ES2347459T3 - Procedimiento de inyeccion de combustible para un motor de combustion interna, especialmente de inyeccion directa, que comprende un piston provisto de un cuenco con un teton. - Google Patents

Procedimiento de inyeccion de combustible para un motor de combustion interna, especialmente de inyeccion directa, que comprende un piston provisto de un cuenco con un teton. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para inyectar combustible en la cámara de combustión (16) de un cilindro de un motor de combustión interna de cuatro tiempos de inyección directa, especialmente del tipo diésel, que puede funcionar según un modo de combustión homogénea y según un modo de combustión convencional, caracterizado por que consiste, para el modo de combustión convencional del motor, en introducir en esta cámara, al comienzo de la fase de admisión, una primera cantidad de combustible para unas posiciones del pistón que corresponden de 0º a 50º del ángulo del cigüeñal en la proximidad del punto muerto superior del pistón y otra cantidad de combustible en la proximidad del punto muerto superior de este pistón al final de la fase de compresión y por que consiste en introducir, para la primera cantidad de combustible, entre el 2% y el 10% de la cantidad global de combustible introducida para las fases de admisión y de compresión.

Description

Procedimiento de inyección de combustible para un motor de combustión interna, especialmente de inyección directa, que comprende un pistón provisto de un cuenco con un tetón.
La presente invención se refiere a un procedimiento de inyección de combustible para un motor de combustión interna, especialmente de inyección directa, en particular del tipo diésel, con un pistón provisto de un cuenco que comprende un tetón.
Se refiere más particularmente a un motor de inyección directa del tipo diésel de cuatro tiempos que puede funcionar según dos modos de combustión. Un modo denominado homogéneo, más conocido con la expresión inglesa de "Homogeneous Charge Compression Ignition" (abreviadamente HCCI) que se utiliza para las cargas ligeras y medias de motor, con al menos una inyección de combustible durante la compresión. Esta o estas inyecciones permiten obtener una mezcla homogénea del combustible con el aire o con una mezcla de aire y de gases de escape recirculados y esto antes del comienzo de la combustión que se realiza por autoinflamación. Otro modo de combustión, denominado modo de combustión convencional, consiste en una inyección de combustible en los alrededores del punto muerto superior de compresión y en una combustión por difusión, este modo se utiliza preferiblemente a cargas elevadas, como se describe mejor en los documentos US 6 202 601 y EP 0 943 793.
Un tipo de motor semejante, como se describe mejor en las Solicitudes de Patente Francesa Nº 2 818 324, 2 818 325 y 2 827 913 del solicitante, comprende al menos un cilindro, un pistón deslizante en este cilindro, una cámara de combustión delimitada por un lado por la cara superior del pistón que comprende un tetón dispuesto en el centro de un cuenco cóncavo y al menos un inyector para inyectar el combustible con un ángulo de abertura inferior o igual a 2 arctan \frac{CD}{2F} donde CD es el diámetro del cilindro y F la distancia entre el punto de origen de los chorros de
{}\hskip17cm combustible inyectados por el inyector y la posición del pistón que corresponde a un ángulo de cigüeñal de 50º con relación al punto muerto superior.
Así, el combustible no llega a estar en contacto con la pared del cilindro y se puede mezclar con el aire o con la mezcla de aire y de gases quemados recirculados presentes en la cámara de combustión.
Esta disposición, aun siendo satisfactoria, presenta algunos inconvenientes no despreciables. Así, en el modo de combustión convencional, el combustible se inyecta cuando el pistón se encuentra en la proximidad del punto muerto superior de la fase de compresión. En esta situación y teniendo en cuenta el reducido ángulo de abertura de los chorros, este combustible, que está en forma bifásica vapor-líquido, resbala a lo largo de la pared del tetón, llega al fondo del cuenco y se guía por la pared lateral de este cuenco para desembocar en la cámara de combustión. Más particularmente, este combustible se dirige, por un lado, en la zona de encuentro que se encuentra en la parte superior del pistón y, por otro lado, hacia el centro de este cuenco.
Teniendo en cuenta este flujo de combustible, éste difícilmente se puede mezclar con el aire presente en el cuenco y la máxima riqueza alcanzada para el funcionamiento del motor puede quedar reducida con relación a los motores convencionales que utilizan unos inyectores con un fuerte ángulo de abertura de los chorros de combustible, generalmente del orden de 140º. Esto se traduce en una mala utilización del aire contenido en la cámara de combustión y fundamentalmente en el nivel del encuentro.
