ES2838675T3 - Solenoide dosificador de dos etapas para atomizador de combustible multifísico - Google Patents

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Abstract

Un sistema de dosificación para un atomizador de combustible que comprende: un alojamiento (12) que tiene una cámara de mezclado (51); un primer miembro de dosificación (18) colocado dentro del alojamiento (12) y que se puede hacer funcionar para controlar el flujo de oxidante a la cámara de mezclado (51); un segundo miembro de dosificación (14) colocado dentro del alojamiento (12) y que se dispone coaxialmente con, y que se extiende a través de, el primer miembro de dosificación (18), pudiéndose el segundo miembro de dosificación (14) hacer funcionar para controlar el flujo de combustible a la cámara de mezclado (51), estando el primer miembro de dosificación (18) configurado para moverse de una posición cerrada a una posición abierta antes de que el segundo miembro de dosificación (14) se mueva de una posición cerrada a una posición abierta; un miembro de empuje (16) interpuesto entre el primer y el segundo miembro de dosificación (18), (14); y un único solenoide (22) configurado para controlar el movimiento tanto del primer miembro de dosificación (18) como del segundo miembro de dosificación (14), caracterizado por que: una pluralidad de canales de flujo (58) se extienden del primer miembro de dosificación (18) a la cámara de mezclado (51), estando los canales de flujo (58) dispuestos para crear un efecto de remolino de oxidante dentro de la cámara de mezclado (51); y mover el primer miembro de dosificación (18) de la posición cerrada a la posición abierta libera el miembro de empuje (16) para permitir que el segundo miembro de dosificación (14) se mueva de una posición cerrada a una posición abierta, determinando una constante elástica del miembro de empuje (16) una cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación (18) está abierto antes de que se abra el segundo miembro de dosificación (14) y una cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación (18) está abierto después de que se cierre el segundo miembro de dosificación (14).

Description

DESCRIPCIÓN
Solenoide dosificador de dos etapas para atomizador de combustible multifísico
Sector de la técnica
La presente divulgación está dirigida a sistemas de combustible y, más particularmente, a la dosificación de sistemas de suministro de combustible que usan múltiples etapas para mejorar la evaporación del combustible.
Estado de la técnica
Se han desarrollado muchos tipos de dispositivos a lo largo de los años con el propósito de convertir los líquidos en aerosoles o partículas finas que se convierten fácilmente en una fase gaseosa. Muchos de estos dispositivos se han desarrollado, por ejemplo, para preparar combustible para su uso en motores de combustión interna. Para optimizar la oxidación del combustible dentro de una cámara de combustión del motor, el combustible debe vaporizarse, homogeneizarse con aire y en una mezcla de fase gaseosa químicamente estequiométrica. La atomización y la vaporización ideales del combustible permiten una combustión más completa y la consecuente menor contaminación del motor.
Más específicamente, con relación a los motores de combustión interna, la estequiometría es una condición en la cual la cantidad de oxígeno requerida para quemar completamente una determinada cantidad de combustible se suministra en una mezcla homogénea, lo que da como resultado una combustión óptimamente correcta sin que queden residuos de una oxidación incompleta o ineficiente. Idealmente, el combustible debe vaporizarse por completo, entremezclarse con aire y homogeneizarse antes de la ignición para una oxidación apropiada. Las gotas de combustible no vaporizadas no se encienden ni se combustionan por completo en los motores de combustión interna y externa convencionales, lo que degrada la eficiencia del combustible y aumenta la contaminación del motor.
Los intentos por reducir o controlar la emisión de subproductos mediante el ajuste de la temperatura y la presión típicamente afectan al subproducto de los NOx . Para cumplir con los estándares de emisión, estos residuos deben tratarse: típicamente requieren un tratamiento posterior en un convertidor catalítico o un depurador. Tal tratamiento de estos residuos da como resultado costes de combustible adicionales para hacer funcionar el convertidor catalítico o depurador y puede requerir costes de componentes adicionales, así como también implicaciones de empaque y masa. En consecuencia, cualquier reducción de los residuos del motor que resultan de una combustión incompleta sería beneficiosa económica y ambientalmente.
Aparte de los problemas expuestos anteriormente, un combustible que no se vaporiza completamente en una mezcla de aire/combustible químicamente estequiométrica hace que el motor de combustión funcione con una eficiencia menor que la eficiencia máxima. Una porción más pequeña de la energía química del combustible se convierte en energía mecánica cuando el combustible no se combustiona por completo. Se desperdicia energía de combustible y se crea una contaminación innecesaria. Por lo tanto, al descomponer aún más y vaporizar más completamente la mezcla de aire-combustible, puede estar disponible una mejor eficiencia del combustible.
