Método de detección de la masa atrapada en un cilindro de combustión.

La invención describe un método para la detección de la masa atrapada en un cilindro de un motor de combustión interna.

El método comprende obtener la señal de presión en el cilindro en función del ángulo de cigüeñal; estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante transformada de Fourier de la señal de presión obtenida; y calcular la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de resonancia estimada para el ángulo de cigüeñal dado. El método permite calcular la masa atrapada a diversos valores de ángulo de cigüeñal y para diversos modos de resonancia.

MïTODO DE DETECCiïN DE LA MASA ATRAPADA EN UN CILINDRO DE COMBUSTiïN

Campo de la invenciïn La presente invenciïn se refiere de manera general al campo de los motores de combustiïn interna alternativos, y mïs concretamente a un mïtodo para detectar la masa atrapada en un cilindro de combustiïn.

Antecedentes de la invenciïn La estimaciïn de la masa atrapada en el interior del cilindro (tambiïn conocida como carga del cilindro) es un aspeclo problemïtico y critico para el control y diagnïstico de los motores de combustiïn intema alternativos. La masa atrapada estï compuesta de una mezcla de aire fresco, gases recirculados y gases residuales.

El uso de EGR (Exahus/ Gas Recircula/ion, recirculaciïn de gases de escape) y de IGR (lnternal Gas Recircula/ion, recirculaciïn de gases internos) permite reducir la concentraciïn de oxïgeno en el cilindro con el fin de controlar

las emisiones de ïxidos de nitrïgeno o, en los nuevos modos de combustiïn de baja temperatura, la velocidad de combustiïn de la mezcla.

Tanto los motores de encendido provocado (gasolina) como los motores de encendido por compresiïn (diïsel) cuentan con algoritmos de control que tienen como objetivo el control de la carga del cilindro, pues las caracteristicas del

proceso de combustiïn, asï como la formaciïn de componentes contaminantes,

se ve fuertemente influida por la carga del cilindro. No obstante, no existen mïtodos comerciales para la medida directa de la masa atrapada, yen la mayoria de motores actuales se determina indirectamente a partir de la medida del gasto de aire fresco mediante un caudalimetro de aire. Sin embargo, el caudalimetro de aire simplemente determina la masa de aire fresco, pero no tiene en cuenta la recirculaciïn de gases o los gases residuales, y por tanto no proporciona una determinaciïn precisa de la masa atrapada realmente en el cilindro de combustiïn. Aunque existen mïtodos para determinar los porcentajes de EGR (tales como la mediciïn de la concentraciïn de CO, o de O" o el uso de un modelo basado en el rendimiento volumïtrico) , estos mïtodos tambiïn presentan precisiones insuficientes.

El documento US 4164867 A da a conocer un mïtodo de mediciïn de la ,

temperatura en un cilindro de motor, en el que se determina la temperatura detectando la oscilaciïn de la presiïn a alta frecuencia en la cïmara de combustiïn haciendo funcionar el motor para producir un golpeteo (knocking) y midiendo la frecuencia del modo de menor frecuencia de la seïal de golpeteo de alta frecuencia. La frecuencia, o su inversa el periodo, de esa seïal es una funciïn de la temperatura del gas. Este documento no se refiere a, ni menciona, la determinaciïn de la masa atrapada en el cilindro.

Tambiïn se conoce en la tïcnica la determinaciïn de la amplitud de resonancia, en lugar de la frecuencia de resonancia, a partir de un valor de presiïn mediante transformada de Fourier con objeto de determinar parïmetros de funcionamiento del cilindro tales como la temperatura o el fenïmeno de golpeteo; sin embargo no se conoce ningïn mïtodo que permita determinar la masa atrapada en el cilindro.

Por tanto, sigue existiendo en la tïcnica la necesidad de un mïtodo que permita determinar de manera fiable y robusta la masa atrapada en el cilindro de combustiïn.

