escape aguas abajo de los medios de purificación permite detectar mejor el fin de una fase de purga, por ejemplo de una trampa de óxidos de nitrógeno, por un cambio de la composición de los gases de escape aguas abajo de los medios de purificación. El mando del motor basado en un análisis aguas abajo de los medios de purificación permite evitar el empleo de medios de análisis suplementarios aguas arriba de los medios de purificación, que estarían además más expuestos a la temperatura y a la presión importante de los gases de escape directamente en la salida del motor.

En un modo de aplicación se modifica la composición de los gases de escape modificando una composición de una mezcla de combustión.

En un modo de aplicación se analiza la composición de los gases de escape con la ayuda de una sonda de oxígeno del tipo todo o nada o del tipo proporcional situada aguas abajo de los medios de purificación. Se ha resaltado que la señal suministrada por una sonda de oxígeno del tipo todo o nada, es decir del tipo sonda "lambda", o proporcional, dispuesta aguas abajo de los medios de purificación es sensiblemente proporcional a la riqueza carburante/aire de los gases de escape aguas arriba de los medios de purificación durante una fase de purga, y podría ventajosamente utilizarse para la regulación de la composición de los gases de escape.

La señal suministrada por una sonda lambda depende de una temperatura de funcionamiento de la sonda lambda. Ventajosamente se puede prever controlar una temperatura de funcionamiento de la sonda.

Para elaborar una señal de mando del motor se puede comparar una señal de salida de la sonda con un valor de referencia y elaborar una señal de mando para disminuir una desviación entre la señal de salida de la sonda y el valor de referencia. La señal de mando es una señal de mando que permite actuar de forma controlada sobre la composición de los gases de escape.

En un modo de aplicación se detecta una etapa de fin de una fase de regeneración a partir de una señal de mando para la modificación de la composición de los gases de escape. Se ha resaltado que se podría detectar una etapa de fin de purga a partir de una señal suministrada por una sonda lambda dispuesta aguas abajo de los medios de purificación. En el caso de una regulación de la composición de los gases de escape situados aguas abajo de la señal de salida de una sonda aguas abajo de los medios de purificación, dicha señal de salida está regulada y puede ya difícilmente ser utilizada para detectar el fin de una etapa de purga. No obstante, la señal de mando elaborada a partir de la señal de medida puede utilizarse para detectar el fin de una fase de purga.

El invento se refiere igualmente a un dispositivo de mando para la regeneración de medios de purificación de los gases de escape dispuestos en una línea de escape de un motor de combustión interna que comprende un módulo de mando apto para modificar una inyección de carburante y una sonda de oxígeno dispuesta en la línea de escape directamente aguas abajo de los medios de purificación. El módulo de mando es apto, durante una fase de regeneración de los medios de purificación, de provocar una modificación de la composición de los gases de escape únicamente en función de una señal de salida de dicha sonda de oxígeno, de forma que una señal de salida de la sonda de oxígeno se mantenga en un valor de referencia.

Ventajosamente, la sonda de oxígeno es del tipo todo o nada o "lambda", o proporcional.

El dispositivo puede además comprender medios de control de la temperatura de funcionamiento de la sonda.

Preferentemente, el dispositivo comprende un módulo de detección apto para detectar el fin de una fase de regeneración en función de una señal de mando producida por el módulo de mando.

El presente invento y sus ventajas serán mejor comprendidos por el estudio de la descripción detallada de un modo de aplicación tomado a título de ejemplo no limitativo, ilustrado por los dibujos anejos en los que:

- la figura 1 es una vista de conjunto esquemática de un conjunto de impulsión para vehículo automóvil provisto de medios de purificación de gases de escape;

- la figura 2 es un gráfico que ilustra una señal de salida de una sonda de oxígeno del tipo lambda situada aguas abajo de los medios de purificación, según un aspecto del invento;

- la figura 3 es un gráfico que ilustra una señal de mando elaborada a partir de la señal de salida según la figura 2; y

- la figura 4 es un diagrama de bloques que representa un módulo de mando según un aspecto del invento.