Se han realizado muchos intentos para aliviar los problemas descritos anteriormente con respecto a la vaporización del combustible y la combustión del combustible incompleta. En los motores de automóvil, por ejemplo, el puerto de entrada o la inyección directa de combustible han reemplazado casi universalmente a la carburación para el suministro de combustible. Los inyectores de combustible pulverizan combustible directamente en el puerto de entrada o el cilindro del motor y se controlan electrónicamente. Los inyectores facilitan una dosificación y control más precisos de la cantidad de combustible suministrado a cada cilindro independientemente con relación a la carburación. Esto reduce o elimina el tiempo de transporte de carga, lo que facilita un funcionamiento transitorio óptimo. Sin embargo, el tamaño de las gotas de un pulverizador inyector de combustible no es óptimo y hay poco tiempo para que el combustible se mezcle con el aire antes de la ignición.
El documento US 5,526,796 se refiere a inyectores de combustible y divulga un sistema de dosificación de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1 adjunta.
El documento US 2011/284652 se refiere a un atomizador de combustible y se hace referencia a él en el presente documento más abajo en la presente solicitud. Los documentos US 2005/0092306 y US 2002/0070295 se refieren cada uno a inyectores de combustible para motores de combustión interna.
Objeto de la invención
De acuerdo con la presente invención, se proporciona un sistema de dosificación para un atomizador de combustible como se define en la reivindicación 1 independiente adjunta. De acuerdo con la presente invención, se proporciona también un método para controlar el flujo en un atomizador de combustible como se define en la reivindicación 3 independiente adjunta. Las realizaciones de la presente invención descritas en el presente documento pueden abordar algunas de las deficiencias descritas anteriormente y otras.
Un sistema de dosificación para un atomizador de combustible incluye un alojamiento, un primer y un segundo miembro de dosificación y un único solenoide. El alojamiento incluye una cámara de mezclado. El primer miembro de dosificación se puede hacer funcionar para controlar el flujo de oxidante a la cámara de mezclado. El segundo miembro de dosificación está dispuesto coaxial al primer miembro de dosificación y se puede hacer funcionar para controlar el flujo de combustible a la cámara de mezclado. El único solenoide se configura para controlar el movimiento de tanto el primer como el segundo miembro de dosificación.
El único solenoide hace funcionar el primer miembro de dosificación, y el funcionamiento del primer miembro de dosificación hace funcionar el segundo miembro de dosificación. El primer miembro de dosificación se mueve de una posición cerrada a una posición abierta antes de que el segundo miembro de dosificación se mueva de una posición cerrada a una posición abierta. El segundo miembro de dosificación se mueve de la posición abierta a la posición cerrada antes de que el primer miembro de dosificación se mueva de la posición abierta a la posición cerrada.
El sistema de dosificación incluye un miembro de empuje interpuesto entre el primer y el segundo miembro de dosificación, en donde, al mover el primer miembro de dosificación de una posición cerrada a una posición abierta, se libera el miembro de empuje para permitir que el segundo miembro de dosificación se mueva de una posición cerrada a una posición abierta. El segundo miembro de dosificación se extiende a través del primer miembro de dosificación. Una constante elástica del miembro de empuje determina la cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación está abierto antes de que se abra el segundo miembro de dosificación y la cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación está abierto después de que se cierra el segundo miembro de dosificación. El primer miembro de dosificación puede comunicarse con un asiento de oxidante para controlar el flujo de oxidante, y el segundo miembro de dosificación puede comunicarse con un asiento de combustible para controlar el flujo de combustible, en donde el asiento de oxidante se coloca radialmente hacia fuera del asiento de combustible.
Un método para controlar el flujo en un atomizador de combustible incluye proporcionar un alojamiento y un primer y un segundo miembro de dosificación, en donde el alojamiento incluye una cámara de mezclado y el segundo miembro de dosificación se coloca coaxialmente con el primer miembro de dosificación. El método incluye abrir el primer miembro de dosificación para permitir que el oxidante fluya hacia la cámara de mezclado, abrir el segundo miembro de dosificación después de abrir el primer miembro de dosificación para permitir que el combustible fluya hacia la cámara de mezclado, cerrar el segundo miembro de dosificación para detener el flujo de combustible hacia la cámara de mezclado y cerrar el primer miembro de dosificación después de que el segundo miembro de dosificación esté cerrado para detener el flujo de oxidante hacia la cámara de mezclado.
Cerrar el segundo miembro de dosificación incluye aplicar una fuerza axial al segundo miembro de dosificación tras mover el primer miembro de dosificación hacia una posición cerrada. El método incluye proporcionar un único solenoide y el funcionamiento del único solenoide abre y cierra el primer y el segundo miembro de dosificación en secuencia. El método incluye proporcionar un miembro de empuje, en donde la activación del solenoide abre el primer y el segundo miembro de dosificación contra las fuerzas de empuje del miembro de empuje, y la desactivación del solenoide permite que las fuerzas de empuje del miembro de empuje cierren el primer y el segundo miembro de dosificación.
Descripción de las figuras
Los dibujos adjuntos ilustran ciertas realizaciones que se exponen más abajo y que son parte de la memoria descriptiva.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un dispositivo de suministro de combustible de ejemplo de conformidad con la presente divulgación.
La figura 2 es otra vista en perspectiva del dispositivo de suministro de combustible de la figura 1.
La figura 3 es una vista lateral del dispositivo de suministro de combustible de la figura 1.
La figura 4 es una vista frontal del dispositivo de suministro de combustible de la figura 1.