Sumario de la invenciïn Para solucionar los problemas de la tïcnica anterior, la presente invenciïn da a conocer un mïtodo de detecciïn de la masa atrapada en un cilindro de un motor de combustiïn interna, que comprende:

obtener la seïal de presiïn en el cilindro en funciïn del ïngulo de cigïeïal;

estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante transformada de Fourier de la seïal de presiïn obtenida; y

calcular la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de resonancia estimada para el ïngulo de cigïeïal dado. Para poner en prïctica el mïtodo dado a conocer por la presente invenciïn tan sïlo se requiere proporcionar una seïal de la presiïn en el cilindro, la cual puede obtenerse mediante un sensor de presiïn en cïmara habitual

comercialmente disponible.

El mïtodo de la presente invenciïn puede aplicarse a cualquier tipo de motor (motores de dos tiempos o de cuatro tiempos, motores de gasolina o diïsel, motores sobrealimentados o de aspiraciïn natural, ... ) .

Dado que el mïtodo de la presente invenciïn tan sïlo se basa en una mediciïn de la seïal de presiïn, que es una seïal de alta precisiïn, el mïtodo presenta una gran robustez en lo relativo a errores de medida.

Ademïs, el mïtodo de la presente invenciïn permite detenninar la masa atrapada ciclo a ciclo gracias a que proporciona una respuesta inmediata en tiempo real.

Breve descripciïn de las figuras La presente invenciïn se entenderï mejor con referencia a las siguientes figuras que ilustran realizaciones preferidas de la invenciïn, proporcionadas a modo de ejemplo, y que no deben interpretarse como limitativas de la invenciïn de ninguna manera.

La figura 1 muestra un diagrama esquemïtico de los principales conceptos asociados con la renovaciïn de la carga de cilindro; la figura 2 muestra una grïfica de la frecuencia y la presiïn en funciïn del

ïngulo de cigïeïal; la figura 3 muestra una grïfica del coeficiente de Bessel en funciïn del ïngulo de cigïeïal; la figura 4 muestra la masa atrapada estimada en funciïn del ïngulo de cigïeïal para tres ciclos distintos;

la figura 5 muestra la masa atrapada estimada para 100 ciclos; la figura 6 muestra el grado de cierre de vïlvula de admisiïn a lo largo de 3000 ciclos; y la figura 7 muestra la masa atrapada a lo largo de los 3000 ciclos

anteriores, en los que se variï el grado de cierre de vïlvula de admisiïn.

Descripciïn detallada de las realizaciones preferidas Como se mencionï anteriormente, la figura 1 muestra un diagrama esquemïtico de los principales conceptos asociados a la renovaciïn de la carga del cilindro, que son:

Aire fresco: Aire atmosfïrico aspirado por el motor.

Cortocircuito: Parte del gasto admitido que pasa directamente de la admisiïn al escape, sin formar parte de la carga del cilindro.

Residuales: Gases que no se expulsan durante el proceso de escape o que, abandonando el cilindro en la carrera de escape, vuelven a entrar en el cilindro durante la admisiïn. En algunos casos se denominan IGR.

EGR: Gases de escape que, a travïs de un sistema de recirculadon de alta o baja presiïn, se reconducen de nuevo al cilindro,

Tal como se mencionï anteriormente, el mïtodo de la presente invenciïn proporciona un valor de la masa atrapada total en el cilindro (o carga del cilindro)

a partir de la presiïn detectada en el cilindro, es decir, sin necesidad de medir

independientemente cada uno de los componentes de dicha masa atrapada.

La primera etapa del mïtodo segïn la realizaciïn preferida de la presente invenciïn consiste en obtener la seïal de presiïn en el cilindro en funciïn del

ïngulo de cigïeïal. Esta seïal de presiïn puede obtenerse por ejemplo mediante el uso de un sensor de presiïn comercialmente disponible. La segunda etapa del mïtodo segïn la realizaciïn preferida de la presente invenciïn consiste en estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante transfonnada de Fourier de la seïal de presiïn obtenida.

