ES2287331T3 - Motor de combustion interna, de explosion e inyeccion directa de gasolina, que comprende un sistema de inyeccin directa a muy alta presion. - Google Patents
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Abstract
Motor de combustión interna, de explosión e inyección directa de gasolina, este motor comprende al menos un cilindro (1) alargado según un eje (Z), una culata (2) que obtura el cilindro (1) de modo fijo, un émbolo (3) montado de modo deslizante y estanco en el cilindro (1) a lo largo del eje (Z) del cilindro, una cámara de combustión (4) definida en el cilindro (1) entre una cara inferior (20) de la culata (2) y una cara superior (30) del émbolo (3), un inyector de gasolina (5) unido a la culata (2) y que desemboca en la cámara de combustión (4), una bujía de encendido (6) unida a la culata (2) y dotada de electrodos (60) que producen selectivamente una chispa en la cámara de combustión (4), válvulas de admisión (71) y de escape (72) montadas de modo móvil en la culata (2), situadas de una y otra parte de un plano axial mediano (P) del cilindro (1) y que obturan selectivamente la cámara de combustión (4), y una bomba de inyección (8) que suministra selectivamente al inyector (5) un flujo degasolina a presión, caracterizado porque la presión del flujo de gasolina suministrado al inyector (5) sobrepasa los 300 bars.
Description
Motor de combustión interna, de explosión e
inyección directa de gasolina, que comprende un sistema de inyección
directa a muy alta presión.
De forma general la presente invención se
refiere a las técnicas de inyección para motores de gasolina de
inyección directa.
Mas precisamente la invención se refiere a un
motor de combustión interna, de explosión e inyección directa de
gasolina, este motor comprende al menos un cilindro alargado según
un eje, una culata que obtura el cilindro de modo fijo, un émbolo
montado de modo deslizante y estanco en el cilindro a lo largo del
eje del cilindro, una cámara de combustión definida en el cilindro
entre una cara inferior de la culata y una cara superior del
émbolo, un inyector de gasolina unido a la culata y que desemboca en
la cámara de combustión, una bujía de encendido unida a la culata y
dotada de electrodos que producen selectivamente una chispa en la
cámara de combustión, válvulas de admisión y de escape montadas de
modo móvil en la culata, situadas de una y otra parte de un plano
axial mediano del cilindro y que obturan selectivamente la cámara de
combustión, y una bomba de inyección que suministra selectivamente
al inyector un flujo de gasolina a presión.
Aunque para una mayor claridad esta definición
utilice términos muy concretos y precisos como inyector, bujía o
chispa, hay que entender que estos términos abarcan sus equivalentes
técnicos, así las palabras mencionadas como ejemplo son
respectivamente sinónimas de medio de inyección, de medio de
encendido y de punto de encendido.
El especialista conoce bien los motores así
definidos.
Los motores de explosión e inyección directa de
gasolina ofrecen la posibilidad de un funcionamiento optimado con
mezclas llamadas "pobres", es decir mezclas carburadas que
contienen un muy importante exceso de aire con respecto a la
cantidad de carburante introducida en el cilindro, con respecto a
las condiciones estequiométricas.
No sólo estos motores ofrecen un importante
potencial en término de reducción de consumo de carburante sino que
también participan en el respeto del medio ambiente en la medida en
que el exceso de aire permite una combustión completa del
carburante evitando así la dispersión de fracciones no quemadas en
los gases de escape.
La mezcla carburada que resulta de la inyección
de carburante en el cilindro puede ser una mezcla homogénea o una
mezcla estratificada en la que la relación aire/carburante no es
uniforme en todo el cilindro, llevando este último caso a localizar
cerca del punto de encendido la mezcla carburada en una relación
aire/carburante inflamable.
Ya se conocen distintas soluciones para realizar
una mezcla estratificada gracias a la inyección directa de
gasolina.
Una primera solución consiste en realizar una
estratificación por efecto de pared, orientando el chorro de
inyección hacia una pared, en dirección a la cara superior del
émbolo por ejemplo, para desviarlo después hacia la bujía. Esta
solución puede presentar el inconveniente de conducir a la
formación, en las paredes, de una película de carburante líquido
que al quemarse produce hollín. Por otra parte esta solución no
permite una estratificación óptima porque el impacto del chorro
sobre la pared conduce a una difusión demasiado importante.
Una segunda solución consiste en realizar una
estratificación por efecto aerodinámico, imponiendo al aire un
movimiento bien definido, con el fin de orientar el carburante
proyectado por el inyector hacia la bujía. Sin embargo la
localización del carburante alrededor de la bujía varía mucho de un
ciclo a otro debido al carácter aleatorio y turbulento del flujo de
aire, lo que perjudica la estabilidad del motor que resulta difícil
de controlar.