Además, el tetón está fuertemente solicitado térmicamente por la energía desprendida tras la combustión y se localizan unas zonas de temperaturas elevadas sobre él y más particularmente en la proximidad de su punto superior.
La presente invención se propone remediar los inconvenientes anteriores gracias a un procedimiento de inyección de combustible en dos etapas que permite asegurar una mezcla apropiada del combustible con el aire contenido en el cuenco.
Con este fin, la presente invención se refiere a un procedimiento para inyectar combustible en la cámara de combustión de un cilindro de un motor de combustión interna de cuatro tiempos de inyección directa, fundamentalmente del tipo diésel, que puede funcionar según un modo de combustión homogénea y según un modo de combustión convencional, caracterizado por que consiste, para el modo de combustión convencional del motor, en introducir en esta cámara, al comienzo de la fase de admisión, una primera cantidad de combustible para unas posiciones del pistón que corresponden a 0º a 50º del ángulo del cigüeñal en la proximidad del punto muerto superior del pistón y otra cantidad de combustible en la proximidad del punto muerto superior de este pistón al final de la fase de compresión y por que consiste en introducir, para la primera cantidad de combustible, entre el 2% y el 10% de la cantidad global de combustible introducida para las fases de admisión y de compresión.
Ventajosamente, este procedimiento puede consistir en introducir la primera cantidad de combustible en al menos una inyección.
Las otras características y ventajas de la invención serán evidentes con la lectura de la descripción a continuación, dada a título únicamente ilustrativo y no limitativo, en la que se adjuntan:
- la figura 1 que muestra un motor de combustión interna que utiliza el procedimiento de acuerdo con la invención y
- la figura 2 se muestra el motor de la figura 1 según una segunda configuración durante el procedimiento de acuerdo con la invención.
El motor de la figura 1 es un ejemplo no limitativo que ilustra un tipo de motor de combustión interna de cuatro tiempos, especialmente del tipo diésel, que puede funcionar según dos modos de combustión, un modo homogéneo y un modo convencional.
Este motor comprende al menos un cilindro 10, un pistón 12 que se desliza en el interior de este cilindro en un movimiento rectilíneo alternativo y una culata 14 que cierra la parte superior del cilindro. Este pistón delimita con la pared lateral del cilindro y la superficie de la culata opuesta, una cámara de combustión 16 en el interior de la que se puede realizar la combustión de una mezcla carburada cuando se reúnen las condiciones para una combustión semejante. Este pistón se enlaza por medio de una biela 18 a un cigüeñal (no representado) y oscila entonces bajo el impulso de este cigüeñal entre una posición alta, denominada punto muerto superior (PMS), en el que la que la cámara de combustión ocupa un volumen reducido y una posición baja, denominada punto muerto inferior (PMI), en la que el volumen de la cámara de combustión es el más amplio.
En la descripción a continuación se hace mención a la posición del pistón en el punto muerto superior y el punto muerto inferior y éstas corresponden evidentemente a unos ángulos del cigüeñal que tiene generalmente de 0º a 180º para el movimiento del pistón desde el PMS hacia el PMI.
En la figura 1, la culata lleva al menos un medio de admisión 20 con unos conductos de admisión 22 controlados por un medio de obturación, tal como una válvula de admisión 24, al menos un medio de escape 26 con unos conductos de escape 28 de los gases quemados controlados igualmente por un medio de obturación, tal como una válvula de escape 30, y un inyector de combustible 32, preferentemente de chorro múltiple, que permite introducir el combustible en el interior de la cámara de combustión 16. Preferiblemente, este inyector forma parte de un medio de inyección, con una rampa de inyección y una bomba por ejemplo, que se controla por todos los medios y especialmente por el calculador motor (no representado) que incluye habitualmente un motor semejante.
La cámara de combustión se delimita entonces por la cara interna de la culata 14, la pared circular del cilindro 10 y la cara superior del pistón 12.
Esta cara superior del pistón comprende un cuenco cóncavo 34 en el interior del que se eleva, hacia la culata 14, un tetón 36 que se sitúa en el centro de este cuenco.
