ES2250605T3 - Metodo para el control de un motor de combusiton interna con un compresor de onda de presion gasodinamico. - Google Patents

Abstract

Un método para la regulación de un motor de combustión con un compresor de onda de presión gasodinámico, dondel compresor de onda de presión gasodinámico muestra un compartimento rotatorio para realizar una adaptación del proceso sobre todo el rango característico del motor de combustión interna, y un ajuste de ancho variable del canal de gases residuales de alta presión o un suministro de entrada de la bolsa de gas variable, caracterizado porque en cada rango característico se cumple una determinada secuencia de la regulación, con lo que en una variación brusca de potencia positiva el número de revoluciones y el compartimiento del compresor de onda de presión gasodinámico se sitúan en una posición óptima registrada en el diagrama, el ajuste de ancho variable del canal de gases residuales variable o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable se regulariza en la presión de admisión requerida del diagrama del motor; y en una variación brusca de potencia no positiva el número de revoluciones y el compartimiento del compresor de onda de presión gasodinámico se instalan, con los medios adecuados, en la posición óptima registrada en el diagrama del motor, y el ajuste de ancho variable del canal de gases residuales variable o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable se abre tanto como sea posible, para mantener el diferencial de presión del aire de toma de alta presión hacia los gases residuales de alta presión tan bajo como sea posible.

Description

Método para el control de un motor de combustión interna con un compresor de onda de presión gasodinámico.

La presente invención trata de un método para el control de un motor de combustión interna con un compresor de onda de presión gasodinámico, de acuerdo con el término genérico de la reivindicación de patente 1. Un compresor de onda de presión gasodinámico que se determina para alimentar un motor de combustión interna con aire de toma, se conoce por la WO 99/11913 del mismo anunciante. Especialmente, se ofrece allí un compartimento de aire ajustable, para organizar los orificios de uno de los dos canales de alta presión, con respecto a los otros orificios de los otros canales de alta presión, para realizar una adaptación del proceso sobre toda el rango característico del motor de combustión interna, así como un ajuste de ancho variable del canal de gases residuales de alta presión y otras características.

Además, se conoce la aplicación de determinadas medidas en un compresor de onda de presión gasodinámico, que se basa en la notificación de patente citada anteriormente, por la publicación "Modeling and Model-based Control of Supercharged SI-Engines", del laboratorio para máquinas de combustión interna de la Universidad Federal de Zúrich.

Se puede distribuir la reacción del vehículo, en dos niveles, en primer lugar igualados, es decir, los niveles de aceleración y frenado, así como los niveles de constancia. En el primer nivel, se diferencia entre dos fases, una variación brusca de desplazamiento positivo durante la aceleración (suministro de gas), así como una variación brusca de potencia, durante el frenado y/o extracción de gas. El segundo nivel puede distribuirse en tres niveles: la fase de carga parcial, la fase de marcha en vacío y la fase de plena carga.

La presente invención trata, especialmente, de la variación brusca de desplazamiento positivo durante la aceleración, así como de la variación brusca de no desplazamiento positivo durante el frenado y/o extracción de gas, con las características de funcionamiento de la carga parcial.

Las pruebas han dado como resultado que durante el tirón producto del compresor de onda de presión gasodinámico, en la zona del aire de los gases residuales que atraviesan a contracorriente el rotor de ondas de presión, debido a un número incorrecto de revoluciones, a una rotación incorrecta del compartimiento, a una válvula de mariposa cerrada, a un ajuste que esté suelto o fuertemente encajado del canal de gases residuales de alta presión, o por un suministro variable de entrada de la bolsa de gas o por un aumento del nivel de eficiencia incorrectamente ajustado por la utilización de un canal de desvío entre la pieza de aire de limpio de admisión y la pieza de gases residuales, las cuales pueden verse dañadas, por ejemplo, se puede perturbar la fijación del rotor por las varillas en el compartimiento, o por una alta recirculación de gases residuales y/o a una presión de admisión baja, y/o a una alta temperatura del aire de toma, puede afectar al funcionamiento del motor.

De estos estudios se infiere que, en lo que respecta a las fases anteriormente señaladas, resulta ventajoso cierto ordenamiento relativo a la normalización de distintas secuencias, y, siguiendo esto, la función de la presente invención, para evitar las perturbaciones o deterioros señalados anteriormente acerca del compresor de onda de presión de diseño geodinámico, y conseguir una mayor potencia y un menor gasto. La función se soluciona con el procedimiento para la normalización acorde a la reivindicación de patente 1.

