ES2302791T3 - Procedimiento de control de la combustion para un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de control de la combustión por auto-encendido de una mezcla carburada homogénea para un motor de combustión interna comprende una cámara de combustión, en cuyo interior se realiza una fase de oxidación lenta de dicha mezcla previamente a la combustión de esta mezcla, caracterizado porque se realiza una mezcla carburada que comprende carburante, aire y gases de escape recirculados con una tasa máxima de gases de escape recirculados del orden de 0,7 y porque se introduce en la cámara de combustión una cantidad determinada de carburante durante la fase de oxidación lenta de la mezcla carburada para absorber una parte de la energía desplegada en la cámara de combustión por la mezcla carburada en fase de oxidación lenta y para alargar la duración de esta fase.
Description
Procedimiento de control de la combustión para
un motor de combustión interna.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo de control de la combustión para un
motor de combustión interna.
Se refiere más particularmente a la combustión
de una mezcla homogénea del carburante con el aire admitido o con
una mezcla de aire y de gases de escape recirculados (EGR).
La reducción de las emisiones de contaminantes
generadas por los motores de combustión interna asociada a una
reducción del consumo es una preocupación constante de los
desarrolladores de motores de combustión interna.
En nuevas generaciones de motores, está
previsto, para cargas bajas y medias, sustituir la combustión de la
mezcla carburada, encendida convencionalmente o bien por compresión
o por una bujía, por una combustión del tipo de encendido por
compresión de una carga homogénea.
Esto se conoce principalmente para los motores
Diesel bajo la designación inglesa de "Homogeneous Charge
Compression Ignition" = Encendido por Compresión de Carga
Homogénea (de forma abreviada H.C.C.I) y para los motores de
gasolina para un modo de combustión designado como Control de Auto
Encendido (en inglés "Controlled Auto Ignition" C.A.I).
Esta combustión se alcanza cuando la mezcla
homogénea de carburante, de aire y eventualmente de gas de escape
recirculados ha alcanzado un cierto umbral de temperatura que
favorece su combustión por auto-inflamación (o
auto-encendido).
Generalmente, este tipo de combustión se
caracteriza por una fase de oxidación lenta de la mezcla carburada
que precede a la combustión de esta mezcla.
Gracias a este tipo de combustión, es posible
reducir en gran medida las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y
de partículas emitidas por el motor.
Sin embargo, esta combustión presenta un cierto
número de inconvenientes no insignificantes.
En efecto, es necesario obtener un buen calaje
de la combustión, es decir, determinar el instante exacto en el que
la mezcla carburada se va encender automáticamente, de manera que
esta combustión se realice principalmente cuando la posición del
pistón ha alcanzado su posición adecuada en el instante en que la
mezcla carburada tiene todas las características
físico-químicas requeridas para
auto-encenderse.
Para hacerlo, existen numerosos medios, tales
como la admisión de vapor de agua o la utilización de gas de escape
recirculados a la cámara de combustión.
El medio utilizado más a menudo para obtener el
calaje deseado consiste en admitir o retener en la cámara de
combustión gases de escape emitidos por el motor, llamados gases de
escape recirculados, con una fuerte tasa para calar la combustión en
el instante deseado.
Estos gases de escape recirculados permite
"calmar" la combustión, puesto que reducen el contenido de
oxígeno (O_{2}) de la mezcla carburada.
No obstante, estas tasas elevadas de gases de
escape recirculados implican riquezas elevadas de las mezclas
carburadas, riquezas que se aproximan a la estequiometría, lo que
reduce tanto más la gama de funcionamiento del motor. En efecto, más
allá de una riqueza superior a 0,96, la mezcla carburada no contiene
suficiente oxígeno para arder correctamente.
Además, a causa de estas riquezas elevadas, las
emisiones de contaminantes, tales como el óxido de carbono (CO), los
hidrocarburos quemados (HC) y los humos son de altas amplitudes.
Se conoce igualmente por el documento
GB-A-2 277 776 un procedimiento de
control de la combustión de un motor de combustión interna gracias
al cual se realiza una inyección de carburante durante la fase de
compresión para aumentar la temperatura en el interior del cilindro,
después para introducir otra cantidad de carburante en la proximidad
del punto muerto alto de la compresión para realizar la combustión
de la mezcla carburada.
