ES2199201T3 - Proceso y sistema de admision de aire en un motor de combustion. - Google Patents

Abstract

Proceso para reducir las oscilaciones de presión en un sistema de admisión de aire en un motor de combustión interna sobrealimentado, en el que un turbocompresor (10) suministra, vía un enfriador del aire de sobrealimentación (11), aire a un colector de aire (12) en el que un cuerpo hueco alargado (14a, 14b), adaptado para reducir las oscilaciones de presión en el colector de aire (12), está dispuesto en dicho colector de aire (12), caracterizado porque el cuerpo hueco (14a, 14b) está adaptado para proporcionar aire puesto en resonancia y que establece un flujo volumétrico oscilante suficientemente grande para contrarrestar las ondas de presión en el colector de aire y comprende un primer extremo (16a, 16b) que está cerrado en dicho primer extremo (16a, 16b) y que está total o parcialmente abierto en su segundo extremo (18a, 18b).

Description

Proceso y sistema de admisión de aire en un motor de combustión.

La invención se refiere a un proceso para reducir las oscilaciones de presión en un sistema de admisión de aire en un motor de combustión interna sobrealimentado, en el que un turbocompresor suministra, vía un enfriador del aire de sobrealimentación, aire a un colector de aire en el que un cuerpo hueco alargado, adaptado para reducir las oscilaciones de presión en el colector de aire, está dispuesto en dicho colector de aire.

Tal proceso ha sido descrito en GB-A-2026091.

En algunos diseños de motor la secuencia de llenado de aire de los cilindros puede producir ondas de presión estacionarias en la columna de aire del colector de aire, que pueden dar lugar a diferencias en el suministro de aire de un cilindro a otro y por tanto diferente presión de compresión y presión máxima. Esto puede afectar al rendimiento del motor de muchos modos. La formación de óxidos de nitrógeno (N0_{x}) en un motor de combustión aumenta a medida que se incrementa la temperatura de combustión. Las normas internacionales establecen niveles máximos permisibles de N0_{x} en el gas de escape. Por consiguiente, la consideración de baja emisión de N0_{x} se opone a la consideración de alto rendimiento del combustible. En un motor diesel, el suministro irregular de aire de un cilindro a otro puede provocar emisiones de humo incrementadas a consecuencia del reducido llenado de aire en alguno de los cilindros.

En un motor de gasolina que funciona a presiones de combustión próximas al límite de detonación de la combustión, la máxima presión del cilindro en funcionamiento limitará el rendimiento de potencia que se puede alcanzar con el motor y variaciones en el llenado de aire conducirán por consiguiente a una potencia reducida del motor. El mismo efecto ocasionará también un consumo de combustible específico incrementado. Un método de resolver el problema consiste en incrementar el volumen del colector de aire hasta que la amplitud de la oscilación de presión se vuelve insignificante. Este método da lugar a una serie de desventajas tales como: un gran colector de aire que necesita espacio, baja respuesta transitoria, y un potencial de energía incrementado que se descarga en una eventual explosión en el colector de aire de los motores de gasolina en los que los gases de escape se mezclan con el aire antes de llegar al colector. Es conocido el prever un resonador en un sistema de admisión de aire. Ambas patentes US. 4.625.686 y US. 4.513.699 describen diferentes soluciones para aplicar un tubo de resonancia en un sistema de admisión de aire. Los objetivos de los documentos de patentes antes citados son diferentes de lo que se consigue con la presente invención y describen también soluciones que no pueden solucionar las desventajas mencionadas más arriba, ya que sus diseños difieren considerablemente de la presente invención. Los tubos de resonancia están abiertos por ambos extremos y el aire de sobrealimentación es conducido a través de los tubos, algo que da lugar a un incremento de la presión dinámica en el sistema de admisión de aire, aumentando así la potencia del motor. La patente US 4.625.686 describe un sistema de admisión de aire para un motor de 6 cilindros en el que al menos un tanque de resonancia es de un longitud suficiente para cubrir todas las entradas de los cilindros, y en el que el suministro de aire desde el turbocompresor es pasado a través de los tubos de resonancia a través de una vasija de suministro en forma de tapa. Uno de los objetos de la invención es proporcionar una potencia extra, es decir, un incremento en la presión del aire de sobrealimentación en cilindros por medio de un tubo de resonancia integrado en la entrada de la admisión de aire. La patente US 4.513.699 describe un sistema para reducir el tamaño del sistema de admisión de aire de un motor de combustión, debido al espacio limitado de que se dispone bajo el capó de un vehículo, en el que la sección transversal del tubo de resonancia disminuye en la dirección longitudinal, desde por lo menos el extremo del tubo que es adyacente a una cámara de resonancia, y en el que la cámara de resonancia es adyacente a los cilindros del motor.

