ES2581282T3 - Procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor y grupo propulsor - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor con un motor de gasolina (1) que comprende: - la compresión del aire de combustión aportado a un cilindro (3) del motor de gasolina (1) por una válvula de admisión con un turbocompresor de gases de escape (12) y - el cierre de la válvula de admisión antes de que el pistón llegue en el cilindro (3) a un punto muerto inferior, caracterizado por - el empleo de un turbocompresor de gases de escape (12) con una turbina (13) que presenta una geometría de turbina variable y la refrigeración de los gases de escape aportados a la turbina (13) en una parte del conducto de gases de escape por medio de un refrigerador de gases de escape (21).

Description

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DESCRIPCION
Procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor y grupo propulsor
La presente invencion se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor con las caractensticas segun el preambulo de la reivindicacion 1. La invencion se refiere ademas a un grupo propulsor con las caractensticas segun el preambulo de la reivindicacion 10.
Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente alemana DE 10 2011 122 442.8 de fecha . El contenido divulgativo de este documento se incluye por la presente mtegramente en la revelacion de la presente invencion.
En vetuculos, como por ejemplo turismos o camiones, se emplean normalmente grupos propulsores disenados como motores de combustion para el accionamiento del vetuculo. Los motores de combustion son habitualmente motores de gasolina o motores diesel. Para reducir los gastos de funcionamiento y las emisiones del vehfculo y para aumentar la potencia asf como la comodidad del vetuculo, se han propuesto en el pasado, a este respecto, numerosas mejoras para los motores de combustion.
El documento DE 101 59 801 A1 se refiere, por ejemplo, a un motor de combustion con al menos un compresor accionado por la corriente de gases de escape del motor de combustion, y con un arbol de levas regulable por el procedimiento de Miller. En lmea o paralelamente al compresor se dispone otra etapa de compresor no accionada por la corriente de gases de escape del motor de combustion. A un regimen de revoluciones bajo del motor de combustion se aumenta la presion de admision mediante activacion de la otra etapa de compresor. La otra etapa del compresor no accionada por la corriente de gases de escape del motor de combustion se puede accionar, por ejemplo, de forma electrica. Una etapa de compresor accionada electricamente se define tambien como booster electrico.
El procedimiento de Miller se conoce por el documento US 2,670,595. El artfculo “Miller- und Arkinson-Zyklus am aufgeladenen Dieselmotor” (Ciclo de Miller y Atkinson en el motor diesel cargado) de E. Schutting et. al., publicado en MTZ Motortechnische Zeitschrift (Revista Tecnica del Motor), 2007, revista 06, paginas 480 a 485, contiene una representacion del procedimiento de Miller. De acuerdo con el procedimiento de Miller, despues del ciclo de expulsion se abre la valvula de admision para aportar aire al cilindro. Esta valvula de admision se cierra antes de que el piston alcance el punto muerto inferior del ciclo de admision.
El documento EP 2 041 414 B1 se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de un motor de gasolina en el que al menos una valvula de admision del motor de gasolina se cierra muy pronto o muy tarde, y en el que se comprime una corriente de aire de combustion aportada al motor de gasolina con un compresor. Al menos a plena carga se aporta a la corriente de aire de combustion una corriente parcial de gas de escape recirculado como recirculacion de gases de escape, haciendo funcionar el motor de gasolina con una relacion de compresion geometrica mayor que 1 : 10.
El documento DE 102 33 256 A1 se refiere a un procedimiento para el encendido de la mezcla de carburante y aire en un motor de gasolina con inyeccion directa de carburante con una camara de precombustion y encendido por chispa en la camara de precombustion. La camara de precombustion presenta una conexion operativa con un pequeno tazon de piston.
Los documentos EP 1 688 601 A2, US 2004/221820 A1 y US 2004/103648 A1 describen respectivamente un motor diesel que funciona conforme al principio de Miller y que presenta un turbocompresor. El proceso motor descrito en estos documentos es un proceso dclico de un motor diesel. Se trata de un proceso de combustion de autoencendido (HCCI) caractenstico de motores diesel.
El documento US 2009/120418 A1 se refiere a un motor de combustion interna con un refrigerador apropiado para la refrigeracion de los gases de escape recirculados, refrigerando el refrigerador el colector de escape y separandose la via de recirculacion de gases de escape del colector de gases de escape refrigerado.
Los documentos US 2010/199666 A1, US 4,010,613 A y US 4,214,443 A describen diferentes medidas para la refrigeracion de los gases de escape, revelandose una realizacion especial de termocambiadores o de turbinas o un dispositivo para la refrigeracion del aire aspirado para reducir emisiones.
