ES2260342T3 - Dispositivo para regular un motor de combustion interna de encendido exterior. - Google Patents

Abstract

Dispositivo de regulación de un motor (M) de combustión interna de encendido exterior para conseguir un rendimiento máximo posible del motor (M) de combustión interna con un valor de óxido de nitrógeno prefijable, presentando el motor (M) de combustión interna un dispositivo de regulación de potencia, que actúa sobre, al menos, un elemento (2) de ajuste de potencia y pudiendo ajustarse el punto (ZZP) de encendido por un dispositivo (8, 9, 10) de regulación del punto de encendido en función de la posición del elemento (2) de regulación de la potencia, comprendiendo el motor de combustión interna un regulador (4, 6, 7) lambda para regular la relación combustible a aire, caracterizado porque se puede suministrar una señal correspondiente al punto (ZZP) de encendido actual al regulador-lambda (4, 6, 7) y recibiendo el regulador-lambda (4, 6, 7) a la entrada de los valores reales una señal de valor real correspondiente a la presión (P2~) de la mezcla aguas arriba de las válvulas del motor (M) decombustión interna y existiendo a la entrada de los valores nominales una señal (P2''soll) de valor nominal, que se puede calcular en función de un valor (NOxsoll) nominal para las cantidades de NOx contenidas en los gases de escape y en función de los valores actuales detectados de la potencia (Pel) del motor, de la temperatura (t2'') de la mezcla aguas arriba de las válvulas y el punto (ZZP) de encendido actual.

Description

Dispositivo para regular un motor de combustión interna de encendido exterior.

El invento se refiere a un dispositivo de regulación de un motor de combustión interna de encendido exterior para conseguir un rendimiento máximo posible del motor de combustión interna con un valor de emisión de óxido de nitrógeno prefijable, presentando el motor de combustión interna un dispositivo de regulación de la potencia, que actúa sobre por lo menos un elemento de ajuste de la potencia, y el punto de encendido es ajustable por un dispositivo de regulación del punto de encendido en función de la posición del dispositivo de ajuste de la potencia, presentando el motor de combustión interna un regulador lambda para regular la relación de combustible a aire, cuyo regulador está en combinación con el dispositivo regulador del punto de encendido.

A partir del documento de la patente europea EP 0 259 382, se conoce consultar la presión de la mezcla, que reina aguas arriba de las válvulas de admisión del motor de combustión interna, como magnitud reguladora para finalmente regular la relación de gas de combustión a aire. Esta relación está en correlación directa con las porciones de NO_{x} en el gas de escape, de modo que se presenta, en suma, un regulador de emisiones en forma de un regulador lambda. Las magnitudes objetivo de esta conocida regulación de motor son, pues, el rendimiento y la emisión NO_{x} de óxido de nitrógeno. Para conseguir el objetivo de la regulación, se modifican la presión de sobrecarga y la relación de gas de combustión a aire. Rendimiento y emisión de óxido de nitrógeno están ligados con todas las magnitudes del motor, de modo que el regulador de rendimiento y el regulador de emisiones son, en suma, reguladores mutuamente ligados.

Con una semejante estrategia de regulación conocida, se pueden regular, en efecto, las emisiones de óxido de nitrógeno a un valor prefijable, así como mantener la potencia en el valor deseado. Pero no es posible con la conocida estrategia de regulación efectuar siempre una optimización continua del rendimiento, porque el punto de funcionamiento óptimo depende de las condiciones ambientales como la temperatura de aspiración, la altura de emplazamiento y la calidad del gas combustible.

El documento DE 39 18 683 muestra un procedimiento para regular un motor Otto (motor de carburador) de gas de encendido exterior, en el que el punto de encendido se ajusta por un dispositivo regulador de punto de encendido en función de la posición del elemento de ajuste de la potencia. Es objetivo, incluso en el caso de un modo de funcionamiento pobre, evitar los efectos negativos de las oscilaciones de la calidad del gas y, al mismo tiempo, asegurar pequeñas emisiones de sustancias contaminantes.