Este procedimiento comprende igualmente el
inconveniente de no poder controlar el calaje de la combustión y de
ser totalmente tributario de la cantidad de la primera inyección que
va a determinar la temperatura en el interior del cilindro.
La presente invención se propone remedir los
inconvenientes mencionados anteriormente proponiendo un
procedimiento de control de la combustión que permite obtener el
calaje deseado de esta combustión.
A este efecto, un procedimiento de control de la
combustión por auto-encendido de una mezcla
carburada homogénea para un motor de combustión interna comprende
una cámara de combustión, en cuyo interior se realiza una fase de
oxidación lenta de dicha mezcla previamente a la combustión de esta
mezcla, se caracteriza porque se realiza una mezcla carburada que
comprende carburante, aire y gases de escape recirculados con una
tasa máxima de gases de escape recirculados del orden de 0,7 y
porque se introduce en la cámara de combustión una cantidad
determinada de carburante durante la fase de oxidación lenta de la
mezcla carburada para absorber una parte de la energía desplegada en
la cámara de combustión por la mezcla carburada en fase de oxidación
lenta y para alargar la duración de esta fase.
De manera ventajosa, se puede introducir una
cantidad determinada de carburante durante al menos una inyección de
carburante.
Con preferencia, se puede introducir una
cantidad de carburante inferior o igual a 10 mm^{3}.
Esta cantidad de carburante introducida puede
estar comprendida entre 1 y 8 mm^{3}.
Las otras características y ventajas de la
invención se deducirán a partir de la lectura de la descripción que
sigue y a la que está anexa la figura única que muestra las curvas
de presión y de despliegue de energía presentes en la cámara de
combustión en función del ángulo del cigüeñal.
En esta figura, las curvas A y B muestran la
evolución de la presión P (en barras) en una cámara de combustión de
un motor de combustión interna de tipo Diesel, en función del ángulo
del cigüeñal V (en grados) y las curvas A' y B' muestran la
evolución del despliegue de la energía E en el interior de esta
cámara en función del ángulo del cigüeñal y esto, respectivamente,
sin y con el procedimiento según la invención.
La cámara de combustión está delimitada
generalmente por la cara superior de un pistón, la pared de un
cilindro en cuyo interior se desplaza este pistón, en un movimiento
lineal alternativo, y la cara interior de una culata que cierra el
cilindro.
Por razones de simplificación, hay que mencionar
en la descripción el ángulo del cigüeñal, pero está claro que este
ángulo corresponde a una posición precisa del pistón que se desplaza
en el cilindro bajo el efecto de un sistema de
biela-manivela que controla el cigüeñal.
Como se ve en la figura única, la curva A
(punteada) muestra la evolución de la presión que reina en la cámara
de combustión con una mezcla carburada con una riqueza del orden de
0,96 y que comprende carburante Diesel, aire y una tasa de gases de
escape recirculados que corresponde aproximadamente al 70% de la
mezcla total.
Aproximadamente a 260ºC de ángulo del cigüeñal,
el carburante es introducido en la cámara de combustión por una
primera inyección, luego aproximadamente a 320º de ángulo del
cigüeñal, por una segunda inyección para obtener aproximadamente a
360º, que corresponde al punto muerto alto de la compresión (PMH),
la mezcla casi homogénea entre el carburante, el aire y los gases
recirculados. Conjuntamente, la presión en la cámara de combustión
se incrementará de forma sensiblemente lineal para alcanzar un
máximo en la proximidad del punto muerto alto. A partir de esta
posición, esta presión se reducirá para alcanzar sensiblemente la
presión atmosférica aproximadamente a 420º de ángulo del
cigüeñal.
Simultáneamente y con referencia a la curva A'
(punteada), el despliegue de energía en esta cámara de combustión
será sensiblemente cero al final de la segunda inyección
(aproximadamente a 320º de ángulo del cigüeñal) hasta las
proximidades de 340º de ángulo del cigüeñal. Luego, a partir de este
punto, la mezcla carburada homogénea, bajo el efecto principalmente
de la compresión, experimenta una fase de oxidación que comienza en
el punto O1 y perdura durante un cierto tiempo (indicado con OL1 en
la figura) que precede al comienzo de la combustión de esta mezcla
carburada (señalizada por la flecha C en la figura). Esta combustión
implica un despliegue fuerte de energía hasta las proximidades de
360º de ángulo del cigüeñal (PMH), luego la energía almacenada en la
cámara de combustión se reducirá hasta que alcanza un valor casi
nulo en las proximidades de 400º de ángulo del cigüeñal.