La tercera solución consiste en ajustar el
inyector y la bujía de modo que el inyector proyecte directamente
el chorro de carburante hacia la bujía. Este procedimiento es a
priori muy eficaz pero puede ser sensible a las incertidumbres
que perjudican el ajuste y a las características del chorro de
carburante. La realización de la mezcla estratificada resulta de la
inyección del carburante poco tiempo antes de la activación de la
combustión.
En tales condiciones, contrariamente a las dos
anteriores soluciones, suele ser insuficiente el tiempo disponible
para la inyección, la atomización, la vaporización de la gasolina y
la preparación de la mezcla antes de la activación de la
combustión. El carburante líquido, presente durante la combustión y
difícilmente inflamable, provoca pues un aplastamiento de la
bujía.
Otra técnica consiste en asistir la inyección de
carburante con una inyección de aire auxiliar. Si este procedimiento
conduce a una pulverización bastante fina del carburante, en cambio
requiere un sistema adicional para la compresión de aire.
Otra técnica de inyección conocida, descrita en
la patente US 5 992 353, consiste en proceder a la inyección de
carburante en estado de vapor y en mezcla con vapor de agua
sobrecalentada a una presión por lo menos igual a 350 bars.
Concretamente esta solución no puede aplicarse a los vehículos
automóviles en la medida en que requiere el equipamiento de un
depósito de agua auxiliar y de un cambiador de calor que utilice los
gases de escape para vaporizar el carburante y obtener el vapor
sobrecalentado.
En ese contexto es que la presente invención
tiene por objeto proponer un motor que, aunque tenga una estructura
bastante sencilla, funcione con una muy pequeña producción de
hollín, con una combustión de carburante más rápida y reproducible,
y sin ensuciamiento de los agujeros del inyector.
Al efecto el motor de la invención que también
cumple la definición genérica dada por el preámbulo anterior se
caracteriza esencialmente por lo que la presión del flujo de
gasolina suministrado al inyector sobrepasa los 300 bars y es
preferentemente por lo menos igual a unos 500 bars.
Gracias a esta presión de inyección el tiempo de
inyección del carburante en la cámara de combustión puede reducirse
debido al aumento de flujo estático. Además el tiempo así ahorrado
puede ser usado para la realización física de la atomización, de la
evaporación y de la mezcla del carburante con el aire.
El carburante líquido inyectado a esta alta
presión se somete a una atomización primaria que rompe el chorro en
gruesas gotas y después a una atomización secundaria que rompe estas
gruesas gotas en gotas más finas. La longitud llamada "Break
up" (es decir de fraccionamiento) que caracteriza la longitud del
chorro necesaria para la realización del chorro primario disminuye
con el aumento de la velocidad de salida del carburante del
inyector, aumentando ésta con la presión de inyección.
Se observó que para las presiones superiores a
los 300 bars la longitud de fraccionamiento se hacía despreciable.
Entonces el carburante sale directamente del inyector en estado de
niebla de gotitas cuya atomización secundaria es más fina. El
chorro es más ancho lo que favorece una mezcla con el aire contenido
en la cámara de combustión y la vaporización del carburante. La
atomización más fina del carburante permite una vaporización más
rápida y la obtención de una mezcla aire/carburante totalmente
evaporada y mezclada al activar la combustión. La mezcla obtenida
es más homogénea, quema más rápidamente y produce menos hollín. Se
reduce la cantidad de carburante líquido que alcanza la bujía lo
que reduce el aplastamiento de la bujía. El aumento de la velocidad
de combustión permite activar la combustión más cerca del punto
muerto alto del émbolo en el cilindro y aumentar pues el
rendimiento del ciclo. La reducción de contaminantes y de hollín
permite un aumento sensible del rendimiento de combustión.
Además el ahorro de tiempo en la realización de
cada una de las fases de inyección, de atomización y de vaporización
permite realizar la inyección más tarde durante la fase de
compresión, es decir en condiciones de presión más elevada
favorables a una reducción de la penetración del chorro y a una
temperatura más elevada favorable a la vaporización.
En un modo de realización ventajoso de la
invención, es posible formar un ahuecamiento en la cara superior
del émbolo para garantizar una contención de la gasolina inyectada
en la cámara de combustión.
Por su parte la cara inferior de la culata puede
conformarse en techo y presentar una arista en el plano axial
mediano del cilindro.
Preferentemente el inyector se sitúa más cerca
del eje del cilindro que la bujía y por ejemplo se sitúa en el eje
del propio cilindro.
Ventajosamente el inyector y la bujía están
separados por una distancia por lo menos igual a 5 milímetros e
igual a 30 milímetros como máximo.