Es problema del invento crear un dispositivo mejorado para regular un motor de combustión interna de encendido exterior del género mencionado al principio con el cual sea siempre posible mantener un punto operativo de rendimiento óptimo, incluso con una calidad de gas combustible oscilante y unas condiciones ambientales oscilantes. Las propiedades de regulación ya conocidas hasta ahora deben se han de mantener, al mismo tiempo, a una determinada potencia y una determinada emisión (constante) de sustancias contaminantes, en especial, de NO_{x}.

Esto se consigue según el invento por que se pueda suministrar una señal, correspondiente al punto de encendido actual, al regulador lambda y el regulador lambda reciba a la entrada del valor real una señal de valor real, correspondiente a la presión de la mezcla aguas arriba de las válvulas del motor de combustión interna, y en la entrada del valor nominal se sitúe la señal del valor nominal, que se pueda alcanzar en función de un valor nominal previamente ajustable para las cantidades de NO_{x} contenidas en los gases de escape y en función de los valores actualmente captados de la potencia del motor, la temperatura de la mezcla aguas arriba de las válvulas y del punto de encendido actual.

El punto de encendido representa una magnitud de motor adicional en el caso de turbomotores Otto de gas sobrealimentados, que permite una modificación de la plena carga alcanzable por ajuste retardado del punto de encendido. Esto hace posible realizar una función de regulación, que garantiza, modificando en todo momento el punto de encendido, una mínima reserva de regulación. Por consiguiente, es posible marchar sin peligro, funcionado siempre al punto operativo óptimo del motor de combustión interna en cuanto a rendimiento, sin conseguir más los valores de emisión requeridos o bien la potencia requerida en condiciones ambientales oscilantes o bien de calidades de gas combustible oscilantes.

Además, se puede prever preferiblemente que el dispositivo de regulación del punto de encendido presente, por el lado de la admisión, un dispositivo de valor umbral, que limite el ajuste del punto de encendido a posiciones del elemento de ajuste de potencia, que queden por encima de un valor previamente ajustable y del valor de potencia máxima posible del elemento de ajuste de potencia. La regulación del punto de encendido queda, pues, inactiva hasta que el elemento de ajuste de la potencia, por ejemplo, una válvula de sobresoplado, esté en una derivación del turbo o la válvula de estrangulación escasamente en la posición correspondiente a la potencia más alta posible. Cuando el elemento de ajuste de la potencia haya alcanzado una posición prefijada, por ejemplo, que la válvula de sobresoplado se haya estrangulado hasta un 20% de un paso (y la válvula de estrangulación esté ya completamente abierta) interviene la regulación del punto de encendido, ajustando el punto de encendido a retardo, con lo cual aumenta la potencia. Se dispone entonces con el propio elemento de ajuste de la potencia de una reserva de regulación todavía, que permite intervenir rápidamente en la potencia del motor en condiciones oscilantes, de modo que el motor pueda mantener siempre su potencia. El elemento de ajuste de la potencia puede hacer esto rápidamente en el tiempo, mientras que la regulación del punto de encendido necesita un tiempo de respuesta más largo. Facilita prácticamente la reserva de potencia para el propio elemento de ajuste de la potencia, de modo que se pueda marchar siempre en el punto operativo óptimo en el límite de la potencia, sin tener que correr el riesgo de no alcanzar más la potencia del motor en condiciones exteriores desfavorables.

Adicionalmente, se puede evitar con la integración del punto de encendido en la regulación que se sobrepase el límite de resistencia a la detonación. Se puede actuar, pues, también cerca del límite de resistencia a la detonación. Para ello, se ha previsto preferiblemente que el dispositivo de regulación del punto de encendido presente un limitador de señal de salida, que asegure que el punto de encendido se pueda ajustar, en cada caso, sólo entre dos límites previamente ajustables en dirección retardo y en dirección prematuro, habiéndose previsto un regulador de detonación, que presente, del lado de la admisión, al menos un sensor de detonación en el motor de combustión interna, y que, del lado del escape, esté en combinación con el limitador de señal de salida y, al presentarse una combustión detonante, rebaje el límite efectivo para el ajuste del punto de encendido en dirección a prematuro hasta que ya no se presente más una combustión detonante.