El proceso de combustiïn en el interior del cilindro excita los modos propios de resonancia de la cïmara de combustiïn. Esta excitaciïn puede ser severa en algunos casos, conduciendo al fenïmeno conocido como golpeteo en los motores de gasolina. Dicha frecuencia de resonancia estï asociada a las caracterïsticas geomïtricas de la cïmara de combustiïn (que varïan segïn se expande el

cilindro) y de la masa atrapada en el cilindro. Debe destacarse que segïn la realizaciïn preferida de la presente invenciïn, la detecciïn de la frecuencia no se ve afectada por la existencia de un error de referencia en la medida de la presiïn, que es el principal problema asociado con la mediciïn de la presiïn en cïmara,

por lo que el mïtodo de la presente invenciïn presenta una alta robustez.

La estimaciïn de la frecuencia de resonancia se obtiene mediante la transfonnada de Fourier de la seïal de presiïn. Segïn la realizaciïn preferida de la presente invenciïn, se emplea para ello una ventana para obtener la resoluciïn en ïngulo y se aïaden ceros (zero padding) para aumentar la resoluciïn de frecuencia.

La figura 2 muestra una grïfica de la frecuencia y la presiïn en funciïn del ïngulo de cigïeïal. En esta figura puede apreciarse que se aplican dos ventanas...

1. Mïtodo de detecciïn de la masa atrapada en un cilindro de un motor de

combustiïn interna, que comprende:

obtener la seïal de presiïn en el cilindro en funciïn del ïngulo de

5 cigïeïal;

estimar la frecuencia de resonancia en el cilindro mediante

transformada de Fourier de la seïal de presiïn obtenida; y

calcular la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de

resonancia estimada para el ïngulo de cigïeïal dado.

10 2. Mïtodo segïn la reivindicaciïn 1. caracterizado por que se calcula la masa

atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de resonancia estimada

mediante la siguiente ecuaciïn (1 ') :

(J1rDJ-2 ( PV ) m = B PVh Y" mg (Y, ) (1 ')

en la que:

15 m es la masa atrapada en el cilindro;

f es la frecuencia de resonancia estimada a partir de la presiïn;

P es el valor de presiïn empleado para estimar la frecuencia de

resonancia;

B es el coeficiente de Bessel;

20 Ves el volumen del cilindro;

D es el diïmetro del cilindro; y

Y, es la composiciïn de los gases al final de la combustiïn.

3. Mïtodo segïn cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado

por que la frecuencia de resonancia se estima mediante una transformada

25 de Fourier con aplicaciïn de ventanas y adiciïn de ceros para aumentar la

resoluciïn de la misma.

4. Mïtodo segïn la reivindicaciïn 3, caracterizado por que se aplican varias

ventanas en un mismo ciclo a diversos valores de ïngulo de cigïeïal.

5. Mïtodo segïn cualqUiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado

30 por que se estima la frecuencia de resonancia asociada a diferentes modos

para calcular varias medidas de masa atrapada en el cilindro.

6. Mïlodo segïn cualquiera de las reivindicaciones 4 y 5, caracterizado por

que se calcula la masa atrapada en el cilindro a partir de la frecuencia de

resonancia estimada mediante la siguiente ecuaciïn (1) :

en la que:

a es el ïngulo de cigïeïal;

n es el modo de resonancia; y

5 el resto de variables son tal como se definieron en la reivindicaciïn 2.

7. Mïtodo segïn cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado

por que la seïal de presiïn en el cilindro se obtiene mediante el uso de un

sensor de presiïn en cïmara.

8. Mïtodo segïn cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que

10 comprende ademïs:

- detectar la masa de aire fresco introducida en el cilindro; y

- calcular la cantidad de gases recirculados en el cilindro restando a la

masa atrapada en el cilindro la masa de aire fresco introducida.