ES2200325T3 - Motor-diesel de cuatro tiempos con convertidor catalitico. - Google Patents
Motor-diesel de cuatro tiempos con convertidor catalitico.Info
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Abstract
Motor de combustión interna de cuatro tiempos, que comprende uno o varios cilindros (1, 2, 3) cada uno de los cuales tiene una cámara de combustión (5), un inyector de combustible (7) que desemboca en cada uno de los cilindros, un dispositivo de bomba (8) para alimentar combustible al inyector correspondiente, un conducto de escape (23) que conduce desde la respectiva cámara de combustión y que desemboca en un dispositivo convertidor catalítico (24) para la reducción catalítica de NOX de los gases de escape, y medios para suministrar combustible al convertidor catalítico, caracterizado porque la bomba comprende medios de bomba de combustible individuales (8) para cada inyector (7), y un eje de levas (11) impulsado por el cigüeñal (10) del motor, y poseyendo un elemento de leva (12, 13) para cada dispositivo de bomba, poseyendo dicho elemento de leva un primer flanco de leva (20) dispuesto para producir, una vez en cada ciclo, una primera carrera de bombeo en la bomba asociada y, como mínimo, un segundo flanco de leva (21, 22) dispuesto para producir, una vez para cada ciclo, un segundo ciclo de bombeo en el medio de la bomba de combustible asociado a un número de grados de giro del cigüeñal predeterminado, después del primer ciclo de bomba, y que la unidad electrónica de control (15) está dispuesta para controlar una válvula by-pass (9) que coopera con cada inyector, para regular la cantidad de inyección y el momento en el tiempo durante el respectivo ciclo de la bomba, dependiendo de varios parámetros de control facilitados a la unidad de control.
Description
Motor diesel de cuatro tiempos con convertidor
catalítico.
La presente invención se refiere a un motor de
combustión interna de cuatro tiempos, que comprende uno o varios
cilindros, cada uno de los cuales tiene una cámara de combustión,
una abertura para el inyector de combustible en cada cámara de
cilindro, una bomba de combustible para alimentar combustible al
inyector correspondiente, una conducción de escape que discurre
entre la cámara de combustión correspondiente y que desemboca en un
convertidor catalítico para reducción catalítica del NO_{X} en los
gases de escape, y medios para suministrar combustible al
dispositivo convertidor catalítico.
Es conocida la utilización de los llamados
convertidores catalíticos DENOX para la reducción catalítica de los
óxidos de nitrógeno en los sistemas de escape de motores diesel.
También es conocido que dichos convertidores catalíticos tienen un
rendimiento relativamente bajo y una gama de temperaturas estrecha
dentro de la cual pueden funcionar, y que la adición de
hidrocarburos puede aumentar la eficacia y ensanchar la gama de
temperaturas de trabajo. Esto se puede conseguir añadiendo
combustible diesel adicional de manera tal que alcance el
convertidor catalítico en forma de vapores. El lugar donde se
suministra el combustible no es importante, dado que no tiene lugar
combustión alguna antes del convertidor catalítico.
Se conocen diferentes métodos y sistemas para
suministrar combustible al convertidor catalítico. Un método utiliza
un sistema de combustible separado que inyecta combustible en la
tubería de escape antes del convertidor catalítico. En otro método,
conocido por el documento WO96/03572, por ejemplo, el inyector
normal para el combustible en el motor inyectará, después de la fase
de inyección de combustible normal, una pequeña cantidad de
combustible directamente en una o varias de las cámaras de
combustión del motor durante la fase de escape, de manera que el
combustible en forma de vapor es transportado con los gases de
escape al convertidor catalítico. Con este objetivo, se utiliza un
sistema de inyección del combustible en el motor que es conocido
como "conducto común" ("common rail") y que comprende un
recipiente a alta presión que se mantiene continuamente sometido a
una presión elevada con ayuda de una bomba de alta presión entre el
depósito de combustible del vehículo y el recipiente de alta
presión, y que comunica con todos los inyectores a través de
válvulas controladas electrónicamente que cooperan con los
respectivos inyectores. Dado que el sistema se encuentra
constantemente a presión, el combustible puede ser teóricamente
inyectado en un número arbitrario de veces en cualquier momento
durante el ciclo de trabajo del motor. El control de la inyección,
tanto en la fase de inyección ordinaria como en la fase de
post-inyección adicional, se consigue con la ayuda
de una unidad de control (ordenador de control), que abre y cierra
las válvulas dependiendo de varios datos del motor que se
suministran a la unidad de control. Con un sistema de inyección de
conducto común para el combustible, la fase de
post-inyección puede ser seleccionada libremente
dado que el sistema no tiene un ciclo de presión de combustible
variable que deba ser tenido en cuenta, tal como sería el caso en
sistema de inyección de combustible impulsados por un eje de levas
de tipo habitual.