La figura 5 es una vista en perspectiva despiezada del dispositivo de suministro de combustible de la figura 1.
Las figuras 6A-6E son vistas en sección transversal del dispositivo de suministro de combustible de la figura 4 tomadas a lo largo de los indicadores de sección transversal 6-6 que muestran diferentes fases de funcionamiento. La figura 7 es una vista en perspectiva de un dispositivo de suministro de combustible no de acuerdo con la presente invención.
La figura 8 es otra vista en perspectiva del dispositivo de suministro de combustible de la figura 7.
La figura 9 es una vista lateral del dispositivo de suministro de combustible de la figura 7.
La figura 10 es una vista frontal del dispositivo de suministro de combustible de la figura 7.
La figura 11 es una vista en perspectiva despiezada del dispositivo de suministro de combustible de la figura 7. Las figuras 12A-12E son vistas en sección transversal del dispositivo de suministro de combustible de la figura 10 tomadas a lo largo de los indicadores de sección transversal 12-12 que muestran diferentes fases de funcionamiento.
A lo largo de los dibujos, los caracteres de referencia y las descripciones idénticos indican elementos similares, pero no necesariamente idénticos.
Descripción detallada de la invención
A continuación, se describe una realización ilustrativa.
La presente descripción se dirige generalmente a un dispositivo de suministro de fluidos dual (por ejemplo, un inyector). Los fluidos gestionados por el dispositivo de suministro de fluidos dual pueden incluir combustible, oxidante o su combinación. El inyector de fluidos dual incluye una pluralidad de miembros de dosificación, en donde cada miembro de dosificación controla el flujo de un fluido a través del dispositivo de suministro. Los miembros de dosificación están dispuestos coaxialmente. La disposición coaxial del miembro de dosificación puede ayudar a reducir el tamaño del inyector. La disposición coaxial también puede promover diseños mecánicos simplificados en donde, por ejemplo, mover un miembro de dosificación proporciona el movimiento de un segundo miembro de dosificación simultáneamente o en secuencia.
Un inyector de fluidos dual integrado presenta un desafío inusual para el empaque de dos sistemas de dosificación en uno. Las eficiencias eléctricas y mecánicas pueden ser clave para la integración e implementación en un motor de combustión interna (IC). La reducción del tamaño del empaque puede ser un objetivo de diseño cuando se desea que la ubicación del evento de dosificación e inyección esté lo más cerca posible de la combustión en el motor de IC. Los dispositivos de suministro de fluidos duales divulgados en el presente documento se hacen funcionar mediante el uso de un único solenoide eléctrico para controlar dos eventos de dosificación. La dosificación de dos fluidos se realiza de manera secuencial. Un ejemplo no de acuerdo con la presente invención incluye una pluralidad de solenoides en donde se usa un solenoide separado para controlar cada uno de los eventos de dosificación individualmente.
La sincronización de apertura y cierre para los dos elementos de dosificación puede establecerse con una interfaz mecánica fija que se preprograma mediante la carga de resorte del elemento de dosificación que se acciona directamente mediante el solenoide eléctrico. El segundo elemento de dosificación se puede accionar completamente después de que se libera la presión del resorte del primer elemento y la presión del fluido alrededor del segundo elemento aparta el segundo elemento de dosificación de su superficie de sellado.
En una disposición, el dispositivo de dosificación de fluidos dual distribuye los fluidos en canales separados. Un canal puede alojar un componente de fluido líquido que se suministra al dispositivo aguas arriba de una cámara de mezclado. La cámara de mezclado puede incluir elementos de un atomizador multifísico, como los divulgados en la publicación de patente de Estados Unidos n.° 2011/0284652. El dispositivo de dosificación de fluidos dual incluye una bobina de solenoide que controla el flujo del componente de fluido líquido. Puede suministrarse un componente gaseoso a la cámara de mezclado del dispositivo mediante la comunicación con un canal de suministro gaseoso en, por ejemplo, un colector, riel, colector de admisión o culata del cilindro del dispositivo.
Si bien los dos fluidos a los que se hace referencia principalmente en el presente documento para su uso con un dispositivo de dosificación de fluidos dual son líquidos y gaseosos, puede haber otras combinaciones de fluidos gestionados por el dispositivo. Por ejemplo, también se puede usar una combinación gaseosa-gaseosa o una combinación líquido-líquido. Las combinaciones pueden cambiar con los modos de funcionamiento, mientras que un fluido puede cambiarse de un tipo de fluido a otro en dependencia de las demandas del motor u otros parámetros como, por ejemplo, la altitud y la temperatura. Cada aplicación puede determinar los requerimientos de fluido óptimos.
En la aplicación de una boquilla de pulverización de fluidos dual, se liberan dos fluidos en una cámara de reacción donde interactúan entre sí y con los elementos físicos de la boquilla para mezclar y dividir los fluidos en partículas más pequeñas. Una sincronización mecánica fija como se presenta en el presente documento puede ser particularmente útil para mezclar y suministrar los fluidos.