En la figura 1 un conjunto de impulsión con referencia 1 en conjunto comprende un motor de combustión interna 2, una línea de admisión de aire 3, una línea de escape 4, un dispositivo de alimentación de carburante 5, y una unidad de mando 6.

El motor de combustión interna 2 comprende cámaras de combustión o cilindros 7, aquí en número de cuatro, y representados por estos círculos de líneas de puntos.

La línea de alimentación 3 comprende una conducción intermedia de alimentación 8 que desemboca por un lado en un colector de admisión 9 con una entrada y cuatro salidas para distribuir un flujo de aire admitido en las cámaras de combustión 7, y provisto en el lado opuesto de un elemento de mando de caudal de aire admitido 10 con la forma de una mariposa de admisión 11, dispuesto entre la conducción intermedia de alimentación 8 y una toma de aire no representada en el dibujo.

La línea de escape 4 comprende una conducción intermedia de escape 12, de la que una entrada está unida a un colector de escape 13 con cuatro entradas y una salida para recuperar y canalizar un flujo de gas de escape salido de los cilindros 7 del motor 2, estando una salida de la conducción intermedia de escape 12 unida a un medio de purificación de los gases de escape en forma de un convertidor catalítico 14 que puede ser a título de ejemplo del tipo trampa de óxidos de nitrógeno, y que está dispuesto aguas arriba de una salida terminal de la línea de escape 4 no representada en la figura.

El dispositivo de alimentación de carburante 5 comprende un depósito de carburante 15, una rampa común 16 e inyectores 17, aquí en número de cuatro, previstos para la inyección de carburante directamente en los cilindros 7 del motor 2. La rampa común 16 está unida al depósito 15 por medio de una conducción de alimentación 18, y de un sistema de alimentación 19 que une la conducción de alimentación 18 con el depósito 15. El sistema de alimentación puede comprender a título de ejemplo no limitativo una bomba de alimentación de alta presión, alimentada a partir de un depósito por una bomba de baja presión o bomba de "cebado". Los inyectores 17 están unidos a la rampa común 16 por medio de conductos de inyección 20. El sistema de alimentación 19 está mandado para llenar la rampa común 16 de carburante y mantener una presión de consigna en la rampa común 16 que sirve de depósito de presión para la alimentación de cada uno de los inyectores 17.

La unidad de mando 6 está prevista para elaborar señales de mando de la mariposa 11, y de los inyectores 17. La unidad de mando 6 puede igualmente estar prevista para el mando de otros elementos de ejecución de funciones elementales del motor no representadas (válvula de recirculación de los gases de escape...).

La unidad de mando 6 está unida por uniones de mando, respectivamente 21, 22, a un accionador no representado y que manda la posición de la mariposa 11, y a los inyectores 17.

El conjunto de impulsión 1 comprende un dispositivo de turbo para acelerar el aire admitido. El dispositivo de turbo comprende una turbina 29 dispuesta en el conducto intermedio de escape 12 aguas abajo del colector de escape 13, impulsando la turbina 29 por medio de un eje de turbo 30, representado de forma esquemática por una línea, un compresor 31 dispuesto en el conducto intermedio de admisión 8, aguas arriba del colector de admisión 9.

La unidad de mando 6 utiliza para la elaboración de las señales de mando señales de medida que provienen de una sonda de oxígeno 23 del tipo lambda o proporcional situada en la línea de escape 4 directamente aguas abajo del convertidor catalítico 14. La unidad de mando 6 está unida a la sonda 23 por medio de una unión de medida 24.

En funcionamiento, la unidad de mando 6 elabora a partir de cualquier señal necesaria o útil para el mando del motor de combustión interna, tal como la señal de posición de un pedal de acelerador, la velocidad de giro del motor o la carga aplicada al motor, o una temperatura del líquido de refrigeración, ..., señales de mando de la mariposa 11 y de los inyectores 17, así como otros elementos de ejecución de funciones elementales asociadas al motor. Durante una fase de purga del convertidor catalítico 14, la unidad de mando 6 adapta un mando de los inyectores 17 para tener en cuenta una señal de medida que proviene de la sonda lambda 23, como se describirá mejor a continuación.

