Método para controlar un motor a pistón de tipo diesel que comprende al menos una cámara de combustión formada por un cilindro (52) y un pistón (53) dispuesto de forma desplazable en cada cilindro,

dicho pistón (53) está conectado a un cigüeñal (54), un dispositivo de inyección (56) diseñado para inyectar combustible directamente en dicha cámara de combustión, y un sistema turbo que comprende un turbo de baja presión (22) y un turbo de alta presión (18) dispuesto curso abajo de dicho turbo de baja presión (22), caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18), tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 60%, y que el mecanismo de control de unas válvulas de intercambio de gases está configurado para proporcionar al menos un primer intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna a una velocidad media del pistón superior a 6 m/s y a una carga del motor superior a BMEP de 15 bar, en el que el rendimiento volumétrico dentro de dicho primer intervalo es inferior al 70%

Motor a pistón de tipo diesel turbocomprimido y método para controlar dicho motor.

Campo técnico

La presente invención se refiere a un método para controlar un motor a pistón, de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 de la patente. Más concretamente, se refiere a un método para controlar un motor de combustión interna de tipo diesel en el que el combustible se inyecta directamente en las cámaras de combustión para el encendido. La invención se refiere además a un motor a pistón de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 24 de la patente.

Técnica anterior

En un motor diesel de inyección directa estándar para vehículos de mercancías pesadas, es decir un motor diesel con una cubicaje entre 0,5 y 4 litros por cilindro, el motor está controlado para una combustión a una presión máxima de cilindro que alcanza aproximadamente 180 bar en BMEP de 22 bar (presión media efectiva al freno). En dicho motor, el combustible se inyecta directamente en las cámaras de combustión aproximadamente a un ángulo del cigüeñal de 30 grados cuando el motor de combustión interna está bajo carga máxima. En carga máxima, la inyección se inicia normalmente 10-15 grados antes del punto muerto superior y continúa hasta aproximadamente 15-20 grados después del punto muerto dependiendo del punto de funcionamiento del motor. Un motor de combustión interna convencional de dicho tipo está equipado con un sistema turbo que tiene un rendimiento del mapa del turbo que alcanza aproximadamente el 55-60%. La presión máxima de carga del sistema turbo alcanza aproximadamente una presión absoluta de 330 kPa. Los motores diesel convencionales del tipo anteriormente mencionado tienen un rendimiento térmico que alcanza aproximadamente el 45-46% al máximo. Se entiende por rendimiento térmico la parte del contenido de energía del combustible que se libera durante la combustión que el motor es capaz de convertir en trabajo mecánico útil.

Para el rendimiento del mapa del turbo ?_turbo, es válida la siguiente relación: ?_turbo = ?_compresor • ?_turbina • ?_mecánico, donde ?_compresor es el rendimiento de la etapa de compresor, ?_turbina es el rendimiento de la turbina y ?_mecánico es el rendimiento de la transmisión de fuerza entre turbina y compresor. Los respectivos rendimientos para la etapa de compresor y turbina se extraen de los gráficos producidos al probar, alternativamente mediante cálculo, con un flujo no pulsatorio sobre el componente. Se entiende por rendimiento del mapa del turbo, el rendimiento obtenida al multiplicar juntos valores de rendimiento para la etapa de la turbina y la etapa del compresor, extraídos de dichos gráficos, para los puntos de funcionamiento bajo los cuales se acciona el dispositivo, y al multiplicar el resultado por el rendimiento mecánico pertinente.

En los últimos años, los requisitos legales referidos a emisiones de motores diesel, especialmente en relación a las emisiones de compuestos de óxido de nitrógeno y partículas, se han ido endureciendo. La cantidad sustancial de óxidos de nitrógeno que se forma cuando el combustible se quema en un cilindro es dependiente de la temperatura y de la duración de la combustión. Una temperatura más alta conduce a una mayor parte de nitrógeno en el aire que se convierte en óxidos de nitrógeno. Una forma de reducir la cantidad de dióxido de nitrógeno formado es reducir la temperatura en la combustión. Reducir la temperatura en la combustión, sin embargo, genera problemas. En ciertas condiciones de funcionamiento, la cantidad de partículas de hollín se incrementa, lo cual puede tener como resultado en un motor, que por esta razón, fracase en la obtención del visto bueno bajo la legislación actual sobre emisiones. Además, el rendimiento térmico del motor de combustión interna puede disminuir cuando baja la temperatura. Los óxidos de nitrógeno formados durante la combustión pueden reducirse, sin embargo, y por lo tanto reconvertirse en nitrógeno mediante el tratamiento posterior de los gases en cámaras de reacción catalítica situadas en el conducto de escape. La presencia de cámaras de reacción catalítica eleva, sin embargo, la contrapresión del gas de escape. Una contrapresión del gas de escape incrementada genera una caída en el rendimiento térmico del motor de combustión interna. Además, las demandas de emisiones reducidas de partículas de hollín pueden requerir el uso de las así denominadas trampas de partículas, si el motor de combustión interna, en ciertos puntos de funcionamiento, genera cantidades excesivas de partículas, a fin de satisfacer los requisitos actuales sobre emisiones. Las trampas de partículas elevan además la contrapresión de escape incrementada y por lo tanto reducen el rendimiento térmico para el motor de combustión térmica.