El inyector puede inyectar la gasolina en la
cámara de combustión sensiblemente en forma de cono de inyección y
que presenta un ángulo cuyo vértice es por lo menos igual a 40
grados e igual a 100 grados como máximo, este cono puede estar
integrado sea por un único chorro, como un juego hueco y continuo,
sea por distintos chorros, y por dos a doce chorros por
ejemplo.
El inyector y la chispa producida por la bujía
pueden estar separados por una distancia por lo menos igual a 10
milímetros e igual a 30 milímetros como máximo, mientras que por
ejemplo el cono de inyección y las chispas de la bujía están
separados por una distancia por lo menos igual a 1 milímetro e igual
a 10 milímetros como máximo.
Preferentemente el motor de la invención
comprende dos válvulas de admisión de un primer lado del plano axial
mediano del cilindro y dos válvulas de escape de un segundo lado
del plano axial mediano del cilindro, la bujía puede situarse entre
ambas válvulas de admisión o entre una válvula de admisión y una
válvula de escape.
Aparecerán más claramente otras características
y ventajas de la invención en la descripción realizada a
continuación, a modo indicativo y no limitativo, con respecto a los
dibujos anexos, entre los que:
- la figura 1 es una vista en sección
esquemática parcial de un motor según la invención;
- la figura 2 es una vista desde abajo a escala
reducida de la cara inferior de la culata del motor ilustrado en la
figura 1; y
- la figura 3 es una vista parecida a la figura
2 y que ilustra una variante de realización.
Como arriba enunciado la invención se refiere a
un motor de combustión interna, de explosión e inyección directa de
gasolina.
Este motor comprende, de modo no limitativo y
conocido en sí (figura 1), un cilindro 1, una culata 2, un émbolo
3, una cámara de combustión 4, un inyector de gasolina 5, una bujía
de encendido 6, una o preferentemente dos válvulas de admisión 71,
una o preferentemente dos válvulas de escape 72, y una bomba de
inyección 8.
El cilindro 1 es alargado según su eje
longitudinal Z y obturado en uno de sus extremos por la culata 2
fijada al cilindro 1.
El émbolo 3 se monta de modo deslizante y
estanco en el cilindro 1 a lo largo del eje Z y obtura el otro
extremo de este cilindro.
Así se define la cámara de combustión 4 en el
cilindro 1, entre la cara inferior 20 de la culata 2 y la cara
superior 30 del émbolo 3.
El inyector de gasolina 5 se une a la culata 2
y desemboca en la cámara de combustión 4.
La bujía de encendido 6 se une a la culata 2 y
se dota de electrodos 60 que producen una chispa en la cámara de
combustión 4 cuando el émbolo 3 se sitúa cerca de su punto muerto
alto.
Las válvulas de admisión 71 y de escape 72 se
montan de modo móvil en la culata 2 y se sitúan de una y otra parte
de un plano axial mediano P del cilindro 1 con el fin de definir un
lado para la admisión y un lado para el escape.
Ambas válvulas de admisión 71 son móviles
mediante un árbol de levas o se mandan directamente con el fin de
comunicar la cámara de combustión 4, en un determinado instante
anterior a la compresión, con los conductos de admisión 710.
De forma análoga ambas válvulas de escape 72 son
móviles mediante un árbol de levas o se mandan directamente con el
fin de comunicar la cámara de combustión 4, en un determinado
instante posterior a la combustión, con los conductos de escape
720.
Por último la bomba de inyección 8 suministra al
inyector 5 un flujo de gasolina a presión en un determinado
instante durante la compresión.
Según un aspecto esencial de la invención la
presión del flujo de gasolina suministrado al inyector 5 por la
bomba 8 sobrepasa los 300 bars y preferentemente alcanza o sobrepasa
los 500 bars.
Otras características, aunque menos importantes,
se pueden prever para optimar los efectos obtenidos por la elevada
presión de inyección prescrita por la invención y se enuncian a
continuación.
Por una parte puede formarse un ahuecamiento
cóncavo 300 en la cara superior 30 del émbolo 3 para garantizar una
contención de la gasolina inyectada en la cámara de combustión
4.
Por otra parte la cara inferior 20 de la culata
2 puede conformarse en techo y presentar una arista 21 en el plano
axial mediano P del cilindro 1.
Como lo muestran las figuras 2 y 3, la arista 21
divide así la culata 2 en una parte destinada a la admisión (a la
derecha en las figuras) y en la que están previstas ambas válvulas
de admisión 71, y una parte destinada al escape (a la izquierda en
las figuras) y en la que están previstas ambas válvulas de escape
72.