Debido a la necesaria estrangulacion del control de carga cuantitativo asf como a las reducidas relaciones de compresion para evitar el golpeteo del motor, queda limitado el grado de rendimiento termodinamico de los motores de gasolina. Un planteamiento para la desestrangulacion durante el funcionamiento a carga parcial y para el posible aumento de la relacion de compresion geometrica representa el procedimiento de Miller antes mencionado y el procedimiento de Atkinson conocido por el estado de la tecnica. Cerrando la valvula de admision antes o despues se reduce el consumo de aire y tambien la compresion efectiva. El consumo de aire describe la calidad del intercambio de carga e indica la relacion entre la cantidad de aire real aportada al cilindro durante el ciclo de admision y la maxima cantidad de aire teorica. De este modo se desestrangula el motor y se reduce la temperatura final de compresion y, por consiguiente, la tendencia al golpeteo. Sin embargo, los procedimientos de Miller / Atkinson conocidos en el estado de la tecnica presentan una clara perdida de potencia.
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La tarea de la presente invencion consiste, por lo tanto, en incrementar el grado de rendimiento de un motor de gasolina sin reducir la potencia del motor.
Esta tarea se resuelve con un procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor con un motor de gasolina segun la reivindicacion 1 o por medio de un grupo propulsor con un motor de gasolina segun la reivindicacion 10. Las reivindicaciones dependientes definen formas de realizacion ventajosas y/o variantes perfeccionadas de la invencion.
De acuerdo con la presente invencion se proporciona un procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor con un motor de gasolina y un refrigerador de gases de escape. En una variante de realizacion preferida, el motor de gasolina es un motor de gasolina de compresion elevada. La variante de realizacion preferida tambien se puede denominar como motor de gasolina sobrealimentado o de alta compresion. Con preferencia, el aire de combustion aportado se comprime en el cilindro del motor de gasolina con una relacion de compresion geometrica mayor de 1:10 y menor de 1:20. El motor de gasolina es especialmente un motor de gasolina de inyeccion directa. Dicho con otras palabras: en una variante de realizacion preferida el carburante se inyecta directamente en el cilindro.
En el procedimiento segun la invencion el aire de combustion, aportado a un cilindro del motor de gasolina a traves de una valvula de admision, se comprime con un turbocompresor de gases de escape con una turbina que presenta una geometna de turbina variable. Los gases de escape conducidos a la turbina se enfnan segun la invencion en una parte del tubo de gases de escape, especialmente entre una valvula de salida del motor de gasolina y la turbina del turbocompresor de gases de escape. Los gases de escape se enfnan preferiblemente en un colector de gases de escape. Este colector se integra ventajosamente en una culata del motor de gasolina.
La valvula de admision se cierra antes de que el piston llegue en el cilindro al punto muerto inferior del cilindro. El turbocompresor de gases de escape comprende preferiblemente una rueda de turbina y una rueda de compresor unidas entre sf en un arbol. La rueda de turbina es accionada por una corriente de gases de escape del motor de gasolina. La rueda de compresor se dispone en un dispositivo de aportacion de aire de combustion del motor de gasolina y comprime, accionada por la rueda de turbina acoplada a traves del arbol, el aire de combustion aportado a los cilindros del motor de gasolina. Una seccion transversal de flujo efectiva en la entrada de la turbina se disena de forma variable. En una carcasa de turbina del turbocompresor de gases de escape, en la que se dispone la rueda de turbina, se pueden montar, por ejemplo, alabes de grna regulables. Regulando el ajuste de los alabes de grna se puede cambiar el numero de revoluciones de la rueda de turbina con el mismo caudal de gases de escape, con lo que se puede cambiar la compresion producida por la rueda de compresor, la asf llamada presion de admision. Alternativamente se puede variar la seccion transversal de flujo efectiva, por ejemplo con un manguito corredizo. El turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable presenta preferiblemente una turbina radial y un compresor radial. En la entrada de la rueda de turbina se puede prever una disposicion de alabe de grna que se ajuste a traves de un regulador electrico. Girando los alabes de grna se puede variar la seccion transversal de flujo efectivo delante de la rueda de turbina.
Debido al cierre prematuro de la valvula de admision, antes de que el piston llegue al punto muerto inferior, se puede aumentar la relacion de compresion del motor de gasolina sin que se produzca un golpeteo del motor. Gracias a la variabilidad de la seccion transversal de flujo en la entrada de turbina se amplfa el campo caractenstico de turbina aprovechable. El control de la turbina se realiza especialmente en dependencia de la presion de admision necesaria. Con el aumento de la carga del motor se necesita una presion de admision mayor. Para generarla se reduce la seccion transversal de flujo en la entrada de turbina a fin de producir una mayor potencia de la turbina. Como limitacion respecto a una aplicacion de motor diesel, se limita la seccion transversal minima de flujo de turbina por medio de una maxima contrapresion de gases de escape admisible. Como consecuencia, el control tambien se diferencia del de los turbocompresores de gases de escape con control de flujo secundario (Waste-Gate), dado que conforme al principio aqu no se necesita una limitacion de este tipo.