El objeto de la presente invención es eliminar las desventajas que se han mencionado anteriormente y reducir también o contrarrestar las oscilaciones de presión no deseadas en el colector de aire de un motor de combustión, preferiblemente motores diesel o de gasolina, con una construcción que es lo más sencilla y compacta posible y con el menor cambio posible en el volumen del colector de aire.

De acuerdo con la presente invención, se asume un punto de partida basado en que hay un onda de presión estacionaria con una frecuencia dada, que está asociada con la velocidad de funcionamiento del motor. Las fluctuaciones de presión armónica y de flujo másico tienen un desfase de 90 grados y la fluctuación de presión alcanzará su máximo en el extremo cerrado del colector de aire, en el que el flujo másico no puede ser más que cero. Cambiando estas condiciones en el extremo del colector de aire, se verán afectadas las fluctuaciones.

Se consigue el objeto precedente por el hecho de que el cuerpo hueco está adaptado para proporcionar aire puesto en resonancia y que establece un volumen de flujo oscilante suficientemente grande para contrarrestar las ondas de presión en el colector de aire.

Preferiblemente, el primer extremo del cuerpo hueco puede estar cerrado y el otro extremo abierto está dispuesto en el extremo cerrado del colector de aire a una distancia correspondiente a entre aproximadamente la mitad y cinco veces, con preferencia una vez, el diámetro efectivo del cuerpo, y la longitud del cuerpo hueco puede ser determinada por la frecuencia de onda de presión del aire en el cuerpo y la velocidad real de sonido en el aire.

Igualmente, la invención se relaciona con un sistema de admisión de aire en un motor de combustión, que comprende un turbocompresor y un enfriador de aire de alimentación conectado a un colector de aire, en el que un cuerpo hueco alargado, adaptado para reducir las ondas de presión en el colector de aire, es adyacente al colector de aire.

De acuerdo con la invención, el cuerpo hueco comprende un primer extremo que está cerrado en dicho primer extremo y que está total o parcialmente abierto en su segundo extremo.

Son descritas realizaciones preferidas de acuerdo con la invención en las que el cuerpo hueco alargado comprende un cuerpo en forma de tubo o un tubo, en el que el extremo abierto está dispuesto en el extremo cerrado del colector de aire, y el extremo abierto del cuerpo hueco está dispuesto a distancia del extremo cerrado del colector de aire correspondiendo entre aproximadamente media y cinco veces, con preferencia una vez, el diámetro efectivo del cuerpo. El cuerpo hueco sensiblemente alargado está dispuesto longitudinalmente dentro del colector de aire, o adyacente al colector de aire o integrado en el colector de aire, y el cuerpo hueco comprende un pistón ajustable dispuesto en un extremo del cuerpo.

La invención será explicada ahora con más detalle haciendo referencia a las figuras adjuntas.

La figura 1 muestra un sistema de admisión de aire que comprende un ejemplo de una realización preferida del dispositivo, de acuerdo con la presente invención dispuesta dentro de un colector de aire. La figura 2 muestra el dispositivo correspondiente a la figura 1, de acuerdo con la invención, dispuesto adyacente al colector.

la figura 3 muestra esquemáticamente ondas de presión en el extremo de un colector de aire, medidas durante ensayos de prueba de la presente invención. Los motores diesel y de gasolina turboalimentados, de velocidad media, tienen normalmente los turbocompresores montados en el extremo del bastidor del motor. El aire procedente del compresor 10 del turbocompresor es pasado a través de un enfriador de aire de sobrealimentación 11 y dentro del colector de aire 12 que discurre a lo largo del motor y está conectado a las lumbreras de admisión individuales de los cilindros (dos de las lumbreras de admisión están mostradas por el número de referencia 24), lo que es bien conocido por los expertos en la materia. El colector de aire puede estar formado como un cuerpo extendido o vasija, enfaldillado sobre el motor, a menudo con uno por bloque de cilindros en un motor tipo en V. El colector de aire puede ser también un volumen integrado en el bastidor del motor, y para esta solución es normal que los conjuntos de cilindros de un motor tipo en V compartan un volumen común.