Entonces la bujía 6 puede situarse entre ambas
válvulas de admisión 71 (figuras 1 y 2) o entre una válvula de
admisión 71 y una válvula de escape 72 (figura 3).
El inyector 5 se sitúa más cerca del eje Z del
cilindro que la bujía 6 y preferentemente en el propio eje Z.
El inyector 5 y la bujía 6 están separados por
una distancia ventajosamente comprendida entre 5 milímetros y 30
milímetros, así típicamente la distancia entre el inyector 5 y la
chispa producida por la bujía 6 está comprendida entre 10
milímetros y 30 milímetros.
Preferentemente el inyector 5 inyecta la
gasolina en la cámara de combustión 4, en forma de una pluralidad
de chorros distintos que comprende entre dos y doce chorros.
Estos chorros forman un cono de inyección 9
(figura 1) que presenta un ángulo con un vértice A comprendido
entre 40 grados y 100 grados por ejemplo.
Por último el cono de inyección 9 y las chispas
formadas por los electrodos 60 de la bujía están separados por una
distancia preferentemente comprendida entre 1 milímetro y 10
milímetros.
Claims (13)
1. Motor de combustión interna, de explosión e
inyección directa de gasolina, este motor comprende al menos un
cilindro (1) alargado según un eje (Z), una culata (2) que obtura el
cilindro (1) de modo fijo, un émbolo (3) montado de modo deslizante
y estanco en el cilindro (1) a lo largo del eje (Z) del cilindro,
una cámara de combustión (4) definida en el cilindro (1) entre una
cara inferior (20) de la culata (2) y una cara superior (30) del
émbolo (3), un inyector de gasolina (5) unido a la culata (2) y que
desemboca en la cámara de combustión (4), una bujía de encendido
(6) unida a la culata (2) y dotada de electrodos (60) que producen
selectivamente una chispa en la cámara de combustión (4), válvulas
de admisión (71) y de escape (72) montadas de modo móvil en la
culata (2), situadas de una y otra parte de un plano axial mediano
(P) del cilindro (1) y que obturan selectivamente la cámara de
combustión (4), y una bomba de inyección (8) que suministra
selectivamente al inyector (5) un flujo de gasolina a presión,
caracterizado porque la presión del flujo de gasolina
suministrado al inyector (5) sobrepasa los 300 bars.
2. Motor de combustión interna según la
reivindicación 1, caracterizado porque la presión del flujo
de gasolina suministrado al inyector (5) es por lo menos igual a
unos 500 bars.
3. Motor de combustión interna según la
reivindicación 1 o 2, caracterizado porque se forma un
ahuecamiento (300) en la cara superior (30) del émbolo (3) para
garantizar una contención de la gasolina inyectada en la cámara de
combustión (4).
4. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque la cara inferior (20) de la culata (2) se conforma en techo
y presenta una arista (21) en el plano axial mediano (P) del
cilindro (1).
5. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque el inyector (5) se sitúa más cerca del eje (Z) del cilindro
que la bujía (6).
6. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque el inyector (5) se sitúa en el eje (Z) del cilindro.
7. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque el inyector (5) y la bujía (6) están separados por una
distancia por lo menos igual a 5 milímetros e igual a 30 milímetros
como máximo.
8. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque el inyector (5) inyecta la gasolina en la cámara de
combustión (4) sensiblemente en forma de cono de inyección (9) y
que presenta un ángulo cuyo vértice (A) es por lo menos igual a 40
grados e igual a 100 grados como máximo.
9. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque el inyector (5) inyecta la gasolina en la cámara de
combustión (4) en forma de una pluralidad de distintos chorros que
comprende entre dos chorros y doce chorros.
10. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque el inyector (5) y la chispa producida por la bujía (6) están
separados por una distancia por lo menos igual a 10 milímetros e
igual a 30 milímetros como máximo.
11. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones combinada con la
reivindicación 8, caracterizado porque el cono de inyección
(9) y las chispas de la bujía están separados por una distancia por
lo menos igual a 1 milímetro e igual a 10 milímetros como
máximo.
12. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las anteriores reivindicaciones, caracterizado
porque comprende dos válvulas de admisión (71) de un primer lado
del plano axial mediano (P) del cilindro y dos válvulas de escape
(72) de un segundo lado del plano axial mediano (P) del cilindro, y
porque la bujía (6) se sitúa entre ambas válvulas de admisión
(71).
13. Motor de combustión interna según una
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado
porque comprende dos válvulas de admisión (71) de un primer lado
del plano axial mediano (P) del cilindro y dos válvulas de escape
(72) de un segundo lado del plano axial mediano (P) del cilindro, y
porque la bujía (6) se sitúa entre una válvula de admisión (71) y
una válvula de escape (72).
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