El empleo de una turbina de gases de escape con geometna de turbina variable conduce, por lo tanto, a un campo caractenstico de compresor aprovechable mas amplio, por lo que con cargas medias del motor de gasolina ya se puede generar una presion de admision suficiente para compensar las perdidas de admision que se pueden producir debido al cierre prematuro de la valvula de admision. De esta manera se puede conseguir especialmente en estas areas operacionales un aumento considerable del grado de rendimiento termodinamico toral. Como consecuencia del cierre prematuro de la valvula de admision se produce en el cilindro, en el ciclo de admision, un enfriamiento adicional del aire de combustion por expansion. El resultado es una reduccion del trabajo de compresion asf como una reduccion de la temperatura del proceso que reduce la tendencia al golpeteo y las perdidas de calor de la pared.
En el procediendo segun la invencion se puede reducir ademas una temperatura de gases de escape, con lo que se permite un diseno del turbocompresor de gases de escape tambien para temperaturas de gases de escape bajas para motores de gasolina, por ejemplo de un maximo de 850° C. Como consecuencia existe la posibilidad de una eleccion de materiales asf como de un diseno de la rendija del turbocompresor para el motor de gasolina analoga a las de los actuales motores diesel, con lo que se puede reducir el coste del turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable. Gracias a la reduccion de la rendija se puede aumentar ademas el grado de rendimiento de la turbina. De este modo se puede conseguir con este procedimiento, en comparacion con un turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina fija empleado de acuerdo con el procedimiento de combustion de Miller, un incremento del grado de rendimiento neutral.
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Conforme a una variante de realizacion, la geometna de turbina variable del turbocompresor de gases de escape se regula en funcion de una carga del motor de gasolina. La perdida de admision debida al cierre prematuro de la valvula de admision se puede compensar de forma adecuada en todos los rangos de carga del motor de gasolina mediante una regulacion de la geometna de turbina variable por medio del campo caractenstico de compresion mas ancho del turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable. Especialmente en el funcionamiento a plena carga se puede reducir ademas la temperatura de proceso asf como la temperatura de los gases de escape, gracias a lo cual se incrementa el grado de rendimiento del motor de gasolina y se pueden emplear materiales mas economicos en el sistema de gases de escape.
Segun otra variante de realizacion el aire de combustion aportado al cilindro se comprime adicionalmente con un compresor de accionamiento electrico, un asf llamado booster electrico o e-booster. Debido al cierre prematuro de la valvula de admision, antes de que el piston alcance en el cilindro el punto muerto inferior, se reduce el consumo de aire, es decir, la relacion entre la cantidad de aire real aportada al cilindro y la maxima cantidad de aire teorica en el cilindro. Como consecuencia de la reduccion del consumo de aire se puede aumentar el tiempo de reaccion del motor de gasolina, especialmente con una demanda de aumento del numero de revoluciones o del par. Con ayuda del compresor de accionamiento electrico el tiempo de reaccion del motor de gasolina se puede reducir comprimiendo el aire de combustion previamente con el compresor de accionamiento electrico y acelerando asf el turbocompresor de gases de escape. El accionamiento electrico del compresor presenta, por ejemplo, una absorcion de potencia inferior a 1 KW, por lo que se puede accionar con una red de 12 V instalada normalmente en un vetuculo. La combinacion de turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable y compresor de accionamiento electrico permite ademas que el compresor de accionamiento electrico solo se emplee brevemente para mejorar el tiempo de reaccion del motor de gasolina, por lo que no hacen falta medidas para el aumento de la potencia electrica de la red electrica del vetuculo.
Gracias a la combinacion de un turbocompresor de gases de escape con un compresor accionado mecanicamente por medio del ciguenal, prevista en un grupo de variantes de realizacion, se puede conseguir un campo caractenstico de compresores muy amplio. Asf se puede compensar una perdida de admision, provocada por el cierre prematuro de la valvula de admision, en amplios rangos de numeros de revoluciones y de carga del motor de gasolina. De este modo se puede lograr, a su vez, un aumento del grado de rendimiento neutral del motor de gasolina en un extenso rango de carga del motor de gasolina.
De acuerdo con una variante de realizacion perfeccionada de la invencion una valvula de derivacion del turbocompresor de gases de escape se puede regular en dependencia de una carga del motor de gasolina. La valvula de derivacion conduce una parte regulada de los gases de escape del motor de gasolina pasando al lado de una turbina del turbocompresor de gases de escape. Una valvula de derivacion de este tipo tambien se denomina como Waste-Gate o valvula de bypass. Con ayuda de la valvula de derivacion se puede proporcionar un amplio campo caractenstico de compresores en el rango de plena carga, especialmente en caso de un regimen de revoluciones elevado, por lo que una compensacion de las perdidas de admision se puede regular adecuadamente.