La figura 1 muestra una sección de un sistema de admisión de aire que comprende un colector de aire 12 en el que un ejemplo de una realización preferida del dispositivo, de acuerdo con la presente invención, está dispuesto dentro del colector de aire 12. Para influir en las fluctuaciones de presión en el colector de aire 12, se dispone un cuerpo hueco, sensiblemente alargado 14a en el colector de aire, comprendiendo un primer extremo 16a que está cerrado y un segundo extremo 18a que está abierto y en el que el extremo abierto 18a está dispuesto en el extremo cerrado 20 del colector de aire.

Cuando surge una onda de presión estacionaria en el colector de aire 12, se excita el cuerpo hueco 14a para procurar un movimiento del aire, es decir, se establece un flujo de aire oscilante suficientemente grande para contrarrestar las ondas de presión en el colector de aire 12. Esto puede ser un sistema pasivo, cuya frecuencia resonante se ajusta para coincidir con la frecuencia de las ondas de presión no deseadas. Con la presente invención se obtiene una eliminación casi total de las ondas de presión no deseadas. Una solución como esta es una construcción muy compacta.

La figura 2 muestra un cuerpo hueco, correspondientemente bastante alargado 14b dispuesto en el exterior del colector de aire 12. Debido a la consideración de espacio, el volumen del colector de aire 12 puede ser, en algunos casos, demasiado pequeño para admitir un cuerpo hueco adicional. En este caso, el cuerpo hueco 14b puede disponerse en el exterior del colector de aire 12 y comprende, correspondiendo a la primera realización, un primer extremo cerrado 16b y un segundo extremo abierto 18b que está dispuesto en el extremo cerrado del colector de aire 20. El cuerpo hueco 14b puede disponerse a lo largo del colector de aire 12 y puede comprender entonces, por ejemplo, una parte curvada 22 en el segundo extremo abierto 18b. Evidentemente, también son posibles otras colocaciones del cuerpo hueco. La disposición del cuerpo hueco es dependiente de la forma de colector de aire y el motor y, desde luego también, de la consideración de espacio en el colector de aire.

Con un extremo cerrado se quiere decir que el cuerpo hueco 14a, 14b puede estar cerrado en un extremo por medio de una barrera, tal como por ejemplo una tapa que se monta en el extremo que hay que cerrar o por medio, de por ejemplo, un pistón ajustable. Desde luego, también se puede fabricar el cuerpo hueco de un modo por lo demás conocido con tal barrera integrada en el primer extremo. El cuerpo hueco puede ser también una parte integral del colector de aire mismo cuando se fabrica éste, por ejemplo, como una pieza fundida (no mostrada).

El cuerpo hueco 14a, 14b puede instalarse en el colector de aire de un modo conocido, tal como por ejemplo soldando puntos de fijación sobre el cuerpo para conectar en el colector por medio de tornillos/pernos, o puede soldarse en el colector de aire, o fijarse de otro modo permanentemente, o de una manera removible, con el colector de aire.

En una realización alternativa, el cuerpo hueco puede comprender un pistón móvil dispuesto dentro del cuerpo hueco (no mostrado). El pistón puede moverse, y utilizarse para la sintonización fina de la frecuencia de resonancia del cuerpo hueco. Como la amplitud de presión en el cuerpo hueco es mucho mayor que la amplitud de presión original en el colector de aire, el volumen del cuerpo hueco puede hacerse mucho más pequeño que el volumen del colector de aire.

Como consecuencia de las condiciones limitadoras para el cuerpo hueco, la columna de aire fluctuará con un nodo de desplazamiento en el extremo cerrado del cuerpo, y con un nodo de presión en el extremo abierto. La forma de modo de la primera frecuencia de resonancia tendrá la forma de un cuatro de onda, es decir, la longitud de onda que corresponde a la frecuencia de la forma de la primera frecuencia de resonancia es cuatro veces la longitud del cuerpo hueco.