El tetón, de forma general troncocónica, comprende un vértice 38, preferiblemente redondeado, que se continúa, en la dirección del fondo 40 del cuenco, por un flanco inclinado 42 sensiblemente rectilíneo, después, a partir de este fondo, por una pared lateral inclinada 44, sensiblemente rectilínea e inclinada en la dirección de este tetón, juntándose con una superficie sensiblemente horizontal 46 de la cara superior del pistón.
El inyector de combustible es del tipo de ángulo reducido de abertura de los chorros a_{1} y se elige para que la pared del cilindro 10 no se humedezca jamás por el combustible en toda posición del pistón 12 comprendida entre +50º y +\alpha o entre -50º y -\alpha, donde \alpha representa el ángulo del cigüeñal para la fase de inyección elegida con relación al punto muerto superior (PMS), siendo este ángulo \alpha superior a 50º e inferior o igual a 180º.
Si CD designa el diámetro (en mm) del cilindro 10 y F la distancia (en mm) entre el punto de origen de los chorros de combustible y la posición del pistón que corresponde a un ángulo del cigüeñal de 50º, entonces el ángulo de abertura
{}\hskip17cm a_{1} (en grados) será inferior o igual a 2 arctan \frac{CD}{2F}.
Por ángulo de abertura, se entiende el ángulo en el vértice que forma el cono de expulsión del inyector 32 y cuya pared periférica ficticia pasa por todos los ejes de los chorros de combustible.
Una horquilla angular típica para el ángulo de abertura a_{1} es hasta de 120º y preferiblemente entre 40º y 100º.
Ventajosamente, el ángulo en el vértice del tetón se elige de manera tal que sea superior al ángulo de abertura a_{1} de los chorros de combustible en un valor que está entre 0º y 60º y el ángulo de inclinación de la pared lateral 44 del cuenco 34 es al menos igual a la mitad del ángulo de abertura a_{1}.
Como es ampliamente conocido, un motor semejante funciona según cuatro tiempos (o cuatro fases), una fase de admisión con un movimiento del pistón desde su punto muerto superior (PMS) de admisión hacia el punto muerto inferior (PMI) seguido de una fase de compresión con un movimiento del pistón desde el PMI hacia el punto muerto superior (PMS) de compresión, seguido de una fase de expansión (o de combustión) con un recorrido del pistón que va desde el PMS de compresión hacia el PMI y finalmente una fase de escape en el curso de la que el pistón va desde el PMI hacia el PMS de escape.
En funcionamiento, el calculador motor recibe las señales de diferentes captadores del motor y del vehículo, como especialmente la velocidad de giro o el par requerido por el conductor mediante el apoyo sobre el pedal del acelerador. En función de estas diferentes señales, este calculador determina, a partir de las cartografías que contiene en la memoria, el modo según el que debe funcionar este motor así como la cantidad total de combustible a inyectar en la cámara de combustión.
Así, en el caso de funcionamiento de este motor en el modo convencional, durante la fase de admisión, el pistón se encuentra en la proximidad del PMS de admisión y en un recorrido que va hacia su PMI como se ilustra por la flecha A en la figura 1. En esta configuración, la válvula de admisión 24 está en posición de abertura y el aire (sobrealimentado o no sobrealimentado) o una mezcla de aire y de gas de escape recirculado (EGR) se introduce en la cámara de combustión 16. El calculador motor manda al inyector 32 de manera que introduzca una primera cantidad determinada de combustible durante el comienzo de esta fase de admisión y preferiblemente durante una carrera del pistón que corresponde a un ángulo del cigüeñal que va desde 0º a 50º. Ventajosamente, la introducción de esta cantidad de combustible se subdivide en una multiplicidad de inyecciones sucesivas que pueden ser de cantidades iguales o diferentes además de que se reparten de manera regular o irregular durante la carrera del pistón que corresponde a la zona de desarrollo de 0º a 50º del ángulo del cigüeñal. De manera ventajosa, esta primera cantidad de combustible representa del 2 al 10% de la cantidad total de combustible inyectado.
