Diseño de un circuito de control para inyectores...
6
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO Diseño de un circuito de control para inyectores diésel solenoide operados bajo estrategias de inyección múltiple M. Bustos_Britos, Sergio Borrego, Oscar A. de la Garza, M. A. Platas_Garza, S. Martínez-Martínez Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), Laboratory for Research and Innovation in Energy Technology (LIITE), Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria, San Nicólas de los Garza, Nuevo León, C.P. 66455, México. *Autor contacto: [email protected] R E S U M E N El control preciso de las diferentes variables que intervienen en un evento de inyección múltiple es crítico para el estudio del proceso de mezcla, el cual es uno de los principales factores que contribuye a la eficiencia de la combustión y reducción de emisiones contaminantes en un motor Diesel. El presente trabajo se centra en el desarrollo de un circuito de accionamiento para inyectores diésel tipo solenoide, para el control de las estrategias de inyección múltiple. Para esto se construyó un modelo de simulación del circuito de accionamiento, así como del inyector diésel solenoide. Finalmente, a través de la simulación del modelo y la aplicación práctica del circuito, se realizó una comparación la cual muestra que el modelo de simulación es confiable teniendo una diferencia del 4% en comparación al de la aplicación práctica del circuito, además de cumplir con las demandas de operación, comúnmente utilizadas en modelos físicos como lo son las maquetas de visualización a volumen constante. Palabras: Inyector diésel solenoide, estrategias de inyección piloto, simulación. A B S T R A C T Accurate control of the different variables involved in a multiple injection event is critical for the study of the mixing process, which is one of the main factors that lead to a combustion efficiency and reduction of pollutant emissions in a diesel engine. The present work focuses on the development of a drive circuit for diesel solenoid injectors, for the control of multiple injection strategies. To do this, a simulation model of the drive circuit and the solenoid diesel injector was built. Finally, a comparison between the simulation model and the practical application of circuit was carried out, obtaining a difference of 4 %, therefore, the simulation model is reliable, additionally, it fulfilled with the operating demands, usually employed in physical models such as constant volume chamber. Keywords: solenoid diesel injector, multiple injection strategies, simulation. 1. Introducción El incremento del uso del motor Diesel ha generado un aumento en las emisiones contaminantes, para reducir este problema, se han desarrollado tecnologías específicas que logran minimizar la emisión de productos contaminantes en los gases de escape. Una de estas tecnologías se centra en el estudio del proceso de inyección, debido a la importancia que tienen las características, del chorro de combustible para el control de las emisiones, ya que actuar sobre el chorro implica actuar sobre el proceso de combustión. En donde el objetivo del sistema de inyección es proporcionar la cantidad de combustible correcto en el tiempo preciso para cada cilindro [1]. Con el uso de estrategias de inyección múltiple, el proceso de inyección se divide en dos o más partes, con el fin de ISSN 2448-5551 TF 56 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
Transcript of Diseño de un circuito de control para inyectores...
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
Diseño de un circuito de control para inyectores diésel solenoide operados bajo
estrategias de inyección múltiple
M. Bustos_Britos, Sergio Borrego, Oscar A. de la Garza, M. A. Platas_Garza, S. Martínez-Martínez
Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (FIME), Laboratory for Research and
Innovation in Energy Technology (LIITE), Av. Universidad s/n. Ciudad Universitaria, San Nicólas de los Garza, Nuevo
León, C.P. 66455, México.
*Autor contacto: [email protected]
R E S U M E N
El control preciso de las diferentes variables que intervienen en un evento de inyección múltiple es crítico para el estudio
del proceso de mezcla, el cual es uno de los principales factores que contribuye a la eficiencia de la combustión y
reducción de emisiones contaminantes en un motor Diesel. El presente trabajo se centra en el desarrollo de un circuito de
accionamiento para inyectores diésel tipo solenoide, para el control de las estrategias de inyección múltiple. Para esto se
construyó un modelo de simulación del circuito de accionamiento, así como del inyector diésel solenoide. Finalmente, a
través de la simulación del modelo y la aplicación práctica del circuito, se realizó una comparación la cual muestra que el
modelo de simulación es confiable teniendo una diferencia del 4% en comparación al de la aplicación práctica del circuito,
además de cumplir con las demandas de operación, comúnmente utilizadas en modelos físicos como lo son las maquetas
de visualización a volumen constante.
Palabras: Inyector diésel solenoide, estrategias de inyección piloto, simulación.