La invención se explicará con más detalle a continuación, mediante los gráficos de los ejemplos de ejecución. Los detalles técnicos del motor de combustión y del compresor de onda de presión de diseño geodinámico se describen detalladamente en la WO 99/11913 y en la WO/11915 del mismo anunciante, y se toma expresamente de ahí. Especialmente, se toma de las características que se refieren a la rotación del compartimiento, especialmente el compartimiento de aire del compresor de onda de presión gasodinámico, para la adaptación de ambos canales de escape de alta presión; al enlace de interconexión entre el canal de aire de toma de alta presión y el canal de gases residuales de alta presión; y al ensanchamiento variable del canal de gases residuales de alta presión o del acceso de entrada de gas.

Figura 1: Muestra esquemática y parcialmente, en corte, un ejemplo de ejecución de un compresor de onda de presión de diseño geodinámico;

Figura 2: Muestra, en una vista en perspectiva, el compresor de onda de presión de diseño geodinámico, según la Figura 1, y las

Figura 3, 3a: Muestran esquemáticamente, en detalle, un corte realizado cilíndricamente por las células de un rotor de un compresor de onda a presión, con ensanchamiento variable del canal de gases residuales de alta presión.

En las Figuras 1 y 2, se representa un compresor de onda de presión gasodinámico, en el que se realiza una gran cantidad de perfeccionamientos, para elevar esencialmente, en total, el nivel de eficiencia. El compresor de onda de presión 30 se encuentra unido sobre el canal de gases residuales 31 de alta presión y el canal del aire de toma 32, con el motor de combustión 33 representado esquemáticamente. En el compartimiento 34 se encuentra, además, el canal de gases residuales 35 de baja presión, y se ve claramente, con esta Figura, que ambos canales, es decir, el canal de gases residuales 35 de baja presión y el canal de gases residuales de baja presión, desembocan en el compartimiento de gas por un lado del motor, a modo de orificios en forma de sector 36A y 37A, cada uno con un borde de apertura 36 y/o 37, véase también las Figuras 5 y 6. Se conoce, además, el rotor 40, con sus células 41, con lo que el rotor se encuentra colocado en una cubierta 42, y se acciona, por ejemplo, mediante un mecanismo de propulsión 43.

Se pretende, en primer lugar, adaptar la orientación de los bordes de apertura del canal de gases residuales de alta presión, con respecto a los bordes de apertura del canal de aire de toma de alta presión, de tal modo que la denominada onda primaria, que se origina en la apertura del canal de gases residuales de alta presión, para dirigirse hacia una célula del rotor sometida a una intensa baja presión, se adapte de forma precisa, de modo que, al abrirse el canal de aire de toma de alta presión, llegue a la zona del aire. Se ha intentado anteriormente alcanzar esta optimización, con la que se colocan discos ajustables con aperturas, para influir en ambas corrientes de alta presión.

En la presente ejecución, se ajustan los bordes de apertura del canal de aire de toma de alta presión 32, es decir, las aperturas que desembocan en las células del rotor, en las que, se ajustan, bien el compartimiento de aire con respecto al rotor fijo, o bien el compartimiento de gas o sólo el canal de aire de toma de alta presión. De ahí resulta que los bordes de apertura de ambos canales de alta presión, en cada punto del diagrama del motor de combustión, se pueden ajustar siempre entre ellos, que la onda primaria puede cumplir la condición anteriormente señalada. El ajuste del compartimiento puede oscilar, por ejemplo, entre 0 y 25º.

Mediante un suministrador de aire limpio en el canal de gases residuales, se puede lograr un gran aumento de potencia. Se distingue en las Figuras 1 y 2 el enlace de interconexión 46, que recorre desde el canal de toma de aire de alta presión al canal de gases residuales de alta presión. Así, se transmiten los golpes de presión positiva del canal de aire de toma de alta presión al canal de gases residuales de alta presión. El enlace de interconexión contiene una válvula de retención 47, que, dado el caso, se ha previsto con un regulador electrónico. De este modo, la válvula de retención actúa a modo de regulador, en el sentido de que sólo se pueden transmitir golpes de presión cuyo nivel energético sea mayor que la presión del momento en el canal de gases residuales de alta presión. Así, aumentan, sobre todo, los impulsos de presión negativa, es decir, la condición de quasi-baja presión del canal de gases residuales de alta presión, y todo el nivel de presión aumenta tanto dentro del canal de gases residuales de alta presión como en el canal de aire de toma de alta presión, mediante el aislamiento de los impulsos de presión negativa. Así, el nivel de presión del rotor puede aumentar significativamente antes de la apertura del canal de gases residuales de alta presión, y las pulsaciones llegadas de ahí se atenúan. Además, esta medida limita la pérdida de suministro de gases residuales calientes del rotor, pues se atenúa el proceso completo.