Conforme a otra variante de realizacion perfeccionada especialmente ventajosa, el motor de gasolina comprende una recirculacion de gases de escape, enfriandose los gases de escape conducidos por el sistema de recirculacion de gases de escape. La recirculacion de gases de escape puede comprender, por ejemplo, una asf llamada recirculacion de gases de escape de alta presion y/o una asf llamada recirculacion de gases de escape de baja presion. La recirculacion de gases de escape de alta presion acopla un conducto de gases de escape entre las valvulas de salida del motor de gasolina y la turbina del turbocompresor de gases de escape a un conducto de aportacion de aire de combustion entre el compresor y las valvulas de admision. La recirculacion de gases de escape de baja presion acopla un conducto de gases de escape detras de la turbina del turbocompresor de gases de escape a un conducto de aportacion de aire de combustion delante del compresor. A causa de la refrigeracion de la recirculacion de gases de escape se puede enfriar el aire de combustion aportado al motor de gasolina, con lo que se reduce la temperatura del proceso. La recirculacion de gases de escape se puede llevar a cabo, por ejemplo, mediante el refrigerante del motor, utilizando, por ejemplo, un colector de gases de escape integrado. La refrigeracion de gases de escape para los gases de escape recirculados puede ser especialmente la misma que actua sobre los gases de escape aportados a la turbina del turbocompresor de gases de escape.
La ventaja del grado de rendimiento se produce principalmente por el hecho de incrementar la potencia del motor. Los conceptos actuales del motor de gasolina tienen que prever una reduccion de la temperatura de proceso en el cilindro mediante la aportacion adicional de carburante para proteger el componente por el que pasan los gases de escape contra una excesiva carga termica. Esta medida suele dar lugar a un elevado consumo adicional de carburante. Gracias al empleo del colector de gases de escape integrado esta medida se puede reducir claramente, pudiendose incrementar el grado de rendimiento del motor en algunos puntos porcentuales y, por lo tanto, la potencia del motor. En comparacion con el empleo de sistemas de recirculacion de gases de escape tradicionales, la temperatura de los gases de escape se puede reducir considerablemente por medio del colector de gases de escape integrado.
Por otra parte, la valvula de admision se puede cerrar en una gama del angulo de ciguenal del motor de gasolina de 35° a 90° antes del punto muerto inferior entre el ciclo de admision y el ciclo de compresion. La valvula de admision se puede cerrar especialmente en una gama del angulo del ciguenal del motor de gasolina de 50° a 70° antes del punto muerto inferior. El cierre de la valvula de admision se refiere a un milfmetro de carrera de la valvula, es decir,
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la valvula de admision se cierra en la gama de angulos del ciguenal antes indicada hasta que la carrera de valvula restante sea menor de un miKmetro o igual a un mi^metro. Mediante el cierre prematura de la valvula de admision el aire de combustion aportado hasta entonces se expande en el transcurso posterior del ciclo de admision, con lo que el aire de combustion se enfna. De este modo se reduce el trabajo de compresion en el ciclo de compresion posterior asf como la temperatura de proceso, lo que permite reducir una tendencia al golpeteo del motor de gasolina y las perdidas de calor de pared. Al mismo tiempo se dispone de la plena relacion de expansion para el ciclo de trabajo.
Conforme a otra variante de realizacion el motor de gasolina comprende un sistema de control de valvula variable. Un angulo, con el que se cierra la valvula de admision, se ajusta en funcion de una carga del motor de gasolina con ayuda de un sistema de control de valvula variable. Mediante el ajuste del angulo de cierre de la valvula se puede regular el consumo de aire en dependencia de la carga, lo que permite una regulacion libre de la carga del motor y, por lo tanto, un incremento del grado de rendimiento neutral.
Ademas, o alternativamente, los gases de escape se enfnan entre una valvula de salida del motor de gasolina y el turbocompresor de gases de escape mediante la refrigeracion de un colector de gases de escape del motor de gasolina. Gracias a la refrigeracion de los gases de escape antes del turbocompresor de gases de escape es posible disenar el turbocompresor de gases de escape termicamente para temperaturas de gases de escape mas bajas, lo que permite una eleccion de materiales mas economicos, asf como una configuracion mas reducida de la rendija.
De acuerdo con la presente invencion se proporciona ademas un grupo propulsor con un motor de gasolina. El grupo propulsor comprende un turbocompresor de gases de escape con una turbina que presenta una geometna de turbina variable y un sistema de control de valvula. El turbocompresor de gases de escape se ha concebido para la compresion de aire de combustion aportado a un cilindro del motor de gasolina a traves de una valvula de admision. El sistema de control de valvula se ha disenado de manera que la valvula de admision se cierre antes de que un piston llegue en el cilindro a un punto muerto inferior, especialmente entre un ciclo de admision y un ciclo de compresion. Por consiguiente, el motor de gasolina esta especialmente indicado para la realizacion del procedimiento antes descrito con una o varias de las caractensticas senaladas, por lo que tambien comprende las ventajas antes descritas. El motor de gasolina permite en especial un incremento del grado de rendimiento frente a los motores de gasolina tradicionales, no reduciendose la potencia del motor de gasolina a causa del incremento del grado de rendimiento.
