Método para controlar un circuito de refrigeración de pistones de un motor de combustión interna de un vehículo industrial.

Método para controlar un circuito de refrigeración de los pistones de un motor de combustión interna,

donde dicho circuito comprende una bomba de circulación y medios para emitir aceite refrigerante conectados a la salida de dicha bomba de circulación y apropiados para generar un chorro de refrigeración destinado a impactar dichos pistones, donde dicho método comprende el paso de generar dicho chorro sólo durante la carrera ascendente de dichos pistones desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS).

Método para controlar un circuito de refrigeración de pistones de un motor de combustión interna de un vehículo industrial.

ÁREA DE LA INVENCIÓN

La presente invención pertenece al área de la fabricación de sistemas de motores de combustión interna para vehículos, preferentemente vehículos industriales, vehículos comerciales y/o camiones. Más precisamente, la invención hace referencia a un método para controlar un circuito de refrigeración de pistones de un motor de combustión interna, preferentemente, pero no exclusivamente, de un vehículo industrial.

DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO

En los últimos años, la potencia específica distribuida por los pistones de los motores de combustión interna ha aumentado cada vez más, lo que ha provocado inevitablemente un aumento de las cargas térmicas que debe soportar el motor. Los componentes que han de soportar mayor tensión en términos de carga térmica son los pistones, pues es muy difícil disipar el calor generado por la combustión. Este calor, de hecho, ha de pasar a través de los anillos de compresión que tienen una superficie reducida y están realizados de un material no-conductor.

Excepto en unas pocas aplicaciones navales, donde los grandes calibres y bajas velocidades permiten al agua circular dentro de los pistones, en la mayoría de las demás aplicaciones, los pistones se refrigeran por medio del aceite refrigerante atomizado mediante algunos inyectores, al menos uno por pistón del motor.

Una solución refrigerante de este tipo se muestra en el documento GB 2 431 219 A.

Los inyectores se dimensionan y se disponen de tal modo que el chorro (pulverización) que generan pueda alcanzar al correspondiente pistón, incluso cuando éste se encuentre en su punto muerto superior (en adelante denominado PMS) . En referencia a la Figura 2, en el caso de los motores diesel, los inyectores se conforman y se disponen de tal modo que generen un chorro con un eje sustancialmente "vertical", concretamente paralelo a la carrera del pistón dentro del cilindro. En los motores de gasolina, en cambio, los chorros tienen un eje sustancialmente inclinado, concretamente no vertical, tal y como se muestra en la Figura 1.

Se sabe también que, en los motores diesel, los inyectores han de colocarse exactamente debajo del pistón, pues el chorro debería impactar el pistón en un punto específico. La Figura 2 muestra un cilindro de un motor diesel del tipo conocido que aloja un pistón 3 refrigerado por un chorro de aceite 7 atomizado por un inyector de refrigeración 10. Tal y como se muestra en la Figura, se ejecuta un conducto de circulación del aceite 19 en el pistón 3, y define una sección de entrada 19 a través de la cual debería inyectarse el aceite del chorro 7 procedente del inyector 10. El aceite pasa a través de este conducto de circulación 19 hasta una sección de salida 19" y retrocede nuevamente hacia el interior del tanque colector bajo el cilindro. El conducto 19 permite al aceite circular dentro del pistón con el fin de disipar el calor y preservar, entre otras piezas, la junta del anillo en las proximidades de la primera ranura definida en la cabeza del pistón. Consecuentemente, la posición de operación del inyector 10 es muy importante para una disipación eficiente del calor.

Se ha observado que la utilización de inyectores de pulverización de aceite requiere, no obstante, cierto gasto energético. En primer lugar, el aceite atomizado por los inyectores ha de estar presurizado mediante una bomba de circulación del aceite. Este hecho, por supuesto, determina una pérdida en términos de potencia. En segundo lugar, el calor extraído del aceite aumenta su temperatura y hace necesario enfriar el propio aceite, habitualmente mediante un intercambiador de aceite-aire o aceite-agua. Esto introduce pérdidas de carga adicionales en el circuito del aceite que deberán ser superadas nuevamente por parte de la bomba de circulación del aceite.