Ahora se describe una secuencia de accionamiento del solenoide dosificador de dos etapas de ejemplo con referencia a un dispositivo de dosificación de dos etapas que incluye un único solenoide que actúa directamente sobre solo uno del primer y el segundo elemento de dosificación. El dispositivo de dosificación de dos etapas comienza con el primer y el segundo elemento de dosificación en una posición cerrada que evita el flujo del primer y el segundo fluido. Se aplica corriente al solenoide para elevar un primer elemento de dosificación de su superficie de sellado, lo que permite que un primer fluido fluya hacia una cámara de mezclado. Mover el primer elemento de dosificación reduce la tensión en un miembro de empuje que está aplicando una fuerza de empuje al segundo elemento de dosificación. A medida que se libera la tensión en el segundo elemento de dosificación, el segundo elemento de dosificación se eleva de su superficie de sellado para liberar el segundo fluido hacia la cámara de mezclado. Los fluidos mezclados salen del dispositivo de suministro.
Al final del evento de dosificación se detiene la corriente eléctrica al solenoide. Un segundo miembro de empuje, el cual se comprime cuando el primer elemento de dosificación se mueve fuera de su superficie de sellado, aplica una fuerza de empuje para devolver el primer elemento de dosificación hacia su superficie de sellado. A medida que el primer elemento de dosificación comienza a moverse, aumenta la tensión en el primer resorte para aplicar una fuerza de empuje que mueve el segundo elemento de dosificación para entrar en contacto con su superficie de sellado para detener el flujo del segundo fluido. El primer fluido continúa fluyendo hasta que el segundo elemento de dosificación se asienta. El primer elemento de dosificación entonces contacta con su superficie de sellado para detener el flujo del primer fluido.
En teoría, aunque fuera del alcance de la presente invención, el resorte que aplica una fuerza de empuje sobre el segundo elemento de dosificación podría aumentarse, por ejemplo, con un anillo de elevación de recorrido mecánico y un tope que se comunica directamente con el primer elemento de dosificación. Este acoplamiento entre el primer y el segundo elemento de dosificación puede elevar físicamente el segundo elemento de dosificación de su asiento en junto con el accionamiento del primer elemento de dosificación, de esta manera se eliminan las posibles variaciones de flujo producidas por la dependencia del segundo elemento de dosificación que se eleva solo por la presión del fluido y otras fuerzas, donde las desviaciones en la presión y el flujo pueden afectar la repetibilidad de la dosificación.
Hay algunas aplicaciones de motor que no requieren una precisión excepcional en el control del suministro de combustible y oxidante en el dispositivo de suministro de combustible. Algunas aplicaciones puede que no justifiquen los controles relativamente complejos y costosos necesarios para un control más preciso de los fluidos (por ejemplo, oxidante gaseoso y combustible líquido). En tales situaciones, se puede usar un sistema de baja complejidad de un único solenoide. En un ejemplo, una única señal controlada a un único solenoide comienza la apertura del dispositivo. Uno o más elementos mecánicos pueden aliviar la presión que permite que se abra primero el flujo de aire y luego el flujo de combustible, seguido por el flujo de aire que comienza a cerrarse, lo que hace que el flujo de combustible se cierre luego del cierre del flujo de aire. El diseño simple del dispositivo de suministro de combustible y el sistema de control menos complejo asociado pueden resultar en un tamaño de empaque más pequeño y costes reducidos. Estas ventajas pueden hacer posible proporcionar el dispositivo de suministro de combustible en motores que no incluyen un sistema de control complejo existente. Algunas aplicaciones de ejemplo incluyen motores pequeños y motores de grupos electrógenos como generadores, implementos de jardín, tractores de jardín, cortadoras de césped, etc. En este tipo de aplicaciones, los requerimientos de emisiones son cada vez más estrictos. Las ventajas fundamentales de los dispositivos de suministro de combustible divulgados en el presente documento pueden lograrse sin requerir el tamaño, la complejidad y el coste de otros tipos de sistemas.
Con referencia ahora a las figuras 1-6E, se muestra y describe un dispositivo de suministro de combustible 10 de ejemplo. El dispositivo de suministro de combustible 10 también puede denominarse dispositivo de dosificación de fluidos dual, inyector de fluidos dual, inyector de combustible coaxial o dispositivo de suministro de fluidos dual.
El dispositivo de suministro de combustible 10 incluye un conjunto de alojamiento 12, un émbolo de combustible 14, un resorte de combustible 16, un émbolo de aire 18, un resorte de aire 20, un solenoide 22, un portador de émbolo 24 y un filtro de combustible 26 (ver las figuras 5 y 6A-6E). El dispositivo de suministro de combustible 10 se puede hacer funcionar mediante el uso de un único solenoide, cuyo accionamiento controla el movimiento tanto del émbolo de combustible 14 como del émbolo de aire 18. Otros ejemplos fuera del alcance de la presente invención, tales como el dispositivo de suministro de combustible 200 descrito más abajo con referencia a las figuras 7-12E, incluyen al menos dos solenoides que se activan por separado para controlar el movimiento del émbolo de combustible y el émbolo de aire.