El objetivo de la presente invención consiste en
conseguir, en un motor de combustión interna del tipo que se ha
descrito en la introducción, la antes mencionada
post-inyección sin utilizar el sistema de conducto
común o ningún otro sistema de dosificación separado.
Ello se consigue, de acuerdo con la invención,
por el hecho de que el dispositivo de bomba de combustible comprende
medios individuales de bomba de combustible para cada inyector, así
como un eje de levas impulsado por el cigüeñal del motor, y
poseyendo un elemento de leva para cada medio de bomba de
combustible, poseyendo dicho elemento de leva un primer flanco de
leva dispuesto para producir, una vez para cada ciclo de trabajo, un
primer ciclo de bombeo en los medios de bomba de combustible
asociados y, como mínimo, un segundo flanco de leva dispuesto para
producir, una vez para cada ciclo de trabajo, un segundo ciclo de
bombeo en los medios de bomba de combustible asociados, un número
predeterminado de grados de giro del cigüeñal después del primer
ciclo de bombeo, y que una unidad de control electrónico está
dispuesta para controlar una válvula de derivación o
by-pass, que coopera con cada inyector para regular
la cantidad de inyección y el momento en que ello tiene lugar
durante el respectivo ciclo de bombeo, dependiendo de diferentes
parámetros de control facilitados a la unidad de control.
El intervalo de tiempo para la segunda fase de
inyección se determina, en este caso, por la posición geométrica del
segundo flanco de leva con respecto al primero, mientras que el
momento exacto de la inyección y la cantidad inyectada para cada
inyector pueda variar dependiendo del estado operativo del motor con
la ayuda de válvulas de derivación que se utilizan también para
determinar si puede ocurrir inyección en absoluto, es decir, la
cantidad se puede comprobar hasta llegar al valor 0.
En una realización del motor, según la presente
invención, poseyendo, como mínimo, dos cilindros, un elemento de
leva tiene un segundo flanco de leva con una curva de la leva que
consigue un segundo ciclo de bombeo un cierto número de grados de
cigüeñal desde el primer ciclo de bombeo, y un segundo elemento de
leva tiene un segundo flanco de leva con una curvatura que consigue
un segundo ciclo de bombeo en otro número predeterminado de grados
del cigüeñal después del primer ciclo de bombeo. La unidad de
control está dispuesta, en este caso, para controlar las válvulas de
derivación del inyector, dependiendo de la carga del motor, de
manera que se inyecta combustible adicional al convertir el
catalítico a través de un inyector que tiene una
post-inyección más adelantada cuando la carga del
motor es baja (carga parcial) y a través de un inyector con
post-inyección más adelantada cuando la carga es
elevada (plena carga). De este modo, se consigue un sistema que en
la práctica proporciona, esencialmente, la misma libertad en lo que
respecta al momento de la inyección como en lo que respecta al
sistema de conducto común ("common rail").
La invención se describirá de manera más
detallada, a continuación, haciendo referencia a ejemplos que se
muestran en los dibujos adjuntos, en los que la figura 1 muestra una
representación esquemática de la mitad de un motor multicilíndrico
en línea, la figura 2 muestra esquemáticamente los perfiles de leva
de la figura 1 a mayor escala, y la figura 3 muestra un esquema de
las curvas de levantamiento de la bomba de inyección de combustible
para los perfiles de leva mostrados en la figura 2 junto con las
curvas de levantamiento de las válvulas de admisión y de escape.