Otro aspecto lo representa el hecho de que, en las soluciones tradicionales, los inyectores atomizan aceite tanto durante la carrera descendente de los pistones (concretamente durante la carrera del PMS al PMI) y durante la carrera ascendente (concretamente durante la carrera del PMI al PMS) . Durante la carrera ascendente, el impacto del aceite en el pistón facilita la carrera del propio pistón, mientras que durante la carrera descendente el pistón es frenado por el propio aceite. Desde un punto de vista energético, se ha observado que la energía que se pierde por tal frenado del pistón durante la carrera del PMS al PMI, es mayor que la energía recuperada durante la carrera del PMI al PMS. En la práctica, durante la carrera descendente, las pérdidas por la presurización del aceite se suman a las pérdidas por el frenado del pistón y esta energía no puede recuperarse; durante la carrera ascendente, del PMI al PMS, la energía consumida por la bomba de aceite en forma de empuje al pistón se recupera parcialmente. La energía consumida para el frenado es particularmente evidente. Durante la carrera descendente, de hecho, la velocidad relativa de impacto del aceite en el pistón queda definida por la suma algebraica de la velocidad del pistón y del aceite refrigerante. Por el contrario, durante la carrera ascendente, la velocidad relativa del impacto se obtiene por la diferencia de las dos velocidades (pistón y aceite) . Considerando la siguiente fórmula de la energía cinética:

** (Ver fórmula) **

puede deducirse que la energía de impacto durante el frenado del pistón supera a la energía recuperada durante la carrera ascendente, debido a los diferentes valores de la velocidad relativa de impacto v.

En algunas soluciones conocidas, el inyector de emisión del aceite está siempre abierto, cualquiera que sea la presión en el circuito. En otras soluciones conocidas, se coloca una válvula de bolas ante cada inyector, opuesta a un resorte. Cuando la presión del aceite en el circuito de entrada (aguas arriba del inyector) supera un valor predeterminado, la bola libera al inyector y puede distribuirse el aceite. La bola se ajusta habitualmente de forma que abra el inyector a una primera presión predeterminada, por ejemplo 1, 7 bares, y permanezca constantemente abierta al ir aumentando la velocidad de rotación durante ambas carreras del pistón en el cilindro (ascendente y descendente) . La bomba de circulación es conducida directamente por el eje de transmisión, de forma que su velocidad de rotación quede "multiplicada" en relación a la velocidad de rotación del motor. Esta solución garantiza un rápido aumento de la presión cuando se arranque el motor y cuando su velocidad sea baja. Es, por tanto, evidente que a medida que aumente esta velocidad, la bomba de circulación del aceite determinará un aumento excesivo de la presión del aceite. Por este motivo, se coloca una derivación en el circuito de entrada, apropiada para liberar la sobrepresión del aceite antes de que alcance niveles prohibitivos. En la práctica, cuando se alcance una segunda presión predeterminada (por ejemplo 5 bares) en el circuito de entrada, la derivación de este circuito se abrirá con el propósito de liberar una parte del caudal y para mantener dicho segundo valor predeterminado de la presión (5 bares) a la entrada de los cojinetes y a la salida del inyector. En definitiva, en la mayoría de las soluciones conocidas, los inyectores emisores de aceite están casi siempre abiertos, excepto por los pasos iniciales de arranque, cuando la velocidad de rotación del motor es relativamente baja. Resulta evidente, no obstante, que la liberación de presión por parte de la derivación representa una pérdida de energía y, por tanto, de potencia.

En las soluciones más recientes, la válvula de bolas se reemplaza por una válvula de conexión/cierre, concretamente una válvula eléctrica que controle simultáneamente todos los inyectores. La apertura/cierre de la válvula se acciona en función de la carga del eje y en función de la velocidad de rotación. En la práctica, la válvula es controlada por una unidad de control que, acorde a un plan predeterminado, abre y cierra los inyectores en función de las condiciones de operación del motor (carga y rpm) . En particular, en condiciones de pocas rpm y de baja carga, la válvula eléctrica mantiene los inyectores cerrados. En estas condiciones, como el aceite refrigerante no actúa sobre el pistón, no se ejerce resistencia durante la carrera descendente, y a bajas velocidades de rotación tiene lugar un ahorro de potencia (energía) que reduce las emisiones. En realidad, durante este paso, el aceite no puede ejercer ni siquiera el posible efecto de empuje sobre los pistones durante la carrera ascendente. Este efecto, no obstante, tal... [Seguir leyendo]