A B S T R A C T
Accurate control of the different variables involved in a multiple injection event is critical for the study of the mixing
process, which is one of the main factors that lead to a combustion efficiency and reduction of pollutant emissions in a
diesel engine. The present work focuses on the development of a drive circuit for diesel solenoid injectors, for the control
of multiple injection strategies. To do this, a simulation model of the drive circuit and the solenoid diesel injector was
built. Finally, a comparison between the simulation model and the practical application of circuit was carried out,
obtaining a difference of 4 %, therefore, the simulation model is reliable, additionally, it fulfilled with the operating
demands, usually employed in physical models such as constant volume chamber.
Keywords: solenoid diesel injector, multiple injection strategies, simulation.
1. Introducción
El incremento del uso del motor Diesel ha generado un
aumento en las emisiones contaminantes, para reducir este
problema, se han desarrollado tecnologías específicas que
logran minimizar la emisión de productos contaminantes
en los gases de escape. Una de estas tecnologías se centra
en el estudio del proceso de inyección, debido a la
importancia que tienen las características, del chorro de
combustible para el control de las emisiones, ya que actuar
sobre el chorro implica actuar sobre el proceso de
combustión. En donde el objetivo del sistema de inyección
es proporcionar la cantidad de combustible correcto en el
tiempo preciso para cada cilindro [1].
Con el uso de estrategias de inyección múltiple, el proceso
de inyección se divide en dos o más partes, con el fin de
ISSN 2448-5551 TF 56 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
reducir la cantidad de combustible introducido en el tiempo
de retraso, por lo que se reduce las emisiones de NOx en
comparación con una inyección simple.
En la Fig.1, se distinguen tres configuraciones de
estrategias de inyección múltiple: a) Estrategia de
inyección piloto: consiste en partir la inyección en dos
eventos, en el primero se introduce una pequeña masa en el
interior del cilindro y en el segundo evento se introduce la
cantidad principal de combustible.
b) Estrategia de post inyección: consiste en partir la
inyección en dos eventos, en el primero se introduce la
mayor parte de la masa de combustible y en el segundo
evento se introduce una masa menor.
c) Estrategia de inyección partida: en donde la masa de
combustible inyectada en un evento de inyección normal se
divide en dos o tres eventos de inyección, que no pueden
ser considerados como inyecciones piloto o post.
El tiempo entre cada dos pulsos consecutivos, recibe el
nombre de dwell time, es decir, el tiempo entre el final de
una inyección y el inicio de la consecutiva [2].
Diversos autores han estudiado el efecto de las estrategias
de inyección, principalmente en un plano tecnológico y
como estas contribuyen en la disminución de emisiones
contaminantes, como lo mostrado por, Su Han Park et. al.
[3] quienes muestran que las emisiones de hollín, HC y
CO, al momento de aplicar la estrategia de inyección piloto
al motor diésel, disminuyen significativamente, en
comparación con el uso de inyección simple. Ricaud et al.
[4] investigaron una estrategia de inyección piloto
denominada pre-inyección. En comparación con una
estrategia piloto convencional, la pre-inyección implica un
pulso de inyección (antes de la inyección principal) de
duración corta y con un dwell time muy pequeño. Esta
estrategia proporciona un ligero incremento en el nivel de
ruido comparado con una estrategia de inyección piloto
convencional pero con una clara mejora en lo que respecta
a emisiones y consumo de combustible. Busch S et. al. [5]
para su estudio utilizó una estrategia de inyección dividida,
con la cual concluyen que con un esquema adecuado de
esta estrategia de inyección se puede favorecer a la
reducción del ruido de combustión, las emisiones
contaminantes y el consumo de combustible. Además las
emisiones de partículas pueden reducirse sustancialmente
sin un gran aumento de las emisiones de NOx [6,7]. Koci
et al. [8] mediante un estudio experimental y numérico
utilizando inyecciones múltiples, observó que
determinando un dwell time óptimo para una estrategia de
inyección dividida se minimizan las emisiones de material
particulado y CO a niveles inferiores a los de las
condiciones de operación optimas de una estrategia de
inyección simple. Benajes et al. [9], estudiaron los efectos
de la post inyección en motores diésel de carga pesada,
concluyendo que la post-inyección es una buena estrategia
para reducir hollín manteniendo los niveles de NOx con
pequeños incrementos en el consumo de combustible.
Dada la importancia del estudio las características del
chorro de combustible y el uso de estrategias de inyección
múltiple, el presente trabajo se centra en el desarrollo de un
circuito de accionamiento para inyectores diésel solenoide,
éste cumple con los requerimientos necesarios para
controlar las estrategias de inyección múltiple y ser
implementado en una maqueta de visualización a volumen
constante [12,13].