Con referencia nuevamente a la figura 3, el conjunto de alojamiento 12 incluye una punta de suministro 30, un alojamiento de mezcla inferior 32, un alojamiento de mezcla superior 34, un alojamiento interior de combustible 36, un alojamiento de aire 38, un alojamiento del solenoide 40 y un alojamiento de cubierta 42. El conjunto de alojamiento 12 también puede incluir primera, segunda, tercera y cuarta junta tórica 44, 46, 48, 50. El conjunto de alojamiento 12 define al menos en parte al menos una cavidad que aloja otros elementos del dispositivo de suministro de combustible 10 tales como, por ejemplo, el émbolo de combustible 14, el émbolo de aire 18, el solenoide 22 y elementos de funcionamiento asociados. El conjunto de alojamiento 12 puede configurarse para tener un tamaño reducido para permitir el posicionamiento del dispositivo de suministro de combustible 10 lo más cerca posible del evento de combustión en el motor. La disposición coaxial del émbolo de combustible 14 y el émbolo de aire 18 dentro del conjunto de alojamiento 12 puede ayudar a reducir el tamaño (por ejemplo, diámetro y longitud máximos) del conjunto de alojamiento 12.
La punta de suministro 30 puede incluir una cámara de mezclado 51. El alojamiento de mezcla superior 32 puede incluir un asiento de sellado de combustible 52, una abertura de combustible 54, una cavidad de combustible 56, una pluralidad de canales de aire 58, un asiento de sellado de aire 60 y una abertura de aire 62. El asiento de sellado de combustible 52 proporciona una superficie contra la cual el émbolo de combustible 14 entra en contacto para controlar la apertura y el cierre de la abertura de combustible 54. La cavidad de combustible 56 contiene un volumen de combustible que se mantiene a una presión de combustible sustancialmente constante. El volumen de combustible se suministra a través del filtro de combustible 26 y un canal central del portador de émbolo 24 y hacia el canal de combustible axial 92 y al canal de combustible lateral 94.
El asiento de sellado de aire 60 proporciona una superficie contra la cual el émbolo de aire 18 entra en contacto para controlar la apertura y el cierre del acceso a la abertura de aire 62. La abertura de aire 62 está en comunicación fluida con los canales de aire 58 que suministran un oxidante (por ejemplo, aire) en la cámara de mezclado para mezclarlo con el combustible suministrado a través de la abertura de combustible 54. Los canales de aire 58 pueden estar separados circunferencialmente. Los canales de aire 58 están dispuestos en al menos uno de un ángulo tangencial y un ángulo radialmente hacia dentro con relación a un eje longitudinal del dispositivo para proporcionar un efecto de remolino dentro de la cámara de mezclado 51 a medida que se suministra aire a través de los canales de aire 58 a la cámara de mezclado 51.
El alojamiento interior de combustible 36 puede incluir un asiento de émbolo 70 dimensionado para recibir el émbolo de combustible 14. El alojamiento interior de combustible 36 puede asentarse dentro del alojamiento de mezcla superior 34. El alojamiento interior de combustible 36 puede extenderse hacia un asiento del alojamiento de combustible 102 del émbolo de aire 18 como se muestra en la figura 6A. Una porción del resorte de combustible 16 también puede extenderse hacia el asiento de émbolo 70.
El alojamiento de aire 38 incluye una cavidad de aire 72 y una pluralidad de entradas de aire 74 en comunicación fluida con la cavidad de aire 72. El aire se mantiene típicamente a una presión constante dentro de la cavidad de aire 72.
El alojamiento del solenoide 40 incluye un asiento de solenoide 76, un asiento de conector 78 y un asiento de resorte de aire 80. El asiento de solenoide 76 está dimensionado para recibir el solenoide 22. El asiento de conector 78 recibe un conector electrónico que proporciona comunicación electrónica con el solenoide 22. El asiento de resorte de aire 80 puede dimensionarse para alojar el resorte de aire 20 como se muestra en la figura 6A. Un extremo proximal del resorte de aire 20 entra en contacto con una superficie proximal del asiento de resorte de aire 80. Una superficie distal del resorte de aire 20 se apoya contra la superficie proximal 108 del émbolo de aire 18.
El resorte de combustible 16 tiene una superficie proximal que se apoya contra una superficie proximal del asiento de resorte de combustible 106 del émbolo de aire 18. Una superficie distal del resorte de combustible 16 se apoya en una superficie proximal del asiento de resorte 96 del émbolo de combustible 14. El resorte de combustible 16 puede montarse en el vástago 98 del émbolo de combustible 14.
El alojamiento de cubierta 42 incluye un orificio 82 que recibe el filtro de combustible 26 y una porción proximal del portador de émbolo 24. El portador de émbolo 24 también se extiende distalmente a través del alojamiento del solenoide 40 y hacia una porción proximal del émbolo de aire 18 donde el vástago 98 del émbolo de combustible 14 se recibe dentro del portador de émbolo 24.