Segun la invencion, el grupo propulsor presenta un refrigerador de gases de escape asignado a una parte del conducto de gases de escape para la refrigeracion de los gases de escape aportados a la turbina en la parte del conducto de gases de escape. En un grupo de variantes de realizacion, la parte del conducto de gases de escape consiste en un colector de gases de escape. Este se integra ventajosamente en parte o (de manera especialmente preferida) por completo en una culata del motor de gasolina.
En el caso del colector de gases de escape integrado el colector de gases de escape realizado normalmente por separado, se integra por completo en la culata, con lo que detras de la salida de la culata queda un unico tubo de union a la turbina. Para que la temperatura del componente no suba de forma inadmisible, el refrigerante fluye por el contorno del tubo que conduce gases de escape. Esta camisa de refrigerante tambien puede consistir en nucleos de rociado de varias piezas. En el caso del refrigerante se puede tratar especialmente de agua.
Los grupos propulsores segun la invencion pueden presentar un motor de gasolina con una relacion de compresion geometrica del orden de 1 : 10 a 1: 20, preferiblemente de 1 : 12 a 1 : 15, especialmente de 1 : 13. Estas relaciones de compresion tan grandes son posibles dado que con el cierre prematuro de la valvula de admision se regula un consumo de aire de < 1, con lo que se reduce la tendencia al golpeteo del motor de gasolina. El consumo de aire se ajusta, por ejemplo, en una gama de 0,5 a 0,9, preferiblemente en una gama de 0,6 a 0,8.
Conforme a la presente invencion se propone finalmente un vetuculo terrestre sin rafles con uno de los grupos propulsores con motor de gasolina descritos. Gracias al grado de rendimiento perfeccionado del motor de gasolina, se pueden reducir el consumo y las emisiones del vetuculo, en especial las emisiones de CO2. Dado que el incremento del grado de rendimiento se puede llevar a cabo de forma neutral, como ya se ha dicho antes, no se produce ningun tipo de perdida de potencia para el usuario del vetuculo.
A continuacion se describen detalladamente algunas variantes de realizacion preferidas de la presente invencion con referencia a los dibujos.
Figura 1 muestra una representacion esquematica de un grupo propulsor con motor de gasolina segun una variante de realizacion de la presente invencion.
Figura 2 muestra otra representacion esquematica de un grupo propulsor con motor de gasolina segun otra variante de realizacion de la presente invencion.
Figura 3 muestra esquematicamente un vetuculo segun la invencion con una variante de realizacion de la invencion.
En los motores de gasolina tradicionales el grado de rendimiento termodinamico queda limitado debido a la estrangulacion necesaria en el control de carga cuantitativo asf como a la relacion de compresion reducida para evitar golpeteos del motor. Un planteamiento para la desestrangulacion y el posible aumento de la relacion de compresion geometrica representa el asf llamado procedimiento de Miller o Atkinson. A traves de un cierre
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prematuro o tardfo de la valvula de admision (cierre prematura admision, FES; cierre tardfo admision, SES) se reduce el consumo de aire y la compresion efectiva. El motor se desestrangula, la temperatura final de compresion y, por lo tanto, la tendencia al golpeteo se reduce y la compresion geometrica se incrementa. El consumo de aire que indica la relacion entre la cantidad de aire real y la maxima cantidad de aire teorica despues del ciclo de admision, se puede reducir con el procedimiento de Miller de, por ejemplo, 0,95 a 0,5 - 0,9. Sin embargo, debido al menor consumo de aire se puede producir una perdida de potencia. Para evitar esta perdida de potencia y conseguir, a pesar de ello, el incremento del grado de rendimiento por medio del procedimiento de Miller, se propone, segun una variante de realizacion de la presente invencion, un motor de gasolina con un procedimiento de Miller de alta compresion y un turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable. A fin de lograr el procedimiento de Miller de alta compresion, la valvula de admision se cierra antes de que el piston llegue en un cilindro correspondiente al punto muerto inferior. La valvula de admision se puede cerrar, por ejemplo, en una gama de angulos del ciguenal de 90° a 35° antes de llegar al punto muerto inferior. La valvula de admision se puede cerrar preferiblemente en una gama del angulo de ciguenal de 70 a 50° antes de llegar al punto muerto inferior.