Figure 1 – Estrategias de inyección múltiple (a) Estrategia de
inyección piloto; (b) Estrategia de post inyección; (c) Estrategia de
inyección partida
2. Metodología
2.1. Inyector diésel solenoide
Los inyectores se abren y se cierran controlados por la
ECU en instantes definidos. La cantidad de combustible
inyectado está determinado por el tiempo de energización,
presión de inyección y coeficiente de descarga.
En la Fig.2, se muestra un esquema del funcionamiento de
un inyector diésel tipo solenoide en cinco etapas:
0: El inyector está cerrado.
1: La corriente incrementa al pico (inicio de la
inyección).
2: El vástago comienza a levantarse.
3: El vástago se levanta cuando la válvula alcanza la
posición superior en este momento la aguja del inyector
se abre completamente y el combustible proveniente del
common-rail a alta presión entra al inyector para
ISSN 2448-5551 TF 57 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
posteriormente inyectar el combustible en el interior de
la cámara de combustión.
4: La armadura se mueve hacia abajo. Si la válvula
solenoide no está energizada, la armadura se mueve
hacia abajo, cerrándose el orificio de drenaje de
combustible, por consiguiente el proceso de inyección
se detiene.
Figure 2 –Etapas del proceso de inyección de un inyector diésel
solenoide.
2.2. Circuito de accionamiento para inyector diésel tipo
solenoide.
El circuito de accionamiento de un inyector diésel
solenoide requiere generar alto voltaje y corriente, con el
cual se logra la apertura del inyector diésel solenoide
(Pulso de apertura). Después de esto la corriente se reduce
al mínimo para mantener abierto el inyector (Pulso de
mantenida) y también evitar que éste se sobrecaliente hasta
que el evento de inyección termine. En la Fig. 3, se puede
observar la etapa de apertura y mantenida, esto mediante la
respuesta en corriente del inyector diésel solenoide.
Figure 3 – Esquema representativo de la etapa de apertura y
mantenida, esto mediante la respuesta en corriente de un inyector
diésel solenoide.
Debido a las características mencionadas anteriormente,
para el correcto funcionamiento de un inyector diésel
solenoide se adopta un circuito de activación PWM (por su
siglas en inglés, pulse width modulation) [14], el cual se
observa en la Fig. 4. Éste cuenta con un módulo de alta
tensión y en donde el pulso de apertura, pulso de
mantenida y el tiempo de inyección, son señales de control
del circuito de accionamiento para el inyector diésel
solenoide.
Figure 4 – Modulo de accionamiento para inyector diésel solenoide.
Las señales de control se muestran en la Fig. 5, donde se
observa el pulso de apertura de alto voltaje el cual provoca
que la corriente en el inyector diésel solenoide aumente y
este se abra rápidamente. Después, el pulso de mantenida
el cual es una señal PWM mantiene el inyector diésel
solenoide abierto con una corriente menor, esto durante el
tiempo que requiera que dure el evento de inyección [15],
por último se puede observar la respuesta en corriente del
inyector diésel solenoide.
Figure 5 – Señales de control utilizadas en módulo de accionamiento
de inyector diésel solenoide y respuesta de éste en corriente.
ISSN 2448-5551 TF 58 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
2.3. Diseño y simulación de circuito de conducción para
inyectores diésel solenoide.
De acuerdo a los parámetros de un inyector diésel
solenoide, éste puede ser simplificado a un modelo físico
RL (circuito eléctrico que contiene una resistencia y una
bobina eléctrica en serie) [16], para el presente estudio la
inductancia medida fue de 285 μH y su resistencia de 0.477
Ω, estos parámetros fueron medidos mediante los equipos
Agilent 654 y BK PRECISION 875B, respectivamente, y
un voltaje de conducción para el accionamiento de 24 V. El
modelo del circuito de conducción se puede observar en la
Fig. 6, los pulsos V1, V2 y V3 son introducidos a la
simulación del circuito de control para el inyector diésel
solenoide. Donde el valor del pulso de apertura es de 176
μs, mientras que el pulso de mantenida el cual es una señal
PWM, tiene un ancho de pulso de 100 μs y un periodo de
110 μs, con lo cual la corriente se reduce al mínimo
necesario para que el inyector se mantenga abierto durante
el evento de inyección y también evitar su
sobrecalentamiento. La Fig. 7, muestra el resultado de la
simulación del circuito de control, esto mediante la
respuesta del inyector en corriente, la cual alcanza un
máximo de 20 A y una corriente de mantenida de 10 A, lo
que satisface por completo la demanda de trabajo del
inyector diésel solenoide [17].