La primera y la segunda junta tórica 44, 46 proporcionan un sello hermético a los fluidos en los lados opuestos de las entradas de aire 74 en el alojamiento de aire 38. La tercera junta tórica 48 proporciona un sello hermético a los fluidos con la cavidad de combustible 56. La cuarta junta tórica 50 proporciona un sello hermético a los fluidos alrededor de la entrada de combustible en el dispositivo de suministro de combustible 10 a través, por ejemplo, del filtro de combustible 26.
Las figuras 6A-6E ilustran el funcionamiento del dispositivo de suministro de fluido 10 para una secuencia de suministro de combustible, la cual típicamente se asocia con un ciclo de combustión de un motor de IC. La figura 6A muestra el dispositivo de suministro de combustible 10 en un estado cerrado con el émbolo de combustible 14 en una posición cerrada y el émbolo de aire 18 en una posición cerrada. En la disposición de la figura 6A se impide que el combustible y el aire se muevan hacia la cámara de mezclado 51. Se evita que un volumen de combustible mantenido en la cavidad de combustible 56 se mueva hacia la cámara de mezclado 51 mediante la interfaz sellada entre la superficie de sellado distal 90 del émbolo de combustible 14 y el asiento de sellado de combustible 52 del alojamiento de mezcla superior 34. Se evita que un volumen de aire retenido en la cavidad de aire 72 se mueva hacia la cámara de mezclado 51 mediante una interfaz sellada entre la superficie de sellado distal 100 del émbolo de aire 18 y el asiento de sellado de aire 60 del alojamiento de mezcla superior 34. El resorte de combustible 16 aplica una fuerza de empuje al émbolo de combustible 14 que mantiene el émbolo de combustible 14 en la posición sellada avanzada que se muestra en la figura 6A. El resorte de aire 20 aplica una fuerza de empuje al émbolo de aire 18 que mantiene al émbolo de aire 18 en la posición sellada avanzada mostrada en la figura 6A.
Una secuencia de suministro de combustible se inicia al activar el solenoide 22. La activación del solenoide 22 crea un campo magnético dentro del orificio 110. El campo magnético actúa sobre el émbolo de aire 18 para mover el émbolo de aire 18 axialmente en una dirección hacia atrás hacia el campo magnético.
El émbolo de aire 18 se mueve hacia atrás contra las fuerzas de empuje del resorte de aire 20. El émbolo de aire 18 se mueve una distancia determinada al menos en parte mediante al menos una de una constante elástica del resorte de aire 20, una longitud mínima del resorte de aire 20 cuando está completamente comprimido y la fuerza del campo magnético generado por el solenoide 22. En al menos un ejemplo, el émbolo de aire 18 se mueve hacia atrás una distancia suficiente para comprimir completamente el resorte de aire 20, en donde la longitud del resorte de aire 20 en su estado completamente comprimido determina una distancia máxima de recorrido para el émbolo de aire 18. La figura 6B muestra el émbolo de aire 18 movido hacia atrás para comprimir al menos parcialmente el resorte de aire 20. El movimiento hacia atrás del émbolo de aire 18 aleja la superficie de sellado distal 100 del asiento de sellado de aire 60 para abrir la abertura de aire 62. El aire retenido dentro de la cavidad de aire 72 viaja a través de la abertura de aire 62 hacia los canales de aire 58 y hacia la cámara de mezclado 51. Como se expuso anteriormente, los canales de aire 58 están dispuestos para crear un efecto de remolino del aire dentro de la cámara de mezclado 51. El aire en la cámara de mezclado 51 sale del dispositivo de suministro a través de la punta de suministro 30.
Mover el émbolo de aire 18 hacia atrás también reduce la tensión en el resorte de combustible 16 como se muestra en la figura 6B. La reducción de la tensión en el resorte de combustible 16 alivia la fuerza de empuje que se aplica al émbolo de combustible 14 que mantiene la superficie de sellado distal 90 del émbolo de combustible 14 en contacto con el asiento de sellado de combustible 52. Después de una cierta distancia recorrida por el émbolo de aire 18 en una dirección hacia atrás, la tensión en el resorte de combustible 16 se reduce lo suficiente para permitir que el émbolo de combustible 14 también se mueva hacia atrás como se muestra en la figura 6C. El movimiento hacia atrás del émbolo de combustible 14 retira la superficie de sellado distal 90 del contacto con el asiento de sellado de combustible 52 para abrir la abertura de combustible 54. Entonces, el combustible puede fluir a través de la abertura de combustible 54 hacia la cámara de mezclado 51 donde el combustible se mezcla con el aire, como se expuso anteriormente. Se suministra una mezcla de aire y combustible a través de la punta de suministro 30 a una cámara de combustión (no mostrada) donde se combustiona la mezcla de combustible y aire en el motor de IC.