Ya se conoce -como se ha mencionado al principio- que se puede regular, por medio de una regulación de la presión de sobrecarga en función de los parámetros de potencia de motor y temperatura de la mezcla aguas arriba de las válvulas de admisión, la relación de gas combustible a aire y, por consiguiente, las emisiones (NO_{x}) de sustancias contaminantes. La relación entre el valor nominal de emisiones o bien el valor nominal para la relación lambda de gas combustible a aire, por un lado, y la presión de sobrecarga, por otro, es función del punto de encendido. Por esta razón, se ha previsto que se admita también en esta regulación de emisiones el punto de encendido como parámetro, que varía.

Otras ventajas y detalles del invento se explicarán más detalladamente a base de la siguiente descripción de las figuras.

La figura 1, la figura 2 y la figura 3 muestran, en cada caso, diagramas esquemáticos, habiéndose registrado sobre el eje X el punto Z de encendido, mientras que sobre el eje Y se ha registrado la relación L de gas combustible a aire. Los diagramas representan, pues, un campo característico del punto de encendido lambda con carga de motor constante.

La figura 4 muestra esquemáticamente un ejemplo de realización del dispositivo según el invento.

En el ejemplo de realización mostrado en la figura 1, las líneas n_{1} son aquellas líneas, a lo largo de las cuales el punto operativo del motor es tal que la emisión de óxido NO_{x} de nitrógeno sea constante. Cada punto operativo de una de dichas líneas, en especial, en la línea N1 dibujada más gruesa tiene el mismo valor de emisión de NO_{x}.

Las líneas e_{i} son las líneas de rendimiento constante. A lo largo de dichas líneas, el rendimiento del motor de combustión interna es constante, presentando las líneas, que quedan más a la derecha en la figura 1, un rendimiento mayor.

El punto B1 operativo queda sobre la línea N1 y la línea E1. Presenta, por consiguiente, la emisión de óxido de nitrógeno requerida, pero no tiene un rendimiento verdaderamente óptimo.

El algoritmo de regulación, explicado más adelante a base de la figura 4, se desplaza ahora al punto, que queda lo más a la derecha en la figura 1, en la línea N1 de emisiones, a saber, el punto B2. Al mismo tiempo, se ha de tener en cuenta que los posibles puntos operativos están limitados por el límite LG de la potencia (de puntos) y el límite KG de la detonación (de trazos gruesos), que va a la derecha oblicuamente hacia abajo. El punto B2 queda, pues, en la figura 1 en el límite de la potencia. Tiene el mejor rendimiento E2 a la emisión N1 de nitrógeno requerida.

La posible línea operativa está limitada, pues, por un lado, por el límite KG de detonación dependiente del gas combustible y, por otro lado, por el límite LG de la potencia, dependiente de las condiciones ambientales, como temperatura exterior, altura de emplazamiento, contrapresión del gas de escape. Estas fronteras varían, pues, en función de las condiciones exteriores.

Se puede presentar también, por ejemplo, la situación de la figura 2, en la que el rendimiento queda óptimamente en el punto B4 operativo en el límite de la detonación y no en el límite de la potencia, como en la figura 1. El rendimiento de este punto B4 operativo queda sobre la línea E4 y es, por consiguiente, sensiblemente más elevado que el rendimiento de un punto B3 operativo, que queda a la distancia de seguridad del límite LG de la potencia y del límite KG de la detonación, dicho punto B3 se mantuvo con regulaciones según el estado actual de la técnica.

Según la figura 3, existen condiciones ambientales y de gas combustible, que permiten arrancar en el punto BO operativo óptimo posible. El punto queda en la intersección del límite de la potencia y del límite de la detonación y es, por consiguiente, sensiblemente mejor en cuanto a rendimiento que un punto B5 operativo habitual, que presentase la misma emisión NO_{x} de nitrógeno.