Figure 6 – Modelo de circuito de accionamiento para inyectores diésel
solenoide.
Figure 7 – Resultado de simulación del circuito de conducción y
representación del inyector diésel solenoide, esto mediante la
respuesta en corriente.
3. Resultados y discusiones
Para validar la precisión y adaptabilidad del modelo del
circuito de accionamiento para inyectores diésel solenoide,
éste se reprodujo en PCB (por su siglas en inglés, Printed
Circuit Board) y se probó en un inyector diésel solenoide,
del cual fueron tomados los datos utilizados en la
simulación. Se dispuso de un osciloscopio de la marca
KEYSIGHT y una pinza amperimétrica i310s de la marca
FLUKE, con la cual se obtuvo la respuesta en corriente del
inyector diésel tipo solenoide.
Figure 8 – Perfil de corriente de inyectores diésel solenoide y su
corriente de apertura.
Inyector diésel
solenoide
ISSN 2448-5551 TF 59 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
En la prueba, la tensión utilizada en el circuito de
accionamiento fue de 24 V. En la Fig. 8, se puede observar
el perfil de corriente del inyector diésel solenoide, al igual
que el tiempo que le toma llegar a la corriente de apertura
la cual es de 20 A y un tiempo de 182 μs. En la Fig 9, se
observa la corriente de mantenida, cuyo valor aproximado
es de 10 A, esto durante el tiempo que resta del evento de
inyección [17].
Figure 9 – Perfil de corriente de inyectores diésel solenoide y su
corriente de mantenida.
Las corrientes medidas en la etapa de apertura y mantenida,
son muy cercanas a los resultados obtenidos de la
simulación, lo que indica que el circuito de conducción
trabaja de manera adecuada.
Una vez comprobado, el correcto funcionamiento del
circuito de conducción y comprobar que se cumplen las
condiciones necesarias para la operación de éste, se
procedió a probar el circuito de accionamiento bajo la
condición de una estrategia de inyección piloto.
En la Fig. 10 y Fig. 11, se puede observar la respuesta en
corriente del inyector diésel solenoide, para una estrategia
de inyección piloto, en la cual se tiene un tiempo de
energización de 400 μs para la inyección piloto y 1500 μs
para la inyección principal, esto con un Dwell time de 1000
y 200 μs, respectivamente. Esto permite comprobar que el
circuito de accionamiento, tiene la capacidad de operar el
inyector diésel solenoide y modificar diferentes parámetros
involucrados en una estrategia de inyección piloto.
Figure 10– Perfil de corriente de inyectores diésel solenoide, bajo una
estrategia de inyección piloto y un dwell time de 1000 μs.
Figure 11– Perfil de corriente de inyectores diésel solenoide, bajo una
estrategia de inyección piloto y un dwell time de 200 μs.
4. Conclusión
El circuito de accionamiento para inyectores diésel
solenoide desarrollado a partir de la simulación, cumple
con los requisitos necesarios para operar de manera
eficiente un inyector diésel solenoide, para satisfacer las
necesidades de la inyección diésel common-rail de alta
presión. El método del diseño de simulación del circuito y
la representación del inyector diésel solenoide, en un
modelo físico RL, es un método confiable y eficiente, lo
cual permite caracterizar diferentes inyectores y con esto
operar cada uno de una manera adecuada.
La estrategia de inyección piloto, aumenta
significativamente el número de variables (i.e. duración de
ISSN 2448-5551 TF 60 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
MEMORIAS DEL XXIV CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 19 al 21 DE SEPTIEMBRE DE 2018 CAMPECHE, CAMPECHE, MÉXICO
la inyección piloto, duración del dwell time y duración de
la inyección principal) a manipular en un evento de
inyección, las cuales pueden ser controladas de manera
eficiente con el uso del circuito de conducción para
inyectores diésel solenoide.
La tensión utilizada en el circuito de accionamiento para
inyectores diésel solenoide, fue de 24 V, mientras que para
reducir el tiempo en que se alcance la corriente de apertura,
la tensión utilizada será de 80 V. Una vez que ya se ha
comprobado que el método de la simulación funciona
correctamente, se asegura el adecuado funcionamiento del
circuito de control desarrollado para el accionamiento de
un inyector diésel solenoide.
Los resultados obtenidos mediante la simulación del
circuito de accionamiento para inyectores diésel solenoide
son consistentes, con lo obtenido experimentalmente. Por
consiguiente, el circuito de control desarrollado será de
gran utilidad para las personas que deseen estudiar el
proceso de inyección bajo una estrategia de inyección
múltiple, y que no disponen de un equipo especializado
para aplicar dicha estrategia.