1. Método para controlar un circuito de refrigeración de los pistones de un motor de combustión interna, donde dicho circuito comprende una bomba de circulación y medios para emitir aceite refrigerante conectados a la salida de dicha bomba de circulación y apropiados para generar un chorro de refrigeración destinado a impactar dichos pistones, donde dicho método comprende el paso de generar dicho chorro sólo durante la carrera ascendente de dichos pistones desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS) .

2. Método según la reivindicación 1, que comprende los pasos de:

- calcular, en función de los parámetros operativos de dicho motor, un caudal mínimo de aceite refrigerante que ha de distribuirse en total mediante dichos medios de emisión durante dicha carrera ascendente de dichos pistones;

- calcular un primer tiempo mínimo de activación de dicho medios de emisión que sea suficiente para permitir la emisión de dicho caudal mínimo durante dicha carrera ascendente.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, que comprende los pasos de:

- detectar el valor real de la presión de dicho aceite refrigerante que circula en dicho circuito entre dicha bomba de circulación y dichos medios de emisión;

- desactivar dichos medios de emisión cuando la presión de dicho aceite refrigerante que circula entre dicha bomba y dichos medios de emisión sea menor que un primer valor predeterminado.

4. Método según la reivindicación 3, en donde cuando dicho valor real de la presión supere un segundo valor predeterminado mayor que dicho primer valor predeterminado, dicho método comprenderá los pasos de:

- calcular un valor de caudal excedente de aceite refrigerante característico de la diferencia entre dicho valor real y dicho segundo valor predeterminado;

- calcular un segundo tiempo de activación de dicho medios de emisión que sea suficiente para permitir la emisión, durante dicha carrera ascendente, de un caudal total proporcionado por la suma de dicho caudal mínimo y de dicho caudal excedente;

- activar, durante dicha carrera ascendente, dichos medios de emisión por un periodo correspondiente a dicho segundo tiempo de activación.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde dichos medios de emisión emiten dicho caudal total de aceite refrigerante a través de un chorro constantemente abierto y/o a través de un chorro de caudal variable y durante un tiempo de activación fijo.

6. Método según la reivindicación 5, en donde dicho caudal mínimo de aceite refrigerante se distribuye, durante dicha carrera ascendente de dicho pistón, de manera variable en función de la posición de dichos pistones.

7. Método según la reivindicación 6, en donde en las proximidades de dicho punto muerto superior (PMS) y de dicho punto muerto inferior (PMI) el caudal de aceite refrigerante que se distribuye es mayor que el distribuido en las proximidades de la parte media de dicha carrera ascendente.

8. Método según la reivindicación 5, en donde dicho caudal mínimo de aceite refrigerante se distribuye, para cada carrera ascendente, en dos intervalos de tiempo, donde cada uno corresponde al paso de dichos pistones en un intervalo de posiciones (INT) próximas al punto muerto superior (PMS) o al punto muerto inferior (PMI) .

9. Circuito de refrigeración de los pistones de un motor de combustión interna caracterizado porque comprende medios para emitir aceite refrigerante que generan un chorro de aceite refrigerante destinado a impactar cada uno de dichos pistones, sólo durante la carrera ascendente de dichos pistones desde el punto muerto inferior (PMI) hasta el punto muerto superior (PMS) .

10. Circuito según la reivindicación 9 donde dichos medios de emisión comprenden:

- una pluralidad de inyectores (10) cada uno de ellos apropiado para generar dicho chorro de aceite destinado a refrigerar un pistón correspondiente;

- una pluralidad de válvulas de activación/desactivación (9) estando cada una de ellas asociada a un inyector correspondiente a fin de permitir su activación/desactivación.

11. Circuito según la reivindicación 10, en donde dicho circuito comprende una unidad de control (ECU) para controlar dicha pluralidad de válvulas (9) de dichos medios de emisión.

12. Circuito según la reivindicación 10 ó 11, donde dichas válvulas (9) son de tipo electromecánico, eléctrico, mecánico o neumático.