En la figura 1, los numerales (1) y (2) indican
dos cilindros en un motor diesel de cuatro tiempos. Las líneas de
trazos indican cilindros adicionales (3) y (4), que pueden ser el
tercer y cuarto cilindros de un motor de cuatro cilindros.
En la cámara de combustión (5) de cada cilindro,
desemboca un inyector de combustible, indicado de manera general por
el numeral (6), que comprende una parte de inyector (7) y una parte
de bomba (8) con una válvula de derivación (9) asociada controlada
electrónicamente. Un inyector de combustible (6) de este tipo se
llama habitualmente inyector unitario electrónico, dado que la bomba
(8) y el inyector (7) forman una unidad. La bomba (8) es una bomba
de pistón, y el movimiento del pistón se consigue de manera conocida
con la ayuda del eje de levas (11) impulsado por el cigüeñal (10)
del motor, poseyendo el eje de levas un elemento de leva (12) o (13)
para cada inyector (6).
En un motor convencional con una unidad de
inyector (6), todos los elementos de leva tienen idénticas curvas de
leva con un flanco de levantamiento que consigue la carrera del
pistón de la bomba. Los flancos de levantamiento son desplazados,
uno con respecto a otro, de acuerdo con la secuencia de ignición, y
sus posiciones determinan el posible intervalo de inyección en el
correspondiente cilindro, mientras que la cantidad real de
combustible y el momento de la inyección son regulados por las
válvulas de by-pass (9), que son accionadas
electromagnéticamente y controladas por una unidad electrónica de
control (15). Un detector (16) y un segundo detector (17)
proporcionan señales a la unidad de control (15) que representa la
velocidad de rotación del cigüeñal (10) y la posición angular del
eje de levas (11). Además, se suministran señales (18) a la unidad
de control (15) que representa la posición del acelerador. Otros
detectores adicionales, conectados a la unidad de control (15), que
son irrelevantes para la explicación de la invención, no se han
representado.
Los elementos de leva (12) y (13) tienen
idénticos flancos de levantamiento (20), que consiguen la carrera
ordinaria de la bomba para inyectar combustible en la cámara de
combustión en el período final del ciclo de compresión y en el
inicio de la carrera de expansión. De acuerdo con la invención, los
elementos de leva (12) y (13) están realizados de manera que se
forman segundos flancos de leva, que se han indicado con los
numerales (21) y (22), respectivamente, en el ejemplo que se ha
mostrado. Tal como se puede observar en las figuras 1 y 2, el flanco
izquierdo (21) del elemento de leva (12) está situado a una mayor
distancia angular con respecto al flanco de leva ordinario (20) que
el flanco de levantamiento (22) del elemento de leva (13).
Con ayuda de los flancos de levantamiento (21) y
(22), se consigue una carrera de bombeo más corta después de la
primera carrera de la bomba para la inyección de una pequeña
cantidad de combustible en el interior de la cámara de combustión
antes de que la válvula de escape del cilindro quede cerrada. El
momento de la inyección se selecciona de manera que el combustible
se evaporiza pero no quema en el cilindro, lo que significa que el
combustible vaporizado será transportado con los gases de escape por
la conducción de escape (23) del motor hacia el convertidor
catalítico (24).
En la figura 3, la curva B muestra la carrera de
la bomba provocada por el flanco de levantamiento (21), y la curva C
muestra la carrera de la bomba provocada por el flanco de
levantamiento (22). En la figura 3, se han mostrado las curvas D y
E, respectivamente, de la válvula de admisión y de la válvula de
escape, respectivamente. Tal como se puede apreciar por el diagrama
de la figura 3, el flanco de levantamiento (21) proporciona la
inyección en un punto de tiempo más retrasado que el flanco de la
izquierda (22). Las carreras de las bombas en el diagrama se han
designado (20a), (21a) y (22a).