La figura 1 muestra una variante de realizacion de un grupo propulsor con motor de gasolina 1. El motor de gasolina 1 comprende un bloque de cilindros 2 con cuatro cilindros 3 indicados esquematicamente. Por el lado de admision 4 se aporta al motor de gasolina 1 aire de combustion a traves de valvulas de admision no representadas en la figura . Las valvulas de admision pueden comprender un accionamiento de valvula variable de modo que un angulo de ciguenal, con el que se cierra la valvula de admision, se pueda regular de forma variable. El aire de combustion aportado al lado de admision 4 comprende aire fresco 5 asf como gases de escape de combustion 6, que a traves de los sistemas de recirculacion de gases de escape 7 y 8 se mezclan con el aire fresco 5. El aire fresco 5 se mezcla con los gases de escape 6 por medio de una recirculacion de gases de escape de baja presion 8 con una valvula de recirculacion de gases de escape de baja presion regulable 9. Los gases de escape conducidos por la recirculacion de gases de escape de baja presion 7 se enfnan adicionalmente con un refrigerador 18. Esta mezcla se comprime con un compresor de accionamiento electrico, un asf llamado e-booster. El e-booster comprende un compresor 10 accionado por un motor electrico 11. A traves de un sistema de control (no representado) del motor electrico 11, se puede regular de manera variable la compresion provocada por el compresor 10.
El aire comprimido por el compresor 10 se aporta a un turbocompresor de gases de escape 12 que en esta variante de realizacion tiene una geometna de turbina variable. El turbocompresor de gases de escape 12 comprende una turbina 13 accionada por los gases de escape del motor de gasolina 1 y un compresor 14, que estan unidos entre sf a traves de un arbol 15 comun. Al aire de combustion comprimido por los compresores 10 y 14 se pueden aportar mas gases de escape a traves del sistema de recirculacion de gases de escape de alta presion 7, desde el lado de gases de escape 16 del motor de gasolina 1. Para ajustar la recirculacion de gases de escape a traves del sistema de recirculacion de gases de escape de alta presion 7, el sistema de recirculacion de gases de escape de alta presion 7 comprende una valvula de recirculacion de gases de escape de alta presion 17. El aire de compresion comprimido y mezclado con los gases de escape se aporta al lado de admision 4 a traves de un refrigerador de aire de admision 19. Por el lado de gases de escape 16, los gases de escape de los cuatro cilindro 3 se recogen en un colector de gases de escape 20 y se aportan al sistema de recirculacion de gases de escape de alta presion 7, asf como a la turbina 13 con geometna variable. Para la refrigeracion de los gases de escape el colector de gases de escape 20 puede estar dotado de un refrigerador de gases de escape 21 refrigerado, por ejemplo, con agua de refrigeracion.
El turbocompresor de gases de escape 12 comprende ademas una valvula de derivacion opcional 22, a traves de la cual una parte regulable de los gases de escape del motor de gasolina 1 se conduce, pasando al lado de la turbina 13 del turbocompresor de gases de escape 12. Mas abajo de la turbina 13, el motor de gasolina 1 comprende un sistema de depuracion de gases de escape 23, por ejemplo un catalizador de tres vfas. El motor de gasolina 1 comprende ademas un sistema de inyeccion de gasolina, preferiblemente un sistema de inyeccion directa de gasolina, que inyecta el carburante directamente en el cilindro 3.
Sobre la base del motor de gasolina 1 cargado por ejemplo por inyeccion directa de gasolina, se ajustan las variables de accionamiento de valvula en cuanto a fase, amplitud de control y desconexion de cilindro para la regulacion sin estrangulacion de la carga del motor por medio del grado de suministro. El bloque de cilindros 2 del motor de gasolina 1 presenta al mismo tiempo una mayor relacion de compresion geometrica, por ejemplo del orden de 12 - 14, aproximadamente. Para la reduccion del consiguiente aumento de la tendencia al golpeteo durante el funcionamiento a carga parcial o a plena carga, se regula el consumo de aire por medio de un cierre prematuro de admision (FES) a <1, por ejemplo en una gama de 0,5 - 0,9 o preferiblemente de 0,6 - 0,8. En estado de funcionamiento controlado con presion de carga, se recirculan ademas gases de escape refrigerados y convertidos a traves del sistema de recirculacion de gases de escape de baja presion 8 para aumentar la capacidad termica espedfica de los gases de escape. Como se ha mostrado en la figura 1, por medio de la recirculacion de gases de escape de baja presion 8 los gases de escape se extraen, filtran y enfnan detras del catalizador 23 y se reconducen despues delante de los compresores 10 y 14. La consiguiente perdida de admision se compensa a traves de una subida de la presion del tubo de aspiracion por medio de los compresores 10 y 14. En principio, parte de la compresion de los gases de escape no se lleva a cabo en el cilindro, sino por medio de los compresores 10 y 14. Con ayuda del refrigerador de aire de admision 19, debidamente dimensionado, los gases de escape comprimidos se reconducen antes de la compresion restante en el cilindro 3. Debido al FES se produce en el cilindro 3 un enfriamiento adicional del gas de trabajo por expansion en el ciclo de admision o aspiracion. Esto da lugar a un
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menor trabajo de compresion, as^ como a una menor temperatura de proceso, lo que reduce la tendencia al golpeteo y a perdidas de calor de pared en el bloque de cilindros 2. Al mismo tiempo se dispone en el ciclo de trabajo de la relacion de expansion completa de la relacion de compresion geometrica. El mayor consumo de potencia frigonfica para el enfriamiento del aire de admision y para la refrigeracion de los gases de escape recirculados se compensa en su mayor parte por medio de una aportacion reducida de calor al refrigerante del motor.