En un trabajo futuro el circuito de conducción para
inyectores diésel solenoide, será implementado en una
maqueta de visualización a volumen constante, con el fin
de evaluar los fenómenos físicos a los que se somete el
chorro diésel líquido, bajo una estrategia de inyección
piloto.
Agradecimientos
Los autores agradecen al Concejo Nacional de Ciencia y
Tecnología (CONACYT) del Gobierno de México por
apoyar los estudios de Maestría en Ciencias de Sergio
Borrego Álvarez (Número de beca: 612617), Mayra
Lizbeth Bustos Brito (Número de beca: 620622) y por
apoyar esta investigación (proyecto: CB-239943).
REFERENCIAS
[1] Payri, F., & Desantes, J. M. (2011). Motores de combustión interna alternativos. Barcelona: Reverté
[2] Martínez García Antonio. (2009) Estudio de los efectos de la Post inyeccion sobre el proceso de combustión y la formación de hollín en motores Diesel. (Tesis doctoral). Universidad Politécnica de Valencia. Valencia.
[3] Su Han Park, H. J. (2016). Effect of Multiple Injection Strategies on Combustion and Emission Characteristics in a Diesel Engine. Energy&Fuels, 810-818.
[4] Ricaud, J., & Lavoisier, F. (2004). Optimizing the multiple injection settings on an HSDI diesel engine. Proceedings of the 3rd IMechE Automobile Division
Southern Centre Conference on Total Vehicle Technology: finding the radical, implementing the practical, pp.123-153.
[5] Herfatmanesh MR, et al. Experimental investigation into the effects of two-stage injection on fuel injection quantity, combustion and emissions in a high-speed optical common rail diesel engine. Fuel 2013;109:137–47.
[6] Montgomery DT, Reitz RD. Six-mode cycle evaluation of the effect of EGR and multiple injections on particulate and NOx emissions from a D.I. diesel engine. SAE Int 1996.
[7] Busch S, Zha K, Miles PC. Investigations of closely coupled pilot and main injections as a means to reduce combustion noise in a small-bore direct injection Diesel engine. Int J Engine Res 2015;16(1):13–22. a highly-dilute diesel low temperature combustion regime. SAE tech SAE2009-01-0925; 2009.
[8] Koci CP, Ra Y, Krieger R, Andrie M, Foster DE, Siewert RM, et al. Multiple event fuel injection investigations in [9] Benajes, J., Molina, S., & García, J.M. (2001). Influence of Pre and Post Injection on the Performance and Pollutant Emissions in a HD Diesel Engine. SAE Paper 2001-01-0526.
[10] H.G. How, H. M. (2018). Influence of injection timing and split injection strategies on performance, emissions, and combustion characteristics of diesel engine fueled with biodiesel blended fuels. Fuel, 106-114.
[12] Miguel García Yera, Simón Martínez Martínez, Fausto A. Sánchez Cruz, José Manuel Riesco Ávila y Armando Gallegos Muñoz, Desarrollo De Una Instalación Experimental Para El Estudio De Chorros Diésel Isotermos, Memorias Del XIII Congreso Internacional Anual De Ingeniería Mecánica (SOMIM), Memorias Del Congreso 2007 , ISBN 978-968-9773-03-8.
[13] Sergio Borrego, Oscar A. de la Garza, Miguel García Yera, Guillermo Rubio Gómez, Simón Martínez Martínez, Caracterización del proceso de mezcla a través de la visualización del chorro diésel líquido, Memorias del XXIII Congreso Internacional Anual De Ingeniería Mecánica (SOMIM), Memorias Del Congreso. 2017.
[14] Taghizadeh, M., Ghaffari, A., & Najafi, F. (2009). Modeling and identification of a solenoid valve for PWM control applications. Comptes Rendus Mecanique, 337(3), 131-140.
[15] Lu, H., Deng, J., Hu, Z., Wu, Z., & Li, L. (2014). Impact of control methods on dynamic characteristic of high speed solenoid injectors. SAE International Journal of Engines, 7(2014-01-1445), 1155-1164.
[16] Li, J. H., Liu, D. W., Shi, G. W., Ding, L. S., & Zhong, G. Y. (2014). Design and simulation of solenoid valve driving circuit module for high pressure common rail diesel injector. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 602, pp. 2645-2648). Trans Tech Publications.
[17] Xiong, J. (2017). An intelligent dual-voltage driving method and circuit for a common rail injector of heavy-
duty diesel engine. IEEE Access.
ISSN 2448-5551 TF 61 Derechos Reservados © 2018, SOMIM