Se puede conseguir otro perfeccionamiento, en caso de que la bifurcación, que se muestra en la Figura 1 ó 2, en alguna parte entre el borde del canal de toma de aire de alta presión y la entrada del motor, se sitúe directamente tras el borde de apertura del canal de toma de aire de alta presión. Esta variante escogida no se señala en la Figura 1, en pro de la claridad de visualización.

Como se ha señalado anteriormente, el compresor de onda a presión, según el estado de la técnica, depende fuertemente de la recarga. De modo adicional a la reducción de impulsos de presión, como se ha descrito anteriormente, la previsión de un enlace de interconexión permite la devolución de aire de toma sobre la zona de gases residuales de alta presión del compresor de onda de presión, debido a un aumento del caudal másico del compresor y, con ello, a un aumento del grado de recarga, que se puede notar en caso de un aumento de presión significativo. Un regulador adicional de las cantidades de alta presión de aire limpio devueltas, mediante una válvula de retención, también puede utilizarse, con esto, para la regulación de la presión de admisión en general, y, en un motor de gasolina, además, para la regulación de potencia. Esto significa, con otras palabras, que el compresor puede tener dimensiones algo mayores para el perfeccionamiento del nivel de eficiencia de la compresión, en caudales de motor mayores, sin perder presión de admisión, en el caso de

\hbox{caudales de
motor de baja presión.}

Así, también puede suceder que la sección transversal del canal de conexión se regule mediante un dispositivo adecuado, conocido, con lo que se puede utilizar, bien la válvula de retención regulada, bien un regulador de la sección transversal adicional. Esto es especialmente efectivo desde la parte inferior a la media de las zonas de carga, de temperatura y de número de revoluciones. Es decir, que el sistema para el aumento de potencia, mediante un enlace de interconexión, es un medio auxiliar para, en casos en los que se produzca una presión de admisión eventualmente baja, con un número de revoluciones de motor bajo, de 1000 a 3000 RPM, conseguir un fuerte aumento de la presión de admisión mediante el aprovechamiento de los impulsos de gases residuales y del diferencial de presión positivo en el compresor de onda a presión.

La utilización de un enlace de interconexión entre la pieza de aire limpio y la pieza de gases residuales ocasiona un considerable aumento del nivel de eficiencia en los compresores de onda de presión anteriormente nombrados, pero es especialmente efectivo en conexión con las medidas previamente citadas y descritas para el perfeccionamiento del nivel de eficiencia. Este aumento de potencia debería darse en el control del motor, con un elemento de control con una función de apertura y cierre.

Las Figuras 3 y 3A se refieren a otro aspecto del compresor de onda de presión, a la influencia de l a corriente de gases residuales de alta presión. En las Figuras 3, 3A, se representa esquemáticamente una influencia del canal de gases residuales de alta presión y/o su ensanchamiento. Ahí se representa el motor 40 desarrollado con las células 41, y se ha previsto un hueco 48 en el compartimiento de gas 34, que se puede variar mediante un distribuidor 49, como se explica mediante la flecha 50. En la Figura 3A, se inserta el distribuidor 49 totalmente en la dirección de la flecha, de modo que el canal de gases residuales de alta presión se ensancha, sin que surja ninguna conexión. Mediante una regulación adecuada y, para un especialista, calculable, el distribuidor puede desplazarse de tal modo que el canal de alta presión se ensanche hasta que la presión interior descienda hasta tal punto, que la presión de admisión generada por el proceso de onda de presión descienda hasta el nivel deseado.

De forma análoga a esto, en caso de que no se escoja el ensanchamiento del canal de gases residuales de alta presión, se puede, del modo conocido, variar el suministro de entrada de la bolsa de gas, si hay un nivel de eficiencia aún menor, y puesto que queda una conexión.