Con referencia ahora a la figura 6D, la secuencia de abastecimiento de combustible continúa mediante la desactivación del solenoide 22. La desactivación del solenoide 22 puede incluir eliminar la carga eléctrica al solenoide 22, lo que elimina el campo magnético. Con el campo magnético eliminado, el émbolo de aire 18 comienza a moverse hacia adelante contra las fuerzas de empuje aplicadas por el resorte de aire 20. A medida que el émbolo de aire 18 comienza a moverse hacia adelante, se acumula tensión en el resorte de combustible 16 que aplica una fuerza de empuje que mueve el émbolo de combustible 14 en una dirección hacia adelante para poner en contacto la superficie de sellado distal 90 contra el asiento de sellado de combustible 52 para cerrar la abertura de combustible 54. El resorte de aire 20 continúa actuando sobre el émbolo de aire 18 para mover el émbolo de aire 18 hacia adelante hasta que la superficie de sellado distal 100 entra en contacto con el asiento de sellado de aire 60 para cerrar la abertura de aire 62. La figura 6E muestra el émbolo de combustible 14 y el émbolo de aire 18 en posiciones cerradas, lo cual completa la secuencia de suministro de combustible.
El retraso entre el cierre de la abertura de combustible 54 y el cierre de la abertura de aire 62 proporciona un flujo de aire a través de la cámara de mezclado 51 que elimina sustancialmente cualquier combustible de la punta de suministro 30 antes de que se corte el aire. Limpiar la punta de suministro 30 y la cámara de mezclado 51 asociada puede ayudar a proporcionar un tamaño de partícula de combustible más constante emitido desde el dispositivo de suministro de combustible 10 y ayudar a eliminar la acumulación de combustible dentro de la punta de suministro 30 que puede afectar el desempeño constante del dispositivo de suministro de combustible 10 a través de múltiples secuencias de suministro de combustible.
Las figuras 7-12E muestran un ejemplo fuera del alcance de la presente invención de un dispositivo de suministro de combustible 200. El dispositivo de suministro de combustible 200 incluye solenoides separados para proporcionar un control independiente del combustible y aire entregados a la cámara de mezclado del dispositivo de suministro de combustible. Con referencia a las figuras 7-11, el dispositivo de suministro de combustible 200 incluye un conjunto de alojamiento 212 (ver figuras 7-8), un émbolo de combustible 214, un resorte de combustible 216, un émbolo de aire 218, un resorte de aire 220, un primer solenoide 222, un filtro de combustible 226 y un segundo solenoide 228 (ver figura 11). El primer solenoide 222 funciona con el resorte de aire 220 para mover el émbolo de aire 218 entre las posiciones abierta y cerrada. El segundo solenoide 228 funciona con el resorte de combustible 216 para mover el émbolo de combustible 214 entre las posiciones abierta y cerrada. El primer solenoide 222 incluye un orificio 310 dentro del cual se extiende al menos el émbolo 218. El segundo solenoide 228 incluye un orificio 312 dentro del cual se extiende al menos el émbolo de combustible 214. El filtro de combustible 226 incluye una superficie distal 314 contra la cual entra en contacto una superficie proximal del resorte de aire 220, como se describirá con más detalle más abajo.
El conjunto de alojamiento 212 se describe con referencia a las figuras 11 y 12A. El conjunto de alojamiento 212 incluye una punta de suministro 230, un alojamiento de mezcla inferior 232, un alojamiento de mezcla superior 234, un alojamiento interior de combustible 236, un alojamiento de aire 238, un alojamiento del solenoide 240 y un alojamiento de cubierta 242. El conjunto de alojamiento 212 también incluye primera, segunda y tercera junta tórica 244, 246, 248.
La punta de suministro 230 incluye una cámara de mezclado 251. El alojamiento de mezcla superior 234 incluye una abertura de combustible 254, una pluralidad de canales de aire 258, un asiento de sellado de aire 260 y una abertura de aire 262. El alojamiento interior de combustible 236 incluye un asiento de émbolo 270 y una abertura de combustible 271. El alojamiento de aire 238 incluye una cavidad de aire 272 y una pluralidad de entradas de aire 274. El alojamiento del solenoide 240 incluye un primer asiento de solenoide 276, un asiento de conector 278, un asiento de resorte de aire 280 y un segundo asiento de solenoide 281. El alojamiento de cubierta 242 incluye un orificio 282 dimensionado para recibir el filtro de combustible 226.
El émbolo de combustible 214 incluye una superficie de sellado distal 290, un canal de combustible axial 292, un canal de combustible lateral 294 y un asiento de resorte 296. El émbolo de aire 218 incluye una superficie de sellado distal 300, un orificio del émbolo 304 y una superficie proximal 308.
La superficie de sellado distal 290 del émbolo de combustible 214 está dispuesta para entrar en contacto con el asiento de émbolo 270 del alojamiento interior de combustible 236 y para controlar el flujo de fluido desde una cavidad de combustible 256 dentro del alojamiento interior de combustible 236 hacia la cámara de mezclado 251. La superficie de sellado distal 300 del émbolo de aire 218 está dispuesta para entrar en contacto con el asiento de sellado de aire 260 del alojamiento de mezcla superior 234 para controlar el flujo de aire desde la cavidad de aire 272 hacia la cámara de mezclado 251 similar a la disposición de las figuras 1-6E. El alojamiento interior de combustible 236 y el émbolo de combustible 214 se mueven en una dirección axial independiente del movimiento axial del émbolo de aire 218. Este movimiento independiente puede hacer posible mover el émbolo de combustible 214 y el émbolo de aire 218 en cualquier secuencia deseada para controlar el flujo de aire y combustible hacia la cámara de mezclado 251. Además, el control independiente proporcionado por la realización de las figuras 7-12E puede facilitar el control de los retrasos entre la apertura y el cierre del émbolo de combustible 214 y el émbolo de aire 18 en comparación con el dispositivo de suministro de combustible 10. El émbolo de aire 18 del dispositivo de suministro de combustible 10 puede requerir el intercambio de los resortes de aire y de combustible o cambiar las presiones de aire y combustible para cambiar el retraso entre la apertura y el cierre de cada uno de los émbolos de aire y de combustible.