Un problema al que se enfrentan los fabricantes de motores de combustión interna a los que se les imponen los requisitos legales respecto a los niveles máximos de emisiones permitidos de partículas de hollín y compuestos de óxido de nitrógeno se encuentra en el hecho que los niveles de emisiones permitidos que se requieren se están reduciendo constantemente. Las demandas de niveles de emisiones reducidos significan, primero, que el motor no puede optimizarse para un consumo bajo de combustible y, segundo, que se requiere equipamiento periférico para reducir las emisiones, lo que contribuye a un rendimiento térmico reducido para el motor de combustión interna.

Descripción de la invención

El objeto de la invención es proporcionar un método para controlar un motor de combustión interna, mediante el que se puede incrementar el rendimiento térmico del motor de combustión interna, mientras que continúan manteniéndose los requerimientos referidos a emisiones de óxidos de nitrógeno y partículas de hollín.

Este objeto se logra en virtud a un método de acuerdo con la parte caracterizada de la reivindicación 1 de patente.

Este objeto se logra en virtud del hecho que el turbo de baja presión y el turbo de alta presión instalados en el motor de combustión interna, tiene cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 60%, y que el mecanismo de control de las válvulas de intercambio de gases está configurado para proporcionar al menos un primer intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna a una velocidad media del pistón superior a 6 m/s y a una carga del motor superior a BMEP de 15 bar, en el que el rendimiento volumétrico dentro de dicho primer intervalo es inferior al 70%.

El efecto de dicho mecanismo de control se explica a continuación con mayor detalle.

De acuerdo con una realización de la invención, las válvulas de intercambio de gases instaladas en dicha cámara de combustión están controladas de tal manera que, dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga entre BMEP de 5 y 30 bar y para velocidades medias del pistón entre 5 y 7,5 m/s, se proporciona un rendimiento volumétrico de los gases mínimo inferior al 85%. Por válvulas de intercambio de gases se entiende válvulas de admisión y válvulas de escape. El control se lleva a cabo al cambiar los tiempos de abertura y cierre de las válvulas de intercambio de gases en relación al tiempo de abertura y cierre respectivo dispuesto normalmente para el motor de combustión interna, dicho tiempo de abertura y cierre se dispone para proporcionar al motor de combustión interna del rendimiento volumétrico de los gases más alto posible. Un motor en el que las válvulas de admisión están controladas a fin de proporcionar un rendimiento volumétrico de los gases más bajo se refiere normalmente a un motor Miller. El concepto del motor Miller fue presentado en la patente US 2670595. De acuerdo con una realización adicional de la invención, el rendimiento volumétrico varía dependiendo de la carga en el motor de combustión interna y la velocidad media del pistón del motor de combustión interna. Se permite que el rendimiento volumétrico varíe entre 45 y 85% de acuerdo con lo que es evidente a partir de la figura 1. De acuerdo con una variante de esta realización, las válvulas de admisión se cierran tempranamente a fin de proporcionar un rendimiento volumétrico de los gases bajo. En un motor moderno estándar, el cierre de una válvula de admisión tiene lugar en una válvula sin holgura, hasta un ángulo del cigüeñal de 56 grados tras el punto muerto inferior. El efecto de esto es que el rendimiento volumétrico de los gases normalmente alcanza al menos un 90%. De acuerdo con la invención,...