Como se ha señalado al principio, se conoce una cantidad de fuentes de error, que podrían estropear el funcionamiento del motor de combustión o perturbar el compresor de onda de presión gasodinámico. Por esta razón, es significativo determinar una secuencia de regulación de un compresor de onda de presión en cada rango del diagrama de funcionamiento del motor de combustión.

Es decir, para cada punto del diagrama característico se podría describir un posicionamiento, así como una secuencia del accionamiento de los elementos de control existentes. Como esto produciría una serie infinita, se escogen en total dos opciones de instalación: en el aumento de potencia del motor de combustión, fácilmente expresado en la aceleración, y en la extracción de gas o frenado.

A continuación, se señala un ejemplo de una regulación en una variación brusca de potencia positiva, es decir, en la aceleración, donde la válvula de mariposa del motor de combustión o la cremallera del motor diesel, se desplaza, en función de la elección del conductor, hacia un nivel de más potencia sobre un cable de tiro o un E-Gas y/o un cambio de posición de la cremallera.

1.

La válvula de aire limpio 59, véase la Figura 1, en el canal de admisión que se encuentra antes del compresor de onda de presión, debe abrirse tanto como sea posible al comienzo de la variación brusca de potencia, con los medios adecuados, por ejemplo un cable de tiro o un regulador-E, para poder asegurar el aumento en el canal de aire para el compresor de onda de presión.

2.

El número de revoluciones y el ajuste del compartimiento, especialmente del compartimiento de aire 39, del compresor de onda de presión, debe moverse, con los medios adecuados, en la posición óptima registrada en el diagrama, de forma relativa al punto del diagrama del motor de combustión.

3.

El distribuidor del ajuste de ancho variable del canal de gases de emisión de alta presión, o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable, deben instalarse en la posición registrada en el diagrama y/o regularizarse en la presión de admisión requerida en el diagrama del motor.

4.

La válvula del enlace de interconexión 46 entre el canal de toma de aire de alta presión y el canal de gases de emisión de alta presión puede abrirse adicionalmente si no se alcanza la presión de admisión deseada, de un modo ventajoso sólo entre N_{mot} = 1000 y 3000 revoluciones/minuto.

5.

El ajuste de ancho variable del canal de gases residuales de alta presión o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable se somete, así, a la función de regulación de presión, acorde a la elección del conductor.

Así, es digno de mención el hecho de que la válvula de retención del enlace de interconexión, primero se puede abrir, cuando todos los otros parámetros y elementos de control se encuentren ya en la posición óptima tras la variación brusca de potencia positiva, debido al requerimiento de una presión de admisión tan alta como sea posible. Esto es necesario, pues el proceso de alta presión, con el sistema de aumento de potencia, aumenta el proceso de estrangulación.

En la regulación del compresor de onda de presión en una variación brusca de potencia no positiva, es decir, en el frenado, con las características de funcionamiento de la carga parcial que implica, se debería atender a las siguientes disposiciones:

1.

En una variación brusca de potencia no positiva, con un requerimiento de una presión de admisión baja, el enlace de interconexión debe, en primer lugar, volver a cerrarse. La válvula del enlace de interconexión debe cerrarse de forma segura.

2.

En el ajuste del compartimiento y la instalación del número de revoluciones del compresor de onda de presión, estos valores deberían mostrar una posición óptima en los valores recogidos en la prueba del motor y registrados en el diagrama.

3.

La válvula de aire limpio 59 del compresor de onda de presión debería cerrarse tanto como sea posible, aunque sólo si el estrangulador del rotor no se hunde. Esto requiere sensores en las Sondas -\Delta y en la medición de la temperatura de los gases residuales, tras el compresor de onda de presión.

4.

El distribuidor del ajuste de ancho variable del canal de gases residuales de alta presión o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable debería abrirse tanto como fuera posible, de modo que el diferencial de presión entre el aire de toma de alta presión y los gases residuales de alta presión sea el mínimo posible.

Las pruebas han dado como resultado que el cumplimiento de las disposiciones anteriormente descritas en la regulación del compresor de onda de presión, puede conseguir una potencia óptima con un bajo coste.