Con ayuda de las señales suministradas a la
unidad de control (15), dicha unidad de control calcula el momento
en el que debe tener lugar la inyección de la cantidad adicional de
combustible y selecciona la activación de la válvula de derivación,
o by-pass, correspondiente al elemento de leva (12)
o (13). Los perfiles de leva que proporcionan las diferentes curvas
de levantamiento B y C han recibido las correspondientes
designaciones B y C en la figura 2.
Un motor de cuatro cilindros del diseño descrito
tiene un elemento de leva adicional que corresponde al elemento de
leva (12) y un elemento de leva correspondiente (13), mientras que
un motor de seis cilindros tiene dos elementos de leva adicionales,
correspondientes al elemento de leva (12) y dos elementos de leva
adicionales correspondientes al elemento de leva (13). Cada uno de
los elementos de leva puede estar dispuesto para conseguir una
carrera bomba adicional de la bomba de inyección asociada que
proporciona la cantidad máxima requerida de combustible al
convertidor catalítico. En este caso, la unidad de control (15)
puede quedar dispuesta para controlar la inyección, de manera que
alterna entre los diferentes inyectores para proporcionar un
desgaste regular. Este diseño hace posible también una dosificación
exacta de la cantidad de combustible, dado que el efecto de la
reacción relativamente lenta de la válvulas de
by-pass será reducido. En otra realización, los
elementos de leva pueden ser dispuestos para proporcionar una
carrera de leva adicional que proporciona la mitad (en un motor de
cuatro cilindros) o un tercio (en un motor de seis cilindros) de la
cantidad máxima del combustible requerido. En este caso, la unidad
de control (15) está dispuesta para controlar la inyección de
combustible a través de dos (motor de cuatro cilindros) o tres
(motor de seis cilindros) inyectores durante un ciclo de
trabajo.
La alternancia entre los inyectores se puede
realizar en una serie de maneras distintas. Con un motor de seis
cilindros y dos grupos de perfiles idénticos de leva, la alternancia
entre los diferentes inyectores se puede realizar del modo
siguiente:
- -
- 720º entre inyecciones extra (igual inyector para cada ciclo)
- -
- 480º entre inyecciones extra (inyectores diferentes)
- -
- 960º entre inyecciones extra (inyectores diferentes)
- -
- en general, un múltiplo de 240º entre inyecciones extra.
Desde luego, es posible, dentro del ámbito de la
presente invención, realizar los elementos de leva de manera que se
obtengan más de dos momentos de inyección distintos para la
post-inyección. Un motor de cuatro cilindros puede
tener cuatro y un motor de seis cilindros puede tener seis tiempos
de inyección distintos para hacer posible una adaptación todavía más
grande de la temporización de la inyección de combustible a la carga
del motor. En este caso, cada elemento de leva debe quedar realizado
para proporcionar una carrera de la bomba que facilita la máxima
cantidad de combustible requerida al convertidor catalítico. También
se puede concebir el disponer un motor de seis cilindros con tres
tiempos de post-inyección distintos, de manera que
los elementos de leva están realizados de manera tal que un ciclo de
bomba proporciona la mitad del máximo de combustible requerido, de
manera que la unidad de control (15) durante el ciclo de trabajo del
motor divide la inyección entre dos inyectores.
La invención se ha descrito con referencia a un
ejemplo de motor multicilíndrico con los llamados inyectores
unitarios, pero también se puede utilizar en un motor monocilíndrico
y en un motor con los llamados inyectores bomba, es decir, un motor
con un sistema de combustible en el que los inyectores y el
dispositivo de la bomba son elementos separados pero en el que cada
inyector tiene su propio pistón de bomba accionado por un elemento
de leva. Teóricamente, la bomba puede ser una bomba lineal, una
bomba de pistones radiales o una bomba de pistones axiales. Además,
es posible, dentro del ámbito de la idea básica de la invención, la
disposición de más de un flanco de leva adicional para la inyección
extra.