Está claro que si se desea desplazar el momento
C en el que va a comenzar la combustión de la mezcla carburada para
mejorar el rendimiento del motor, la situación más utilizada
consiste en aumentar la tasa de gases de escape recirculados
presente en la cámara de combustión y, por lo tanto, las emisiones
de contaminantes, tales como los óxidos de carbono, aumentarán
rápidamente.
Para obtener un calaje deseado disminuyendo las
emisiones de contaminantes, la solicitante ha previsto introducir en
la cámara de combustión, durante la fase de oxidación lenta de la
mezcla carburada y en un momento determinado de esta fase, una
cantidad determinada de carburante.
Esta introducción de carburante se realizará por
una sola inyección o bien por una multitud de inyecciones.
Esta introducción tardía de carburante permite
así absorber una parte de la energía desplegada en la cámara de
combustión por la mezcla carburada en fase de oxidación lenta,
siendo utilizada esta energía absorbida para la vaporización del
carburante inyectado tardíamente.
Esta energía absorbida es reconstituida a
continuación durante la prosecución del proceso de oxidación lenta
de la mezcla carburada, implicando una prolongación de la duración
de esta oxidación lenta esto hasta que se alcanzan las
características necesarias (principalmente temperatura) para iniciar
la combustión de la mezcla carburada.
Gracias a esto, el comienzo de la combustión de
la mezcla carburada será desplazado por la prolongación de la
duración de la oxidación lenta.
A título de ejemplo, la solicitante ha realizado
ensayos con un procedimiento de combustión de la mezcla carburada
conocido (curvas A y A' en trazo punteado) y con el procedimiento
según la invención (curvas B y B' de trazo continuo en la
figura).
Como ya se ha mencionado, la mezcla carburada de
las curvas A y A' contiene aproximadamente 70% de gases de escape
recirculados y tiene una riqueza del orden de 0,96. Después de la
combustión de esta mezcla, las emisiones de óxidos de carbono (CO)
han sido del orden de 40 g/kWh.
Durante estos ensayos, se ha previsto disminuir
de manera no insignificante la tasa de gases de escape recirculados
(talas próximas al 60%) de la mezcla carburada y esto ha implicado
como ventaja disminuir de manera consecuente la riqueza de esta
mezcla (del orden de 0,91), lo que, gracias al procedimiento de la
solicitante, ha dado como resultado las curvas B y B'.
Principalmente por la disminución de la tasa de
gases recirculados y por consiguiente por la presencia de oxígeno en
una cantidad muy grande, la fase de oxidación lenta de la mezcla
carburada comienza más tarde (en las proximidades de 335º de ángulo
del cigüeñal) y el comienzo de la combustión se produce generalmente
después de una reducción del ángulo del cigüeñal de aproximadamente
15º, lo que lleva el comienzo de la combustión en la cámara a las
proximidades de 350º. Durante el proceso de combustión, el pico
máximo de despliegue de energía se obtiene mientras el pistón no ha
alcanzado su posición de punto muerto alto, lo que implica una
perturbación del motor, principalmente al nivel del rendimiento.
Según el procedimiento utilizado para la
solicitante y con referencia ala curva B', el comienzo de la
oxidación lenta de la mezcla carburada se realiza igualmente de
manera precoz (punto O2) en las proximidades de 335º de ángulo del
cigüeñal, pero gracias a una introducción de una cantidad
determinada de carburante en la cámara de combustión, se prolonga la
duración del periodo de oxidación lenta (indicado con OL2 en la
figura) para terminar en el punto C del comienzo de la combustión de
la mezcla carburada idéntico al de la curva A'.
De manera general, esta cantidad de carburante
introducida tardíamente es inferior o igual al 50% de la cantidad
total de carburante introducida y con preferencia está comprendida
entre 10 y 40% de esta cantidad total.
La cantidad tal, como se ha mencionado,
comprende la o las inyecciones de carburante realizadas previamente
a la fase de oxidación lenta para obtener la mezcla carburada
homogénea y la o las inyecciones realizadas durante la fase de
oxidación lenta.