Bien entendido, el invento no está limitado en el caso en que se actúe sobre los inyectores 17 para modificar una composición de los gases de escape. Se podría prever mandar cualquier elemento de ejecución de funciones elementales del motor que permita actuar sobre la composición de los gases de escape.

En la figura 4, descrita conservando las referencias a los elementos similares a los de la figura 1, la unidad de mando 6 comprende un comparador 25 con dos entradas y una salida, recibiendo dicho comparador 25 en la entrada, por una parte, un valor de referencia o de consigna C que proviene de un módulo de referencia 28, y, por otra parte, la señal de salida S_{M} de la sonda 23. El comparador 25 suministra a la salida la desviación E definida como la diferencia entre el valor de referencia C y la señal de salida S_{M}. La desviación E se envía a la entrada de un módulo de mando 26 apto para elaborar una señal de mando S_{C}.

La señal de mando S_{C} se transmite bien directamente hacia un elemento de ejecución de una función elemental del motor, por ejemplo los inyectores 17, bien por medio de medios de mando diferentes. En este segundo caso la señal de mando S_{C} puede ser una señal de corrección de una señal de mando principal elaborada además por un módulo de mando principal, no representado, por ejemplo para aumentar o disminuir un tiempo de apertura de los inyectores 17 determinado por el módulo de mando principal a fin de aumentar o disminuir respectivamente una riqueza de una mezcla de combustión.

La unidad de mando 6 comprende igualmente un módulo de detección 27 que recibe en entrada la señal de mando S_{C} elaborada por el módulo de mando 26, siendo el módulo de detección apto para detectar a partir de la señal de mando S_{C} el fin de una fase de purga, como se describirá mejor a continuación por el estudio de las figuras 2 y 3. El módulo de detección 27 suministra a la salida una señal de detección S_{D} que se transmite hacia los medios de mando de la unidad de mando 6 no representados, apta para provocar una parada de la fase de purga.

En la figura 2, descrita conservando las referencias utilizadas para la descripción de las figuras 1 y 4, una señal de salida S_{M}, las señales de salida de la sonda 23 durante una fase de purga, son trasladadas a un gráfico que muestra en abscisas el tiempo y en ordenadas el nivel de una señal de salida S_{M}.

Una primera señal S_{1} representada con línea continua corresponde a la señal de salida de la sonda lambda 23 obtenida en el caso de una elaboración de una señal de mando S_{C} por regulación a partir de la primera señal S_{1}. Una segunda señal S_{2}, que coincide con la primera señal S_{1}, salvo entre un instante intermedio T_{2} y un instante final T_{3} de una fase de purga, está representada en línea discontinua. La segunda señal S_{2} corresponde a una señal de salida que se obtendría a partir de una sonda lambda dispuesta aguas abajo del convertidor catalítico 14, durante una fase de purga, pero sin modificación de una composición de los gases de escape aguas arriba del convertidor catalítico mandada únicamente a partir de la señal de salida de dicha sonda lambda.

La segunda señal S_{2} es nula antes de un instante inicial T_{1} de comienzo de fase de purga y después de un instante final de fin de purga T_{3}. Inmediatamente después del instante inicial T_{1}, la segunda señal S_{2} se acerca a un primer valor de meseta V_{1}, y conserva este primer valor V_{1} sensiblemente hasta un instante intermedio T_{2}. Inmediatamente después del instante intermedio T_{2}, correspondiente al fin de la reducción de los óxidos de nitrógeno atrapados en la trampa de óxidos de nitrógeno, la segunda señal S_{2} se acerca a un segundo valor de meseta V_{2} superior al primer valor V_{1}. El segundo valor se conserva hasta el instante final T_{3} a partir del cual la segunda señal S_{2} se acerca al valor nulo.

La primera señal S_{1} alcanza el primer valor V_{1} después del instante inicial T_{1} y conserva sensiblemente este valor hasta el instante final T_{3}, a partir del cual se aproxima al valor nulo. La primera señal S_{1} se desvía ligeramente del primer valor V_{1} alrededor del instante intermedio. El primer valor V_{1} corresponde a la consigna C.