Claims (8)
1. Motor de combustión interna de cuatro tiempos,
que comprende uno o varios cilindros (1, 2, 3) cada uno de los
cuales tiene una cámara de combustión (5), un inyector de
combustible (7) que desemboca en cada uno de los cilindros, un
dispositivo de bomba (8) para alimentar combustible al inyector
correspondiente, un conducto de escape (23) que conduce desde la
respectiva cámara de combustión y que desemboca en un dispositivo
convertidor catalítico (24) para la reducción catalítica de NO_{X}
de los gases de escape, y medios para suministrar combustible al
convertidor catalítico, caracterizado porque la bomba
comprende medios de bomba de combustible individuales (8) para cada
inyector (7), y un eje de levas (11) impulsado por el cigüeñal (10)
del motor, y poseyendo un elemento de leva (12, 13) para cada
dispositivo de bomba, poseyendo dicho elemento de leva un primer
flanco de leva (20) dispuesto para producir, una vez en cada ciclo,
una primera carrera de bombeo en la bomba asociada y, como mínimo,
un segundo flanco de leva (21, 22) dispuesto para producir, una vez
para cada ciclo, un segundo ciclo de bombeo en el medio de la bomba
de combustible asociado a un número de grados de giro del cigüeñal
predeterminado, después del primer ciclo de bomba, y que la unidad
electrónica de control (15) está dispuesta para controlar una
válvula by-pass (9) que coopera con cada inyector,
para regular la cantidad de inyección y el momento en el tiempo
durante el respectivo ciclo de la bomba, dependiendo de varios
parámetros de control facilitados a la unidad de control.
2. Motor de combustión interna, según la
reivindicación 1, que tiene, como mínimo, dos cilindros,
caracterizado porque el segundo flanco de leva (21, 22) del
respectivo elemento de leva (12, 13) tiene una curva de leva (B, C)
prevista para producir un segundo ciclo de bombeo, que hace posible
la inyección de la cantidad de combustible máxima requerida del
inyector (7), y que la unidad de control (15) está dispuesta para
controlar la respectiva válvula by-pass, de manera
que se inyecta combustible, de manera alternada, por uno y otro
inyector.
3. Motor de combustión interna, según la
reivindicación 1, que tiene, como mínimo, dos cilindros,
caracterizado porque el segundo flanco de leva (21, 22) del
respectivo elemento de leva (12, 13) tiene una curva de leva (B, C)
prevista para producir un segundo ciclo de bombeo, que hace posible
la inyección de una cantidad de combustible menor que la máxima
cantidad de combustible requerida, y que la unidad de control (15)
está dispuesta, dependiendo de la cantidad de combustible, para
controlar las válvulas by-pass para inyectar por más
de un inyector (7) durante un ciclo de trabajo.
4. Motor de combustión interna, según la
reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque un elemento de
leva (12) tiene un segundo flanco de leva (21) con una curva de leva
(B), que consigue un segundo ciclo de bombeo a un número de grados
de giro del cigüeñal predeterminado después del primer ciclo de
bombeo, y que un segundo elemento de leva (13) tiene un segundo
flanco de leva (22) con una curva de leva (C) que consigue un
segundo ciclo de bombeo a otro número predeterminado de grados de
giro del cigüeñal después del primer ciclo de bombeo, y que la
unidad de control (15) está dispuesta para controlar las válvulas
by-pass (9) de los inyectores dependiendo de la
carga del motor, de manera que la inyección provocada por el segundo
ciclo de bombeo tiene lugar en un momento de tiempo más adelantado a
baja carga que a carga elevada.
5. Motor de combustión interna, según la
reivindicación 4, que tiene un mínimo de cuatro cilindros,
caracterizado porque los segundos flancos de leva de todos
los elementos de leva están dotados de diferentes curvas de
leva.
6. Motor de combustión interna, según la
reivindicación 4, caracterizado porque los elementos de leva
están agrupados, como mínimo, en dos grupos, de manera que las
curvas de dichos segundos flancos de leva son idénticas dentro del
grupo correspondiente, pero distintas entre los grupos.
7. Motor de combustión interna, según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque cada inyector
(7) con su medio de bomba asociado (8) forma una unidad integrada,
una llamada unidad de inyector (6) dispuesta en la culata del motor
.
8. Motor de combustión interna, según una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque cada inyector
comunica con un medio de bomba de combustible separado del
inyector.
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