Para la carga del motor de gasolina 1 se emplea un turbocompresor de gases de escape 12 con geometna de turbina variable en combinacion con un e-booster 10, 11. Al contrario que en un turbocompresor de gases de escape tradicional con una valvula de derivacion 22, ya se puede generar mediante la geometna de turbina variable de la turbina 13 y el consiguiente campo caractenstico de turbina variable una presion de admision suficiente a cargas medidas para compensar las perdidas de admision antes mencionadas y debidas al procedimiento. Todo el caudal de los gases de escape se puede conducir ademas a traves de la turbina, con lo que se obtiene un aumento del rendimiento de la turbina en el rango de plena carga. El resultado es, especialmente en rangos de funcionamiento relevantes en lo que se refiere a los ciclos, un aumento considerable del grado de rendimiento termodinamico total. Gracias a la reduccion de la temperatura de proceso y a la refrigeracion ventajosa y preferida 21 del colector de gases de escape 20, el turbocompresor de gases de escape 12 se puede disenar termicamente para temperaturas de gases de escape bajas para los procedimientos de combustion de motores de gasolina, por ejemplo de 850°, como maximo. Como consecuencia, existe la posibilidad de una eleccion de materiales, asf como de un diseno de la rendija mas economicos en comparacion con los conceptos de turbocompresor de gases de escape del turbocompresor con geometna de turbina variable para el motor de gasolina, lo que puede reducir el coste del turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable. Gracias a la eleccion de materiales, se puede reducir el coste del turbocompresor de gases de escape y gracias al diseno reducido de la rendija se pueden conseguir grados de rendimiento de turbina mayores en comparacion con los turbocompresores de gases de escape tradicionales para motores de gasolina.
En resumen, el proceso de trabajo antes descrito se consigue como consecuencia de la reduccion de la temperatura de proceso debida a la compresion previa refrigerada, de la expansion interna con cierre prematuro de admision (FES), de la recirculacion refrigerada de los gases de escape, de la mayor relacion de compresion geometrica y de la consiguiente prolongacion de la expansion a una temperatura de gases de escape reducida al abrir la valvula de salida. La combinacion del procedimiento de trabajo descrito (procedimiento de Miller de alta compresion) y del turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable es, por lo tanto, decisiva para un incremento neutral del grado de rendimiento por medio del procedimiento de Miller de alta compresion y para temperaturas de gases de escape lo suficientemente bajas que permitan un esfuerzo economica y tecnologicamente aceptable para el empleo de un turbocompresor de gases de escape con geometna de turbina variable.
La figura 2 muestra otra variante de realizacion de un motor de gasolina 1 adecuada, por ejemplo, para una potencia unitaria mayor. El grupo propulsor con el motor de gasolina 1 de la figura 2 puede presentar, en lugar del turbocompresor 12 con geometna de turbina variable, un turbocompresor de gases de escape 212 con geometna de turbina fija. Es decir, el turbocompresor de gases de escape 212 comprende una turbina 213 con geometna de turbina fija. El turbocompresor de gases de escape 212 comprende adicionalmente una valvula de derivacion 222 denominada tambien valvula de bypass o Waste-Gate. Alternativamente el grupo propulsor puede presentar un turbocompresor de gases de escape 212, acoplado a traves de un arbol 215 a un compresor 214, con geometna de turbina variable. Al contrario que en la variante de realizacion representada en la figura 1, el motor de gasolina 1 de la figura 2 presenta, en lugar de un e-booster 10, 11, un compresor 210 de accionamiento mecanico acoplado a traves de un accionamiento 211 a un ciguenal del motor de gasolina 1 y accionado a traves del ciguenal. Un concepto de este tipo formado por compresor 210 de accionamiento mecanico y turbocompresor de gases de escape 212 se denomina tambien como concepto Twin-Charger. Los restantes componentes del motor de gasolina 1 de la figura 2 corresponden a los componentes del motor de gasolina 1 de la figura 1. Una valvula de admision del motor de gasolina 1 se cierra antes de que el piston correspondiente llegue al punto muerto inferior. El motor de gasolina 1 de la figura 2 funciona por lo tanto tambien de acuerdo con el procedimiento de Miller.