Tal cuerpo, en el que la primera frecuencia de resonancia de la columna de aire en el tubo corresponde a la frecuencia de las ondas de presión no deseadas en el colector de aire es un resonador muy eficaz cuando está dispuesto con su extremo abierto conectado al extremo cerrado del colector de aire. La longitud del cuerpo hueco es determinada por la frecuencia de onda y la velocidad real de sonido del aire, que es dada nuevamente por la temperatura del aire. El volumen decide su "capacidad respiratoria", es decir, debe haber una relación conveniente entre longitud y diámetro. Se encuentra la velocidad de sonido en el aire en el colector de aire mediante la expresión

a= \sqrt{kRT}

Donde se introduce las siguientes unidades:

a velocidad del sonido

k constante isentrópica del aire

R constante de gas del aire

T temperatura del aire

Se halla la longitud de onda por la expresión:

\hbox{ \lambda  =  \alpha /f}

La longitud del cuerpo hueco es hallada entonces por: L= \lambda/4.

La figura 3 muestra esquemáticamente oscilaciones de presión en el extremo de un colector de aire, en el que dos gráficos muestran oscilaciones de presión con y sin el dispositivo respectivamente de acuerdo con la presente invención. Son mediciones que fueron tomadas durante pruebas reales del motor de la invención. En esta prueba del motor, se usó un tubo cilíndrico con un diámetro de 100 mm. Como se ha mencionado, es la capacidad del cuerpo la que es decisiva para la determinación de las dimensiones, es decir, el diámetro cuando es dada la longitud, tal como otro diámetro puede usarse también, evidentemente. Esto será nuevamente dependiente del volumen del colector de aire y la amplitud de las oscilaciones de presión.

La línea continua muestra las ondas de presión estacionarias en el colector de aire sin el cuerpo hueco, medido al 75% de carga y en la tapa terminal del colector de aire. La presión fluctúa con doble amplitud hacia 0,45 bar. Como se ha dicho antes, esto puede producir ondas de presión estacionaria en la columna de aire en el colector de aire, lo que a su vez puede dar lugar a un llenado de aire irregular de un cilindro a otro y por tanto a presiones de compresión irregulares y máximas presiones en el cilindro. Esto tendrá un efecto negativo en el rendimiento del motor.

La línea discontinua muestra las oscilaciones de presión en el colector de aire con el cuerpo hueco medidas al 85% de carga y en la tapa terminal del colector de aire. La forma de onda estacionaria obvia ya no está presente, o es reducida claramente. La presión fluctúa en este caso con doble amplitud sensiblemente reducida de 0,15 bar, y el fenómeno de oscilación es dominado por los modos de orden superior y el ruido, como indican los número 0,15 bar en comparación con 0,45 bar, reduce la amplitud entre 60% y 70%.

Como muestra la figura 3, la presente invención proporciona un proceso particularmente apropiado para reducir las ondas de presión en un sistema de admisión de aire de en un motor de combustión, y un dispositivo correspondiente en un sistema de admisión de aire de en un motor de combustión. El proceso y el dispositivo pueden usarse en todos los motores de combustión con un sistema de admisión de aire que comprende un colector de aire, pero se usa preferiblemente en motores diesel y de gasolina, y de forma particularmente preferida en motores de gasolina con 9 ó 18 cilindros. También es dependiente del número de revoluciones y de que sea un motor de 4 ó 2 tiempos.

Un cuerpo hueco tal como un resonador en forma de tubo, será en la mayoría de los casos muy fácil de instalar en un motor, y ocupa poco espacio. En aquellos casos en que la longitud del tubo no rebasa la longitud del colector de aire y la sección transversal del colector de aire es suficientemente grande, el tubo puede disponerse dentro del colector de aire. Aquí, el tubo está dispuesto de tal modo que el extremo abierto del tubo, por ejemplo, esté colocado a una distancia igual a su diámetro efectivo de extremo del colector de aire. Si no es esto posible, el tubo puede disponerse, por ejemplo, en el exterior del motor, con conexiones para el colector de aire en su extremo.