Más precisamente, está previsto introducir una
cantidad de carburante inferior o igual a 10 mm^{3} y con
preferencia comprendida entre 1 y 8 mm^{3}.
A título de ejemplo, durante los ensayos
efectuados por la solicitante, sobre una cantidad total de carburo
inyectado de 8,6 mm^{3}, la cantidad de carburante introducida (en
dos inyecciones) durante la fase de oxidación lenta es de 3
mm^{3}, o sea aproximadamente 37%.
Para estos ensayos, la solicitante ha inyectado
el carburante durante la fase de oxidación lenta en un ángulo del
cigüeñal que corresponde aproximadamente a -15º con relación al
punto muerto alto.
Como es visible en la curva B' de la figura, la
cantidad de carburante inyectado tiene como consecuencia absorber
una cantidad de energía (mostrada por una flecha D en la figura)
generada por la oxidación lenta de la mezcla carburada, luego la
energía absorbida es reconstituida durante la prolongación de esta
fase hasta que la mezcla carburada ha obtenido todas las
características para que su combustión se haga en el punto C.
A partir de este punto, el despliegue de energía
es casi idéntico al de la mezcla carburada descrita con relación a
la curva A'.
Además, como se ve en la figura y con referencia
a la curva B, esta última sigue sensiblemente la evolución de la
curva A y permite así obtener las mismas características de presión
que reinan en la cámara de combustión.
Así, gracias a la invención, se pueden obtener
las mismas características de presión y de despliegue de energía con
los mismos ángulos de cigüeñal que una mezcla con una tasa fuerte de
gases recirculados y esto con una mezcla carburada que contiene una
tasa menor de gases de escape recirculados y con una riqueza de la
mezcla más reducida.
Además, gracias al procedimiento de la
solicitante, las emisiones de óxido de carbono (CO) han sido
fuertemente disminuidas con una emisión del orden de 29 g/kWh.
Bien entendido, la presente invención se puede
aplicar a mezclas carburadas con un carburante del tipo de gasolina
o Diesel.
Así, para una mezcla de gasolina, de aire y de
gases recirculados, el comienzo de la combustión por
auto-encendido está precedido, como en los ejemplos
descritos anteriormente, por una fase de oxidación lenta de esta
mezcla.
Por este motivo, se puede introducir una
cantidad determinada de gasolina (en una o varias inyecciones) para
prolongar esta fase de oxidación lenta y calar así el comienzo de la
combustión en el instante deseado.
Con preferencia, este procedimiento se aplica
para cargas bajas y medias del motor y para las cargas fuertes se
utilizarán los procedimientos de combustión clásicos.
La invención tal como se ha descrito
anteriormente se aplicará a un motor de combustión interna que
comprenderá los medios los medios de control necesarios para
contener los parámetros de inyección tardía (momento de la inyección
tardía del carburante, cantidad de carburante, número de
inyecciones, ...) y para controlar en consecuencia los inyectores de
carburantes asociados que comprende habitualmente este motor.
Ventajosamente, se utilizará el calculador del
motor que comprenden la mayor parte de los motores de combustión
interna para mantener estos parámetros y controlar las inyecciones
de carburante de una manera consecuente.
Claims (6)
1. Procedimiento de control de la combustión
por auto-encendido de una mezcla carburada homogénea
para un motor de combustión interna comprende una cámara de
combustión, en cuyo interior se realiza una fase de oxidación lenta
de dicha mezcla previamente a la combustión de esta mezcla,
caracterizado porque se realiza una mezcla carburada que
comprende carburante, aire y gases de escape recirculados con una
tasa máxima de gases de escape recirculados del orden de 0,7 y
porque se introduce en la cámara de combustión una cantidad
determinada de carburante durante la fase de oxidación lenta de la
mezcla carburada para absorber una parte de la energía desplegada en
la cámara de combustión por la mezcla carburada en fase de oxidación
lenta y para alargar la duración de esta fase.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se introduce la cantidad determinada de
carburante durante al menos una inyección de carburante.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque se introduce una cantidad de carburante
inferior a igual a 10 mm^{3}.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque se introduce una cantidad de carburante
comprendida entre 1 y 8 mm^{3}.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se
introduce carburante del tipo gasolina.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se introduce
carburante del tipo Diesel.
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