ES2337256T3 - Motor de combustion interna del tipo piston. - Google Patents

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Abstract

Motor de combustión interna (10) del tipo a pistón que tiene un conducto de admisión (20) para suministrar aire a cámaras de combustión del motor y un sistema de escape (15, 22) para extraer gases de escape de dichas cámaras de combustión, el sistema de escape comprende equipamiento (29, 30) para reducir las emisiones de escape dañinas para el medio ambiente del motor, el cual está previsto que funcione con carga variable a fin de impulsar un vehículo, el sistema de escape (15, 22) comprende una tubería de ramal (26) controlada por una válvula (24) y derivando al menos una parte de dicho equipamiento (29, 30) para reducir las emisiones de escape dañinas para el medio ambiente, que la válvula (24) está controlada de forma que conduce el flujo de gas de escape a través de la tubería de ramal (26) en una parte del intervalo total de carga del motor y que el motor está optimizado a fin de proporcionar emisiones de escape aceptables en dicha parte del intervalo total de carga del motor caracterizado por el hecho de que la tubería de ramal (26) está acoplada en paralelo con un sistema de tratamiento posterior de escape que comprende un convertidor catalítico SCR (30) y un filtro de partículas regenerable (30) se sitúa curso arriba de la válvula (24), siendo posible la regeneración mientras el flujo de gas de escape se conduzca a través de la tubería de ramal (26).