Se ha representado en la figura 4 un dispositivo según el invento que está en disposición de arrancar en el punto sobre la línea de emisión de nitrógeno constante, que quede, en los diagramas representados en las figuras 1 a 3, en puntos de encendido más precoces (a la derecha en las figuras 1 a 3) y valores lambda más elevados (arriba en las figuras 1 a 3). Este dispositivo asegura, además, que el límite de detonación no será sobrepasado y que en el límite de la potencia aún se puede conseguir siempre una rápida reserva de energía para la regulación de la potencia del motor en caso de modificación de las condiciones exteriores.

Los componentes del motor de la figura 4, en especial, el turbosobrealimentador, corresponden al estado actual de la técnica y no se han representado aquí más detalladamente. Se remite además, en este caso, a los documentos de las patentes más antiguas EP 0 259 382 o EP 0 757 169.

En la figura 4 se ha designado con la referencia M, un motor de combustión interna, en especial un motor Otto estacionario de gas, que se sobrealimenta con un turbosobrealimentador. Un dispositivo 1 de regulación de la potencia asegura, mediante un regulador PID (proporcional, integrante y diferenciante) rápido, por medio de la señal u de ajuste que la potencia P_{el} del motor se ha regulado al valor P_{soll} nominal.

Aguas arriba de las válvulas de admisión del motor, reina la presión p_{2'} de la mezcla. Aproximadamente en el centro de la figura 4, se encuentra el dispositivo de regulación para la relación lambda(L) de gas de combustble a aire. El elemento de ajuste es un mezclador 3(GMI) de gas, que es excitado por un regulador 4 PID por medio de la magnitud V de ajuste. La regulación lambda tiene lugar por una regulación de la presión de sobrealimentación aguas arriba de las válvulas, a saber, la presión P_{2'}. El valor p_{2'soll} nominal se calcula, por un lado, de forma conocida en función de las emisiones NO_{xsoll} de óxido de nitrógeno deseadas y de la temperatura t_{2'} aguas arriba de las válvulas de admisión y, por otro lado, en función de la potencia P_{el} del motor de campos característicos. Hasta aquí la regulación lambda es del estado actual de la técnica y corresponde al documento EP 0 259 382 o bien a los tipos de motor realizados por la solicitante. Nuevo es el hecho de que, por medio del cálculo del valor P_{2'soll} nominal, también se haya integrado el punto ZZP de encendido, precisamente a través del conducto 5. Se consideran, pues, los dos campos 6(NO_{xsoll} y p_{2'}) así como 7(P_{el} y ZZP) característicos en el cálculo del valor P_{2'soll} nominal de la presión de mezcla. En suma, estos componentes últimamente descritos aseguran que el punto operativo del motor se encuentre siempre sobre una recta de emisión NO_{x} constante, o sea, por ejemplo, de la recta N1 o bien N en las figuras 1 a 3, mientras que el dispositivo de regulación de la potencia, descrito arriba en la figura 4, ajusta la deseada potencia de motor.

Abajo en la figura 4, se encuentra ahora el dispositivo de regulación del punto de encendido según el invento, que comprende un regulador 8 PID, un dispositivo 9 de valor de umbral y un limitador 10 de señal de salida.

El dispositivo 9 de valor de umbral asegura que el desplazamiento del punto de encendido sólo tenga lugar en el sentido del retardo, o sea, en el sentido de la potencia de motor incrementada, cuando el elemento 2 de ajuste de potencia esté próximo a su posición de plena carga, o sea, con una válvula casi cerrada en el conducto soplado circundante de la misma. Además, el valor U_{min} de reacción se puede ajustar. Cuando el elemento de ajuste de la potencia llega a esta región, existe el peligro de que no se disponga de reserva de regulación alguna suficiente para la rápida regulación hasta el máximo de la potencia del motor. Por ello, entonces ajusta, en este caso, el regulador PID el punto ZZP de encendido en el sentido hacia retardo. En el caso de un motor Otto de gas sobrealimentado, esto lleva al deseado incremento de potencia sin que sea necesario que el elemento de ajuste de la potencia vaya hasta el tope. Aún se dispone siempre de una reserva de regulación. El punto ZZP_{min} de encendido típico más retardado para el motor se puede ajustar, además, por la entrada 11 en el limitador 10 de señal de salida. En el sentido hacia el punto de encendido prematuro está el valor ZZP_{max}, que se suministra por el conducto 12. Este valor está limitado, por un lado, por un límite ZZP_{max} superior específico del motor, que se puede ajustar a través de la entrada 13 en el regulador de detonación. Por otro lado, este valor ZZP_{max} puede desplazarse hacia abajo, precisamente por el regulador 14 de detonación, cuando se detecte un ruido de detonación por medio de los sensores 15 de detonación, conocidos por sí mismos, instalados en el motor. Entonces, el regulador KR 14 de detonación rebaja, pues, el valor ZZP_{max} de punto de encendido previamente ajustado para el punto de encendido más prematuro posible al valor ZZP_{max'} actual. Con ello, se asegura que el límite de detonación no se sobrepasará y el motor funcionará limpiamente, en cada caso. El punto de encendido teórico del motor se coloca más prematuramente o igual que ZZP_{max} por lo cual la regulación intenta básicamente arrancar a un punto de encendido prematuro. La regulación de la reserva de potencia y el regulador de detonación empujan el punto de encendido actual a la medida necesaria en dirección "retardo".