Para instalar dentro del colector de aire, el cuerpo hueco puede fabricarse, por ejemplo, con tubos estándar de acero, metal u otros materiales, y no necesita tener una sección transversal perfectamente circular que sea constante a lo largo del tubo, sino que puede incluir también otras secciones geométricas que sean apropiadas para dar las mismas características y que pueden variar a lo largo del tubo. Lo mismo sucede si el cuerpo hueco se coloca en el exterior del motor.

De acuerdo con la invención se proporciona por tanto un proceso y un dispositivo para un motor de combustión sobrealimentado que reduce las ondas de presión en un colector de aire para que los cilindros del motor se llenen aproximadamente con la misma cantidad de aire.

Claims (12)

1. Proceso para reducir las oscilaciones de presión en un sistema de admisión de aire en un motor de combustión interna sobrealimentado, en el que un turbocompresor (10) suministra, vía un enfriador del aire de sobrealimentación (11), aire a un colector de aire (12) en el que un cuerpo hueco alargado (14a, 14b), adaptado para reducir las oscilaciones de presión en el colector de aire (12), está dispuesto en dicho colector de aire (12), caracterizado porque el cuerpo hueco (14a, 14b) está adaptado para proporcionar aire puesto en resonancia y que establece un flujo volumétrico oscilante suficientemente grande para contrarrestar las ondas de presión en el colector de aire y comprende un primer extremo (16a, 16b) que está cerrado en dicho primer extremo (16a, 16b) y que está total o parcialmente abierto en su segundo extremo (18a, 18b).

2. Proceso de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el primer extremo (16a, 16b) del cuerpo hueco (14a, 14b) está cerrado y el segundo extremo abierto (18a, 18b) es colocado adyacente al extremo cerrado (20) del colector de aire (12) a una distancia igual a entre aproximadamente media y cinco veces el diámetro efectivo del cuerpo.

3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el segundo extremo abierto (18a, 18b) es colocado adyacente al extremo cerrado (20) del colector de aire (12) a una distancia igual a aproximadamente una vez el diámetro efectivo del cuerpo.

4. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque la longitud del cuerpo hueco (14a, 14b) es decida por la frecuencia resonante del aire en el cuerpo y la velocidad real del sonido en el aire de alimentación.

5. Sistema de admisión de aire en un motor de combustión, que comprende un turbocompresor (10) y un enfriador de aire de alimentación (11) conectado a un colector de aire (12), en el que un cuerpo hueco alargado (14a, 14b), adaptado para reducir las ondas de presión en el colector de aire (12), es adyacente al colector de aire, caracterizado porque el cuerpo hueco (14a, 14b) comprende un primer extremo (16a, 16b) que está cerrado en dicho primer extremo (16a, 16b) y que está total o parcialmente abierto en su segundo extremo (18a, 18b).

6. Sistema de admisión de aire de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque el cuerpo hueco alargado (14a, 14b) comprende un cuerpo en forma de tubo, en el que el extremo abierto (18a, 18b) está dispuesto en el extremo cerrado (20) del colector de aire (12).

7. Sistema de admisión de aire de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el extremo abierto (18a, 18b) del cuerpo hueco (14a, 14b) está dispuesto a una distancia del extremo (20) cerrado del colector de aire (12) igual a entre aproximadamente media y cinco veces el diámetro efecto del cuerpo.

8. Sistema de admisión de aire de acuerdo con la reivindicación 7, caracterizado porque el segundo extremo abierto (18a, 18b) es adyacente al extremo cerrado (20) del colector de aire (12) a una distancia igual a aproximadamente una vez el diámetro efectivo del cuerpo.

9. Sistema de admisión de aire de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el cuerpo hueco (14a, 14b) está dispuesto longitudinalmente dentro del colector de aire (12).

10. Sistema de admisión de aire de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el cuerpo hueco (14a, 14b) es adyacente al colector de aire (12), vía una conexión tal como una parte curvada (22).

11. Sistema de admisión de aire de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el cuerpo hueco (14a, 14b) está integrado en el colector de aire (12).

12. Sistema de admisión de aire de acuerdo con las reivindicaciones 9-11, caracterizado porque el cuerpo hueco comprende un pistón desplazable dispuesto en un extremo del cuerpo (16a, 16b).