La reduccion de la temperatura de gases de escape descrita en relacion con la figura 1, con reduccion del consumo de aire en comparacion con los motores de gasolina tradicionales, resulta en una entalpfa de gases de escape reducida de la que el turbocompresor de gases de escape dispone para estados de funcionamiento transitorios, por ejemplo una demanda de carga espontanea. Esto conduce a mermas del grado de rendimiento en el funcionamiento transitorio del motor. Para mejorar el aumento del tiempo de reaccion del motor de gasolina, que se produce debido a la reduccion del consumo de aire, se integra en el sistema de carga un precompresor, especialmente el e-booster 10, 11 representado en la figura 1 o el compresor 210 de accionamiento mecanico representado en la figura 2. El precompresor se posiciona detras del filtro de aire en el tramo de aspiracion delante del compresor principal 14 o 214. Generando relaciones de presion inferiores a 1,5 hPa se acelera el turbocompresor de gases de escape 12 o 212 con lo que consigue los tiempos de reaccion deseados. En caso de motores mas pequenos basta con una potencia de propulsion del e-booster 10, 11 del orden de menos de 1000 vatios, es decir, la maquina electrica 11 puede funcionar, al menos por breve tiempo, con energfa electrica de la red de a bordo de 12 voltios existente. En caso de motores mas grandes la potencia electrica de la red de a bordo de 12 voltios no suele ser suficiente. En estos casos resulta ventajoso usar el precompresor 210 de accionamiento mecanico accionado mecanicamente por el ciguenal del motor de gasolina 1.
La figura 3 muestra finalmente un vehnculo 300 segun una variante de realizacion de la presente invencion que comprende el grupo propulsor con el motor de gasolina 1 antes descrito.

Claims (15)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para el funcionamiento de un grupo propulsor con un motor de gasolina (1) que comprende:
    - la compresion del aire de combustion aportado a un cilindro (3) del motor de gasolina (1) por una valvula de admision con un turbocompresor de gases de escape (12) y
    - el cierre de la valvula de admision antes de que el piston llegue en el cilindro (3) a un punto muerto inferior, caracterizado por
    - el empleo de un turbocompresor de gases de escape (12) con una turbina (13) que presenta una geometna de turbina variable y
    la refrigeracion de los gases de escape aportados a la turbina (13) en una parte del conducto de gases de escape por medio de un refrigerador de gases de escape (21).
  2. 2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, caracterizado por que los gases de escape se enfnan en un colector de gases de escape (20).
  3. 3. Procedimiento segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que para la refrigeracion de los gases de escape se emplea un colector de gases de escape (20) que se integra en una culata del motor de gasolina (1).
  4. 4. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por la regulacion de la geometna de turbina variable del turbocompresor de gases de escape (12) en funcion de una carga del motor de gasolina (1).
  5. 5. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el aire de combustion (5) aportado al cilindro se comprime adicionalmente con un compresor (10) de accionamiento electrico.
  6. 6. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la valvula de admision se cierra en una gama de angulo de ciguenal de 35 a 90° del motor de gasolina (1) antes del punto muerto inferior.
  7. 7. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el motor de gasolina (1) comprende un sistema de control de valvula variable, regulandose el angulo con el que se cierra la valvula de admision en funcion de una carga del motor de gasolina (1).
  8. 8. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el carburante se inyecta directamente en el cilindro (3).
  9. 9. Procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el aire de combustion aportado se comprime en el cilindro (3) del motor de gasolina (1) con una relacion de compresion geometrica mayor que 1 : 10 y menor que 1:20.
  10. 10. Grupo propulsor, especialmente para la realizacion del procedimiento segun cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende:
    - un motor de gasolina,
    - un turbocompresor de gases de escape (12) para la compresion de un aire de combustion aportado a un cilindro (3) del motor de gasolina (1) por una valvula de admision y
    - un sistema de control de valvula disenado para cerrar la valvula de admision antes de que un piston llegue en el cilindro (3) a un punto muerto inferior,
    caracterizado por
    - un turbocompresor de gases de escape con una turbina (13) que presenta una geometna de turbina variable y
    - un refrigerador de gases de escape (21) asignado a una parte del conducto de gases de escape para la refrigeracion de los gases de escape aportados a la turbina (13) a traves de la parte del conducto de gases de escape.
  11. 11. Grupo propulsor segun la reivindicacion 10, caracterizado por que la parte del conducto de gases de escape consiste en un colector de gases de escape (20).
  12. 12. Grupo propulsor segun la reivindicacion 11, caracterizado por que el colector de gases de escape (20) se integra en una culata del motor de gasolina (1).
  13. 13. Grupo propulsor segun una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado por que el motor de gasolina (1) presenta una relacion de compresion geometrica mayor que 1 : 10 y menor que 1 : 20.
  14. 14. Grupo propulsor segun la reivindicacion 13, caracterizado por que el motor de gasolina (1) presenta una relacion de compresion geometrica mayor que 1 : 12 y menor que 1 : 15.
  15. 15. Vehuculo (300) con un grupo propulsor segun una de las reivindicaciones 10 a 14.
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