Description

Motor de combustión interna del tipo a pistón.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un motor de combustión interna del tipo a pistón que tiene un conducto de admisión para suministrar aire a cámaras de combustión del motor y un sistema de escape para extraer gases de escape de dichas cámaras de combustión, el sistema de escape comprende equipamiento para reducir las emisiones de escape dañinas para el medio ambiente del motor, el cual está previsto que funcione con carga variable a fin de impulsar un vehículo.
Antecedentes de la invención
Los requisitos legales referidos a los motores diesel se han ido endureciendo y se irán haciendo más estrictos, concretamente en relación a las emisiones de contaminantes de óxido de nitrógeno y las emisiones de partículas.
La cantidad de óxidos de nitrógeno formada por la combustión de combustible en un cilindro del motor depende de la temperatura de combustión. Las altas temperaturas conducen a una mayor proporción de nitrógeno atmosférico que se convierte en óxidos de nitrógeno. Un método basado en el motor de reducir la cantidad de dióxido de nitrógeno formado es la denominada recirculación de gases de escape (EGR) y en concreto EGR refrigerada, lo cual posibilita reducir la temperatura de combustión. Este método normalmente no es suficiente, sin embargo, para cumplir los requisitos legales cuando el motor está funcionando en carga elevada. Este método de recirculación de gas de escape refrigerada (EGR) sitúa una carga incrementada en el sistema de refrigeración del motor y el vehículo, especialmente en cargas de motor elevadas. Esto constituye un límite a la consecución de una elevada salida de potencia mientras se logran bajas emisiones. Otro método conocido de reducir la cantidad de dióxido de nitrógeno, que se basa en el tratamiento posterior del gas de escape, utiliza una denominada trampa de NO_{x} (absorbedor de NO_{x} en exceso de oxígeno, LNA) para almacenar NO_{x} mientras el motor funciona con exceso de oxígeno. La trampa de NO_{x} se regenera al permitir que el motor funcione con un defecto de oxígeno, es decir con un mezcla enriquecida de combustible y/o flujo de aire reducido, como se describe en el documento US 5,473,887, por ejemplo. El método puede resultar en una determinada carga incrementada sobre el motor en forma de formación de hollín y contaminación del aceite lubricante del motor, o dilución del aceite lubricante con combustible y elevadas temperaturas del gas de escape que son perjudiciales para el sistema de escape. Además, puede generar determinados problemas para el sistema LNA al funcionar eficientemente en carga baja o parcial, ya que un sistema LNA normalmente como mejor funciona es a tempera-
turas del gas de escape superiores a aproximadamente 300ºC, lo cual normalmente significa carga elevada o media.
En el documento US 5,207,990 se describe un dispositivo depurador del gas de escape para reducir el material en partículas. En dicho dispositivo se dispone un catalizador de oxidación en un ramal principal curso arriba de una trampa de partículas, dicha trampa está dotada de un ramal de derivación.
En el documento JP 6033735 se describe un equipamiento para la reducción de partículas, NO_{x} y olor de formaldehído dispuesto en el sistema de escape conectado a un motor diesel. En dicho dispositivo se dispone un catalizador de oxidación en un ramal principal curso arriba de un catalizador de reducción que podría tener una derivación, dicho catalizador de reducción y su ramal de derivación a su vez están dispuestos curso arriba de una trampa de partículas.
Otros sistemas conocidos para reducir óxidos de nitrógeno son el LNC (catalizador de NO_{x} en exceso de oxígeno), el cual reduce continuamente los óxidos de nitrógeno bajo condiciones de combustión pobre. El SCR de urea (Reducción Catalítica Selectiva) también se usa para la reducción de NO_{x}, ver el documento 5,540,047, por ejemplo.
Descripción de la invención
Un objeto de la invención es por lo tanto crear un motor de combustión interna, que permitirá un uso mejorado funcionalmente y económico de un sistema de tratamiento posterior de escape.
Este objeto se logra mediante un motor de acuerdo con la parte caracterizada de la reivindicación 1.
Descripción de los dibujos
La invención se describirá con más detalle a continuación en referencia a realizaciones ejemplares como se muestra en el dibujo adjunto, en el cual
la Fig. 1 muestra un esquema de un motor de combustión interna de acuerdo con una realización ejemplar de la invención.
Descripción de las realizaciones preferidas
El motor de combustión interna 10 comprende un bloque motor 11 con seis cilindros de pistón 12 junto con un colector de admisión 13 y un colector de escape 14. Los gases de escape del motor alimentan vía un conducto de escape 15 un rotor de turbina 17 de una unidad de turbocompresor 16. El eje de la turbina 18 acciona la rueda del compresor 19 de la unidad de turbocompresor, la cual por medio de un conducto de admisión 20 comprime el aire de entrada y lo suministra al colector de admisión 13 vía un intercambiador de aire 21. El combustible alimenta a cada cilindro 12 vía los dispositivos de inyección (no mostrados). Aunque la figura ilustra un motor de seis cilindros, la invención también puede ser usada junto con otras configuraciones de cilindros.
Los gases de escape que han atravesado la unidad de turbocompresor 16 son dirigidos hacia delante por medio del conducto de escape 22, a un dispositivo de filtro de oxidación 23 para separar las partículas del flujo de gas. Curso abajo del dispositivo de filtro hay una válvula de tres vías 24, que de acuerdo con la técnica anterior puede conducir los gases de escape o bien a una tubería de ramal 25 o bien vía una tubería de ramal 26, las dos tuberías de ramal discurren paralelas y se reunifican curso abajo en un punto 27. El flujo del gas de escape es conducido después hacia delante a la atmósfera vía una denominada unidad de limpieza 28, que puede comprender un convertidor catalítico de oxidación que oxida (quema) los residuos de emisión (HC, CO, etc.). Esta unidad puede adoptar varias formas de acuerdo a las demandas dispuestas en él (diseño del sistema).
El motor 10 tiene un sistema para retornar los gases de escape al lado de admisión del motor como el denominado gas EGR, vía una tubería 31, para reducir la emisión de óxidos de nitrógeno del motor de acuerdo con la técnica anterior. Este conducto comprende una válvula 32, que sirve como válvula de corte y como válvula de regulación para regular el flujo EGR. Además hay un refrigerador 33 para refrigerar los gases EGR. El sistema EGR, por ejemplo, puede recircular flujos del orden del 30-60% (el gas en la carcasa de admisión 20 está compuesto del 30-60% de gases de escape recirculados y el restante 40-70% es aire fresco). Cuando el motor está funcionando en carga baja esto es viable sin sobrecargar el sistema de refrigeración. En cargas elevadas del motor, por otro lado, con una presión media efectiva del orden de pme = 10-15 bar y superiores, estas relaciones elevadas de flujo EGR tiene como resultado un incremento de carga del sistema de refrigeración de vehículo para el que normalmente no está diseñado. La estructura interna del motor tampoco está diseñada para las elevadas presiones del cilindro que pueden tener lugar con altos contenidos de EGR.
Cuando un motor está funcionando en carga baja y la composición del gas en la carcasa de admisión 20 está compuesta del 30-60% de EGR, se pueden lograr emisiones de gas muy bajas tanto de NO_{x} como hollín, por ejemplo, mediante el uso de la combustión denominada de carga homogénea y encendido por compresión (HCCI). Por ejemplo, se pueden lograr niveles de NO_{x} < 0,5 g/kWh y teóricamente combustión libre de hollín. Cuando el motor está funcionando en carga elevada, el sistema EGR, entre otras cosas, es restrictivo.
Las válvulas 24 y 32 están conectadas a una unidad de control del motor que contiene un programa de control y datos de control para controlar el motor con referencia a los datos de entrada. La unidad de control del motor está conectada, por ejemplo, a sensores que detectan la velocidad del motor y la posición del pedal del acelerador. La unidad de control del motor está diseñada para controlar la válvula 24 de manera que en carga baja el flujo de gas de escape es conducido a través de la tubería de ramal 26. Dentro de este intervalo de carga las emisiones de escape se sitúan en niveles aceptables sin tratamiento posterior adicional. En otros intervalos de carga el flujo de gases de escape es conducido a través de la tubería de ramal 25.
Diseñar el motor de combustión interna de acuerdo con la invención significa que el sistema de tratamiento posterior de gas de escape tiene un impacto mínimo en el funcionamiento del motor.
De acuerdo con una realización ejemplar de la invención mostrada en la Fig. 1 la tubería de ramal 25 comprende un dispositivo 29 para mezclar un agente reductor, urea o amoníaco en el flujo de gas de escape y un convertidor catalítico SCR 30 curso abajo. La regeneración tiene lugar de forma continua, en la que la válvula de tres vías 24 conduce el flujo de gas de escape a través de la tubería de ramal 25, el dispositivo 29 añade urea o amoníaco, que reacciona con NO_{x} en el convertidor catalítico SCR, produciendo N_{2}.
Las válvulas 24 y 32 están conectadas a una unidad de control del motor que contiene el programa de control y los datos de control para controlar el motor con referencia a los datos de entrada. La unidad de control del motor está conectada, por ejemplo, a sensores que detectan la velocidad del motor y la posición del pedal del acelerador. La unidad de control del motor está diseñada para controlar la válvula 24 de manera que en carga baja el flujo de gas de escape es conducido a través de la tubería de ramal 26. Dentro de este intervalo de carga las emisiones de escape se sitúan en niveles aceptables sin tratamiento posterior adicional. En otros intervalos de carga el flujo de gas de escape es conducido a través de la tubería de ramal 25, el flujo de gas es conducido a través del convertidor catalítico SCR con reducción continua de acuerdo con la técnica anterior.
Diseñar el motor de combustión interna de acuerdo con la invención significa que el sistema de tratamiento posterior de gases de escape tiene un efecto mínimo en el funcionamiento del motor. El convertidor catalítico SCR puede funcionar dentro de un intervalo ventajoso de temperaturas (carga media y plena). Cuando el motor está funcionando en carga baja, por ejemplo pme = 2 bar, la temperatura del gas de escape curso abajo del turbocompresor es del orden de 200ºC. Sólo cuando el motor está funcionando en una presión media efectiva de aproximadamente pme = 5 bar hace que la temperatura de los gases de escape curso abajo del turbocompresor alcance un nivel del orden de 300ºC. Dado que la reducción de NO_{x} no es posible en carga baja, el convertidor catalítico SCR funciona en un intervalo óptimo de temperatura que proporciona alta reducción de NO_{x}. Además, a baja temperatura se evita que el convertidor catalítico SCR almacene amoníaco, que de lo contrario puede ser conducido hacia adelante en el sistema de escape durante carga transitoria. El hecho que el convertidor catalítico SCR pueda reducir NO_{x} en cargas elevadas proporciona una mayor libertad al diseñar los sistemas de refrigeración del motor y de sobrealimentación, lo cual puede proporcionar mayores ventajas en términos de costes inferiores y mejores soluciones de instalación del motor. Una ventaja adicional reside en el hecho que un vehículo con este sistema de tratamiento posterior puede conducirse de acuerdo con los requisitos legales incluso si se acaba el agente reductor para el convertidor catalítico SCR, en el que la salida de potencia del motor se reduce de manera que es temporalmente imposible hacer funcionar el motor en carga elevada.
Si el dispositivo de filtro 23 es regenerado de una forma que produce temperaturas de gas de escape que son dañinas para el convertidor catalítico SCR (o LNA, o LNC) la válvula de tres vías 24 y la tubería de ramal 26 conducen estos gases de escape a lo largo del convertidor catalítico de reducción de NO_{x}, protegiendo de este modo a este contra el envejecimiento.