Como ya se ha señalado, se podría describir, para cada punto del diagrama, un posicionamiento, así como una secuencia del accionamiento de los elementos de control disponibles. Como esto, sin embargo, es infinito, se parte adecuadamente del principio del posicionamiento óptimo según el diagrama, y de la regulación posterior, con, por ejemplo, regulaciones PID.

El ajuste del compartimiento, el número de revoluciones y la regulación del distribuidor del ajuste de ancho del canal de gases residuales de alta presión o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable pueden variar, según cada requerimiento, y aportar resultados parecidos en ajustes diferentes. Se pueden conseguir buenos resultados, debido a que, en el ajuste del compresor de onda de presión, se optimiza la potencia del motor de combustión y/o su momento de giro.

Como se registra al principio, en esta notificación se describe, especialmente en la regulación de las medidas en una variación brusca de potencia positiva y en una no positiva, y también se optimizan, naturalmente, las otras tres fases citadas de la conducción constante, en las que también ahí se efectúa una secuencia determinada de la regulación. Esta regulación, también de las otras tres fases parciales, se combina, entonces, con las demás medidas de regulación con la secuencia anteriormente descrita.

El método acorde a la invención no se ve limitado en el compresor de onda de presión del motor de combustión del sistema descrito. En su forma básica, el método tiene vigencia, para todos los sistemas de compresores de onda de presión de motores de combustión. Toda su efectividad se desarrolla con todas las opciones. También se considera este método, tanto para motores de gasolina como diese, con y sin catalizadores, y con o sin calentadores adiciona-
les.

Claims (9)

1. Un método para la regulación de un motor de combustión con un compresor de onda de presión gasodinámico, donde el compresor de onda de presión gasodinámico muestra un compartimento rotatorio para realizar una adaptación del proceso sobre todo el rango característico del motor de combustión interna, y un ajuste de ancho variable del canal de gases residuales de alta presión o un suministro de entrada de la bolsa de gas variable, caracterizado porque en cada rango característico se cumple una determinada secuencia de la regulación, con lo que

en una variación brusca de potencia positiva

el número de revoluciones y el compartimiento del compresor de onda de presión gasodinámico se sitúan en una posición óptima registrada en el diagrama,

el ajuste de ancho variable del canal de gases residuales variable o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable se regulariza en la presión de admisión requerida del diagrama del motor; y

en una variación brusca de potencia no positiva

el número de revoluciones y el compartimiento del compresor de onda de presión gasodinámico se instalan, con los medios adecuados, en la posición óptima registrada en el diagrama del motor, y

el ajuste de ancho variable del canal de gases residuales variable o del suministro de entrada de la bolsa de gas variable se abre tanto como sea posible, para mantener el diferencial de presión del aire de toma de alta presión hacia los gases residuales de alta presión tan bajo como sea posible.

2. El método, según la reivindicación 1, caracterizado porque al principio de la variación brusca de potencia, donde la pieza de regulación del motor de combustión se desplaza en función de la elección del conductor, hacia una mayor potencia, en un principio se abre tanto como sea posible una válvula de aire limpio del canal de depuración del compresor de onda de presión.

3. El método, según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque, en una variación brusca de potencia positiva, y en situaciones en las que no se consiga la presión de admisión deseada, se abre adicionalmente un enlace de interconexión entre el canal de aire de toma de alta presión y el canal de gases residuales de alta presión.

4. El método, según la reivindicación 3, caracterizado porque la apertura se alcanza en una rango de N_{mot} = 1000 y 3000 revoluciones/minuto.

5. El método, según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque la apertura del enlace de interconexión se consigue, primero, cuando todos los demás parámetros y elementos de ajuste se encuentran ya en una posición óptima, tras la variación brusca de potencia positiva.

6. El método, según la reivindicación 1, en una variación de potencia no positiva, caracterizado porque se asegura que un enlace de interconexión existente entre el canal de toma de aire de alta presión y el canal de gases residuales de alta presión, se cierra con seguridad.

7. El método, según la reivindicación 6, caracterizado porque una válvula se acciona en el enlace de interconexión, sobre el regulador del motor de combustión, con un elemento de control.

8. El método, según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque, al comienzo de la variación brusca de potencia no positiva, la válvula de aire limpio se cierra tanto como sea posible, sin que, sin embargo, el estrangulador del rotor se hunda.

9. El método, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el compartimiento ajustable del compresor de onda de presión gasodinámico es el compartimiento de aire.