1. Método para controlar un motor a pistón de tipo diesel que comprende al menos una cámara de combustión formada por un cilindro (52) y un pistón (53) dispuesto de forma desplazable en cada cilindro, dicho pistón (53) está conectado a un cigüeñal (54), un dispositivo de inyección (56) diseñado para inyectar combustible directamente en dicha cámara de combustión, y un sistema turbo que comprende un turbo de baja presión (22) y un turbo de alta presión (18) dispuesto curso abajo de dicho turbo de baja presión (22), caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18), tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 60%, y que el mecanismo de control de unas válvulas de intercambio de gases está configurado para proporcionar al menos un primer intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna a una velocidad media del pistón superior a 6 m/s y a una carga del motor superior a BMEP de 15 bar, en el que el rendimiento volumétrico dentro de dicho primer intervalo es inferior al 70%.

2. El método reivindicado en la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18) tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 65%.

3. El método reivindicado en la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18) tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 70%.

4. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-3, caracterizado por el hecho de que las válvulas de intercambio de gases (57, 58) instaladas en dicha cámara de combustión están controladas de tal manera que, dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga entre BMEP de 5 y 30 bar y para velocidades medias del pistón entre 5 y 7,5 m/s, se proporciona un rendimiento volumétrico inferior al 85%.

5. El método reivindicado en la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que las válvulas de intercambio de gases (57, 58) instaladas en dicha cámara de combustión están controladas para proporcionar un rendimiento volumétrico que varía entre el 45% y el 85% dependiendo del estado de funcionamiento del motor.

6. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-5, caracterizado por el hecho de que el cierre de las válvulas de admisión (57) instaladas en dicha cámara de combustión varía dependiendo del estado de funcionamiento del motor de combustión interna.

7. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 1-6, caracterizado por el hecho de que las válvulas de admisión (57) instaladas en dicha cámara de combustión se cierran antes o después del tiempo de cierre que genera un máximo rendimiento volumétrico para el motor de combustión interna.

8. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la inyección de combustible desde dicho dispositivo de inyección (56) tiene un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,12, preferentemente inferior a 0,1 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga del motor superior a BMEP de 7 bar.

9. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la inyección de combustible desde dicho dispositivo de inyección (56) tiene un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,095 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga del motor superior a BMEP de 12 bar.

10. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la inyección de combustible desde dicho dispositivo de inyección (56) tiene un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,095 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una velocidad media del pistón superior a 6 m/s.

11. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la inyección de combustible desde dicho dispositivo de inyección (56) tiene un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,09 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga del motor superior a BMEP de 18 bar.

12. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para proporcionar un factor de exceso de aire equivalente (?) dentro del intervalo 1,7-2,05 en una carga del motor dentro del intervalo de BMEP 18-30 bar.

13. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el suministro de combustible se inicia en un ángulo del cigüeñal dentro del rango de 0-10, preferentemente entre 2,5 y 7,5 grados antes del punto muerto superior.

14. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la presión máxima de inyección del dispositivo de inyección (46) es superior a 1600 bar.

15. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la relación entre la presión de abertura de la aguja más alta NOP y la presión máxima de inyección maxIP es superior a 0,7, es decir NOP/maxIP > 0,7.

16. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que la inyección se realiza a través de una boquilla de inyección que tiene más de 6 orificios.

17. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que se dispone un refrigerador de aire sobrealimentado (27) entre dichos turbo de baja presión y turbo de alta presión.

18. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que gases de escape de un proceso de combustión en dicha cámara de combustión pasan a través de un conducto de escape al menos parcialmente aislado del calor.

19. El método reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para permitir una presión máxima del cilindro durante la combustión superior a 8*BMEP.

20. El método reivindicado en la reivindicación 21, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para permitir una presión máxima del cilindro durante la combustión superior a 9*BMEP.

21. El método reivindicado en la reivindicación 22, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para permitir una presión máxima del cilindro durante la combustión superior a 10*BMEP.

22. Motor a pistón de tipo diesel que comprende al menos una cámara de combustión formada por un cilindro (52) y un pistón (53) dispuesto de forma desplazable en cada cilindro, dicho pistón (53) está conectado a un cigüeñal (54), un dispositivo de inyección (56) diseñado para inyectar combustible directamente en dicha cámara de combustión, y un sistema turbo que comprende un turbo de baja presión (22) y un turbo de alta presión (18) dispuesto curso abajo de dicho turbo de baja presión (22), caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18), tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 60%, y que el mecanismo de control de unas válvulas de intercambio de gases (57, 58) está configurado para proporcionar al menos un primer intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna a una velocidad media del pistón superior a 6 m/s y a una carga del motor superior a una BMEP de 15 bar, en el que el rendimiento volumétrico dentro de dicho primer intervalo es inferior al 70%.