Claims (3)

1. Motor de combustión interna (10) del tipo a pistón que tiene un conducto de admisión (20) para suministrar aire a cámaras de combustión del motor y un sistema de escape (15, 22) para extraer gases de escape de dichas cámaras de combustión, el sistema de escape comprende equipamiento (29, 30) para reducir las emisiones de escape dañinas para el medio ambiente del motor, el cual está previsto que funcione con carga variable a fin de impulsar un vehículo, el sistema de escape (15, 22) comprende una tubería de ramal (26) controlada por una válvula (24) y derivando al menos una parte de dicho equipamiento (29, 30) para reducir las emisiones de escape dañinas para el medio ambiente, que la válvula (24) está controlada de forma que conduce el flujo de gas de escape a través de la tubería de ramal (26) en una parte del intervalo total de carga del motor y que el motor está optimizado a fin de proporcionar emisiones de escape aceptables en dicha parte del intervalo total de carga del motor caracterizado por el hecho de que la tubería de ramal (26) está acoplada en paralelo con un sistema de tratamiento posterior de escape que comprende un convertidor catalítico SCR (30) y un filtro de partículas regenerable (30) se sitúa curso arriba de la válvula (24), siendo posible la regeneración mientras el flujo de gas de escape se conduzca a través de la tubería de ramal (26).
2. El motor de combustión interna reivindicado en la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dicha parte del intervalo total de carga del motor sobre todo comprende el intervalo de carga baja del motor.
3. El motor de combustión interna reivindicado en la reivindicación 1 o 2, caracterizado por el hecho de que un sistema (31-33) está diseñado para retornar los gases de escape al lado de admisión del motor a fin de reducir la temperatura de combustión.
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