Debido a esta inyección (o a estas inyecciones sucesivas) y a la proximidad del cuenco con relación al inyector, el combustible no solamente se desliza a lo largo de la pared 42 del tetón 36 sino también barre el volumen vacío del cuenco 34 asegurando así una mejor mezcla entre el aire presente en este cuenco y el combustible inyectado. Además, esta inyección (o estas inyecciones) permite introducir combustible en unas zonas de la cámara de combustión que son habitualmente difíciles de alcanzar, fundamentalmente durante la inyección de combustible en el PMS de compresión, como por ejemplo por encima del tetón. Gracias a esto se realiza una mejor utilización del aire contenido en la cámara y la riqueza de funcionamiento se puede aumentar así como la potencia del motor. Se ha de notar que el pistón permanece a una temperatura suficientemente elevada para participar en la evaporación del combustible, lo que minimiza entonces el riesgo de que el combustible en forma líquida se adhiera a las paredes del cuenco. Este riesgo es tanto más limitado porque el movimiento descendiente del pistón hasta su PMI se realiza de manera que se desprenda esta película líquida de combustible de las paredes del cuenco. Además, al inyectar simultáneamente el combustible con la admisión del aire, el combustible absorbe el calor contenido en este aire y la refrigeración del aire por este combustible permite aumentar el llenado de la cámara de combustión gracias a una admisión de una mayor cantidad de aire en el mismo volumen. Además, el combustible introducido y/o el aire así refrigerado está en contacto con las diferentes superficies del cuenco y especialmente con el tetón, lo que permite asegurar la refrigeración de estas superficies y limitar la aparición de puntos calientes sobre este tetón.
De ese modo, llegando a la posición en el PMI del pistón 12, la cámara de combustión 16 contiene una mezcla carburada más o menos homogénea pero de reducida riqueza debido a las reducidas cantidades de combustible inyectadas y se puede continuar con una inyección de otra cantidad de combustible como se ilustra en la figura 2.
En la posición ilustrada en esta figura, el motor está en fase de compresión, las válvulas de admisión 24 y de escape 30 están cerradas y el pistón 12 va desde su PMI hacia su PMS de compresión según la flecha C. Se introduce otra cantidad de combustible en la cámara de combustión por el inyector 32 y esto durante la fase de subida del pistón hacia su PMS. En general, para unos puntos de funcionamiento a plena carga y fuerte régimen (del orden de 4000 rpm), esta inyección se realiza cuando el pistón alcanza una posición próxima al PMS comprendida entre 20º y 40º del ángulo del cigüeñal y hasta justamente este PMS, de manera que las propiedades físico-químicas de la mezcla carburada sean tales que permitan la autoinflamación de esta mezcla carburada en la proximidad del PMS y durante la fase de expansión que sigue a esta fase de compresión. Como es conocido para el experto en la materia, esta posición del pistón para la inyección de combustible depende de numerosos parámetros, como la tasa de compresión del motor, la velocidad y la carga de este motor, la presión del aire en la admisión, la presión máxima admisible en el interior de los cilindros, la temperatura máxima de los gases de escape, ...
La primera cantidad de combustible introducida en la cámara de combustión va desde el 2% al 10% de la cantidad total de combustible introducida en esta cámara durante las fases de admisión y de compresión. De manera preferente, esta primera cantidad de combustible corresponde a alrededor del 5% de esta cantidad total.
La presente invención no se limita al ejemplo de realización descrito sino que engloba todos los equivalentes o variantes.

Claims (2)

1. Procedimiento para inyectar combustible en la cámara de combustión (16) de un cilindro de un motor de combustión interna de cuatro tiempos de inyección directa, especialmente del tipo diésel, que puede funcionar según un modo de combustión homogénea y según un modo de combustión convencional, caracterizado por que consiste, para el modo de combustión convencional del motor, en introducir en esta cámara, al comienzo de la fase de admisión, una primera cantidad de combustible para unas posiciones del pistón que corresponden de 0º a 50º del ángulo del cigüeñal en la proximidad del punto muerto superior del pistón y otra cantidad de combustible en la proximidad del punto muerto superior de este pistón al final de la fase de compresión y por que consiste en introducir, para la primera cantidad de combustible, entre el 2% y el 10% de la cantidad global de combustible introducida para las fases de admisión y de compresión.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que consiste en introducir la primera cantidad de combustible en al menos una inyección.
ES06291895T 2005-12-21 2006-12-07 Procedimiento de inyeccion de combustible para un motor de combustion interna, especialmente de inyeccion directa, que comprende un piston provisto de un cuenco con un teton. Active ES2347459T3 (es)

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