23. El motor a pistón reivindicado en la reivindicación 22, caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18) tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 65%.

24. El motor a pistón reivindicado en la reivindicación 22, caracterizado por el hecho de que dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18) tienen cada uno un rendimiento del mapa del turbo superior al 70%.

25. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-24, caracterizado por el hecho de que las válvulas de intercambio de gases (57, 58) instaladas en dicha cámara de combustión están controladas de tal manera que, dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga entre BMEP de 5 y 30 bar y para velocidades medias del pistón entre 5 y 7,5 m/s, se proporciona un rendimiento volumétrico inferior al 85%.

26. El motor a pistón reivindicado en la reivindicación 25, caracterizado por el hecho de que las válvulas de intercambio de gases (57, 58) instaladas en dicha cámara de combustión están controladas para proporcionar un rendimiento volumétrico que varía entre el 45% y el 85% dependiendo del estado de funcionamiento del motor.

27. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-26, caracterizado por el hecho de que el cierre de las válvulas de admisión (57) instaladas en dicha cámara de combustión está diseñado para variar dependiendo del estado de funcionamiento del motor de combustión interna.

28. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-27, caracterizado por el hecho de que las válvulas de admisión (57) instaladas en dicha cámara de combustión están diseñadas para cerrarse antes o después del punto óptimo para un rendimiento volumétrico para el motor de combustión interna.

29. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-28, caracterizado por el hecho de que las válvulas de admisión (57) instaladas en dicha cámara de combustión están diseñadas para cerrarse antes o después del punto muerto inferior.

30. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-29, caracterizado por el hecho de que el tiempo de cierre de las válvulas de admisión (57) instaladas en dicha cámara de combustión varía dependiendo del estado de funcionamiento del motor de combustión interna.

31. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-30, caracterizado por el hecho de que dicho dispositivo de inyección (56) está diseñado para tener un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,12, preferentemente inferior a 0,1 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga del motor superior a BMEP de 7 bar.

32. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-31, caracterizado por el hecho de que dicho dispositivo de inyección (56) está diseñado para tener un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,0 95 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga del motor superior a BMEP de 12 bar.

33. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-32, caracterizado por el hecho de que dicho dispositivo de inyección (56) está diseñado para tener un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,0 95 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una velocidad media del pistón superior a 6 m/s.

34. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-33, caracterizado por el hecho de que dicho dispositivo de inyección (56) está diseñado para tener un tiempo específico de inyección inferior a un ángulo del cigüeñal de 0,0 9 grados/(bar x m/s), dentro de un intervalo de funcionamiento para el motor de combustión interna con una carga del motor superior a BMEP de 18 bar.

35. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-34, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para proporcionar un factor de exceso de aire equivalente (?) dentro del intervalo 1,7-2,05 en una carga del motor dentro del intervalo de BMEP 18-30 bar.

36. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-35, caracterizado por el hecho de que dicho dispositivo de inyección (56) está diseñado para iniciar el suministro de combustible en un ángulo del cigüeñal dentro del rango de 0-10, preferentemente entre 2,5 y 7,5 grados antes del punto muerto superior.

37. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-36, caracterizado por el hecho de que el dispositivo de inyección (56) está diseñado para proporcionar una presión máxima de inyección superior a 1600 bar.

38. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-37, caracterizado por el hecho de que el dispositivo de inyección (56) está diseñado para proporcionar una relación entre la presión de abertura de la aguja NOP y la presión máxima de inyección maxIP superior a 0,7, es decir NOP/maxIP > 0,7.

39. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 34-38, caracterizado por el hecho de que se dispone un refrigerador de aire sobrealimentado (27) entre dichos turbo de baja presión (22) y turbo de alta presión (18).

40. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-39, caracterizado por el hecho de que un conducto de escape al menos parcialmente aislado del calor está conectado a un colector de escape instalado en dicha cámara de combustión

41. El motor a pistón reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 22-40, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para permitir una presión máxima del cilindro durante la combustión superior a 8*BMEP.

42. El motor a pistón reivindicado en la reivindicación 41, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para permitir una presión máxima del cilindro durante la combustión superior a 9*BMEP.

43. El motor a pistón reivindicado en la reivindicación 42, caracterizado por el hecho de que el suministro de aire y combustible a dicha cámara de combustión se ajusta para permitir una presión máxima del cilindro durante la combustión superior a 10*BMEP.