Al comienzo de una fase de purga, entre el instante inicial T_{1} de comienzo de purga y el instante intermedio T_{2}, la sonda 23 produce una señal de medida S_{M} representativa del contenido de oxígeno de los gases de escape aguas abajo del convertidor catalítico 14. Se ha verificado que esta señal de medida es proporcional a la riqueza carburante/aire de los gases de escape. En función de la desviación E entre la señal de medida S_{M}, el módulo de mando 26 determina una señal de mando S_{C} aplicada a los inyectores 17 y que permite hacer variar la riqueza carburante/aire de la mezcla de combustión y, por tanto, la composición de los gases de escape. El bucle de regulación formado por el módulo de mando 26 tiene como efecto obtener una composición de los gases de escape manteniendo una señal de medida S_{M} de la sonda 23 sensiblemente igual a la consigna C.

Entre el instante inicial T_{1} y el instante intermedio T_{2} los óxidos de nitrógeno adsorbidos en los sitios activos del convertidor catalítico 14 se eliminan mediante reacciones de oxidación-reducción.

A partir del instante intermedio T_{2} los óxidos de nitrógeno adsorbidos por los elementos catalíticos del convertidor catalítico 14 son sensiblemente eliminados del todo. Desde este momento, si no se cambia una señal de mando se produce una modificación de la composición de los gases de escape aguas abajo del convertidor catalítico 14 pues los reductores presentes en los gases de escape ya no están oxidados. Se produce, sobre todo, un aumento de un contenido de hidrógeno (H_{2}) en los gases de escape, que es un reductor de los óxidos de nitrógeno al cual es sensible la sonda. Esta modificación de composición de los gases de escape provocaría el paso de la señal de salida S_{M} del primer valor V_{1} al segundo valor V_{2} como está ilustrado por la segunda señal S_{2}. El segundo valor V_{2}, de hecho, es un valor de saturación de la sonda de oxígeno.

Debido a la regulación, la señal de salida S_{M} permanece sensiblemente constante, como está ilustrado por la señal S_{1}, pero se modifica la composición de los gases de escape.

En la figura 3, descrita conservando las referencias utilizadas para las figuras 1, 2 y 4, una señal de mando S_{C} elaborada por el módulo de mando 26 y correspondiente a la primera señal de medida S_{1} de la figura 2 está representada esquemáticamente en un gráfico que tiene un eje de abscisas en el que se representa el tiempo y un eje de ordenadas en el que se representa el valor de la señal de mando S_{C}.

La señal de mando S_{C}, representada en línea continua, es nula antes del instante inicial T_{1} y después del instante final T_{3}. La señal de mando S_{C} alcanza un primer valor de mando C_{1} después del instante inicial T_{1}, conserva este valor hasta el instante intermedio T_{2}, después alcanza un segundo valor de mando C_{2}, que conserva sensiblemente hasta el instante final T_{3}.

El salto de la señal de mando S_{C} después del instante intermedio T_{2} corresponde al fin de la reducción de los óxidos de nitrógeno y a la modificación de la composición de los gases de escape aguas abajo del convertidor catalítico 14 del que fluyen. En cuanto a la regulación, la señal de mando S_{C} se modifica de forma que la señal de medida S_{1} permanece sensiblemente igual al valor de consigna C (figura 2) y no muestra salto hacia el segundo valor V_{2}. Por el contrario, la señal de mando muestra un salto correspondiente.

El salto de la señal de mando S_{C} entre la primera meseta y la segunda meseta permite detectar el fin de la purga de los óxidos de nitrógeno y el paso a una etapa final de una fase de purga. En efecto, se podrá detectar el paso de un umbral de la derivada primera de la señal de mando S_{C} en el instante T_{2}, una anulación de la derivada segunda de la señal de mando S_{C} sensiblemente en el instante T_{2}, o además detectar el paso de un umbral por la diferencia entre el valor de la señal instantánea y el valor medio deslizante de la señal de mando S_{C}.

En caso de detección de tal salto, el módulo de detección 27 elabora una señal de detección que indica que se debe detener una fase de purga.