En suma, el dispositivo representado en la figura 4 asegura que el motor marche con la emisión NO_{xsoll} de óxido de nitrógeno deseada, con la potencia P_{soll} deseada y con el máximo rendimiento posible, en cada caso, disponiéndose siempre de una reserva de regulación rápida todavía para la regulación máxima posible de oscilaciones de potencia y se evita, en todo caso, una detonación perjudicial.

Claims (7)

1. Dispositivo de regulación de un motor (M) de combustión interna de encendido exterior para conseguir un rendimiento máximo posible del motor (M) de combustión interna con un valor de óxido de nitrógeno prefijable, presentando el motor (M) de combustión interna un dispositivo de regulación de potencia, que actúa sobre, al menos, un elemento (2) de ajuste de potencia y pudiendo ajustarse el punto (ZZP) de encendido por un dispositivo (8, 9, 10) de regulación del punto de encendido en función de la posición del elemento (2) de regulación de la potencia, comprendiendo el motor de combustión interna un regulador (4, 6, 7) lambda para regular la relación combustible a aire, caracterizado porque se puede suministrar una señal correspondiente al punto (ZZP) de encendido actual al regulador-lambda (4, 6, 7) y recibiendo el regulador-lambda (4, 6, 7) a la entrada de los valores reales una señal de valor real correspondiente a la presión (P_{2'}) de la mezcla aguas arriba de las válvulas del motor (M) de combustión interna y existiendo a la entrada de los valores nominales una señal (P_{2'soll}) de valor nominal, que se puede calcular en función de un valor (NO_{xsoll}) nominal para las cantidades de NO_{x} contenidas en los gases de escape y en función de los valores actuales detectados de la potencia (P_{el}) del motor, de la temperatura (t_{2'}) de la mezcla aguas arriba de las válvulas y el punto (ZZP) de encendido actual.

2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado porque el ajuste del punto de encendido se limita a posiciones del elemento (2) de ajuste de potencia, que queden por encima de un valor previamente ajustable en la región del valor de máxima potencia del elemento (2) de ajuste de la potencia.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque se asegura, con un limitador (10) de señales de salida del dispositivo (8, 9, 10) de regulación del punto de encendido, que el punto de encendido se ajuste, en todo caso, sólo entre dos límites previamente ajustables, (ZZP_{MIN}) en el sentido retardado y (ZZP_{MAX}) en el sentido prematuro.

4. Dispositivo según la reivindicación 3, caracterizado porque, al presentarse una combustión detonante, el límite (ZZP_{MAX}) efectivo para el ajuste del punto de encendido se rebaja en el sentido prematuro hasta que no parezca combustión detonante alguna.

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque es apropiado para conseguir un rendimiento máximo posible del motor de combustión interna en la proximidad inmediata de su límite de potencia y/o de su límite de detonación.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque es apropiado para regular un motor Otto de combustión de gas cargado estacionariamente.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el regulador (4, 6, 7) lambda actúa sobre un mezclador (3) de gas.