Se advertirá que, por razones de claridad, el intervalo de tiempo entre el tiempo intermedio y el tiempo final se ha exagerado con respecto al intervalo de tiempo entre el tiempo inicial y el tiempo intermedio. El intervalo de tiempo entre el tiempo intermedio y el tiempo final es corto, siendo detenida una purga desde la detección del fin de la purga.

Por otra parte, al ser una sonda de oxígeno, especialmente una sonda lambda, sensible a su temperatura de funcionamiento, se podrán prever medios para mantener una temperatura constante de la sonda lambda. Se podrá prever un circuito provisto de un detector de temperatura de la sonda lambda y asociado a una alimentación de la sonda lambda para mandar una tensión de alimentación del calentamiento de la sonda lambda que permite adaptar su temperatura. Como variante se podrán compensar las medidas suministradas por la sonda lambda en función de la temperatura de la sonda lambda.

Gracias al invento se puede mandar un motor de combustión interna para la aplicación de fases de purga de medios de purificación de los gases de escape utilizando un análisis de la composición de los gases de escape únicamente aguas abajo de los medios de purificación. Se puede emplear una única sonda, lo que reduce la complejidad de un dispositivo de mando. Además, se puede utilizar para el análisis de composición una sonda de oxígeno del tipo lambda, más robusta y menos sensible a la presión que las sondas de oxígeno del tipo proporcional. Los medios de purificación y la sonda lambda aguas abajo asociada podrán ser dispuestas en la línea de escape en la proximidad de la salida de las cámaras de combustión del motor. El tiempo de respuesta rápida de las sondas lambda, sobre todo en comparación con las sondas de oxígeno proporcionales, permitirá además una mejora de una regulación de la composición de los gases de escape. Por otra parte, se puede detectar el fin de una fase de purga por análisis de una señal de mando elaborada a partir de la señal de salida de la sonda.

Claims (10)

1. Procedimiento de mando de un motor de combustión interna (2) para la regeneración de medios de purificación de los gases de escape (14) dispuestos en una línea de escape (4) del motor (2), en el que, durante una fase de regeneración de los medios de purificación, se analiza una composición de los gases de escape únicamente aguas abajo de los medios de purificación (14) con la ayuda de una sonda de oxígeno, caracterizado porque se elabora a partir de dicho análisis una señal de mando del motor (2) para modificar una composición de los gases de escape aguas arriba de los medios de purificación (14), de forma que se mantenga una señal de salida de la sonda de oxígeno (S_{M}) en un valor de referencia (C).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que se analiza la composición de los gases de escape con la ayuda de una sonda de oxígeno (23) del tipo todo o nada situada aguas abajo de los medios de purificación (14).

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que se controla una temperatura de funcionamiento de la sonda (23).

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que se compara la señal de salida de la sonda (S_{M}) con el valor de referencia (C), y se determina una señal de mando (S_{C}) para disminuir una desviación (E) entre la señal de salida de la sonda (S_{M}) y el valor de referencia (C).

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que se detecta una etapa de fin de una fase de regeneración a partir de una señal de mando (S_{C}).

6. Dispositivo de mando para la regeneración de medios de purificación (14) de los gases de escape dispuestos en una línea de escape (4) de un motor de combustión interna (2), que comprende un módulo de mando (26) apto para modificar una inyección de carburante, y una sonda de oxígeno (23) dispuesta en la línea de escape directamente aguas abajo de los medios de purificación (14), caracterizado por el hecho de que, durante una fase de regeneración de los medios de purificación (14), el módulo de mando de inyección es apto para provocar una modificación de la composición de los gases de escape únicamente en función de una señal de salida de dicha sonda de oxígeno (23), de forma que se mantenga una señal de salida de la sonda de oxígeno (S_{M}) en un valor de referencia (C).

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que la sonda de oxígeno (23) es del tipo todo o nada o proporcional.

8. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 6 ó 7, caracterizado por el hecho de que comprende medios de control de la temperatura de funcionamiento de la sonda (23).

9. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por el hecho de que comprende un módulo de detección (27) apto para detectar el fin de una fase de regeneración en función de una señal de mando producida por el módulo de mando (26).

10. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizado por el hecho de que los medios de purificación comprenden una trampa de óxidos de nitrógeno.