Con referencia ahora a las figuras 12A-12E, se describe una secuencia de suministro de combustible o un evento de abastecimiento de combustible de ejemplo. La figura 12A muestra el émbolo de combustible 214 y el émbolo de aire 218 en posiciones cerradas. El resorte de combustible 216 aplica una fuerza de empuje al émbolo de combustible 214 que mantiene la superficie de sellado distal 290 contra el asiento de émbolo 270 para evitar el flujo de fluido hacia la cámara de mezclado 251. El resorte de aire 220 aplica una fuerza de empuje al émbolo de aire 218 que mantiene la superficie de sellado distal 300 contra el asiento de sellado de aire 260 para evitar el flujo de aire hacia la cámara de mezclado 251.
La secuencia de abastecimiento de combustible se inicia mediante la activación del primer solenoide 222, el cual genera un campo magnético que empuja el émbolo de aire 218 hacia atrás contra las fuerzas de empuje del resorte de aire 220 para alejar la superficie de sellado distal 300 del asiento de sellado de aire 260. El aire de la cavidad de aire 272 viaja a través de los canales de aire 258 hacia la cámara de mezclado 251 y hacia fuera de la punta de suministro 230. El resorte de aire 220 se comprime al menos parcialmente cuando el émbolo de aire 218 se retrae a la posición mostrada en la figura 12B.
Una etapa adicional en la secuencia de abastecimiento de combustible puede incluir activar el segundo solenoide 228, el cual crea un campo magnético que atrae el émbolo de combustible 214 axialmente en una dirección hacia atrás contra las fuerzas de empuje del resorte de combustible 216. Hacer retroceder el émbolo de combustible 214 como se muestra en la figura 12C aleja la superficie de sellado distal 290 del asiento de émbolo 270 para permitir que el combustible fluya desde la cavidad de combustible 256, a través de la abertura de combustible 271 y la abertura de combustible 254, y hacia la cámara de mezclado 251 para mezclarse con el flujo de aire. El combustible y el aire se mezclan dentro de la cámara de mezclado 251 y se entregan fuera de la punta de suministro 230 para la combustión dentro de una cámara de combustión del motor de IC.
Entonces, el segundo solenoide 228 se desactiva para eliminar el campo magnético que actúa sobre el émbolo de combustible 214. Con el campo magnético eliminado, el resorte de combustible 216 aplica su fuerza de empuje al émbolo de combustible 214 para comenzar a hacer avanzar la superficie de sellado distal 290 hacia el contacto con el asiento de émbolo 270 para detener el flujo de combustible hacia la cámara de mezclado 241, como se muestra en la figura 12D.
El flujo de aire se detiene mediante la desactivación del primer solenoide 222, lo que elimina el campo magnético que actúa sobre el émbolo de aire 218 y permite que el resorte de aire 220 avance hacia la superficie de sellado distal 300 del émbolo de aire 218 para entrar en contacto con el asiento de sellado de aire 260 como se muestra en figura 12E. Como se expuso anteriormente, el retraso entre el cierre del émbolo de combustible 214 y el cierre del émbolo de aire 218 permite que el flujo de aire elimine el combustible dentro de la cámara de mezclado 251 y la punta de suministro 230.
Son posibles muchas otras secuencias para abrir y cerrar el émbolo de combustible 214 y el émbolo de aire 218 debido al control independiente proporcionado por el primer y el segundo solenoide 222, 228. En un ejemplo, el émbolo de combustible 214 y el émbolo de aire 218 se abren simultáneamente y luego se cierra el émbolo de combustible antes de cerrar el émbolo de aire. En otro ejemplo, el émbolo de aire 218 se abre antes que el émbolo de combustible 214 y luego se cierran el émbolo de combustible 214 y el émbolo de aire 218 simultáneamente. En otro ejemplo más, tanto el émbolo de combustible 214 como el émbolo de aire 218 se abren simultáneamente y se cierran simultáneamente.
Los retrasos entre la apertura y el cierre del émbolo de combustible y el émbolo de aire en los ejemplos divulgados en el presente documento pueden ser relativamente cortos. En un ejemplo, un retraso entre la apertura del émbolo de aire y la apertura del émbolo de combustible puede ser de menos de 10 milisegundos (ms), y preferentemente en el intervalo de aproximadamente 0 ms a aproximadamente 1 ms. El retraso entre el cierre del émbolo de combustible y el cierre del émbolo de aire puede ser de menos de aproximadamente 10 ms, y con mayor preferencia en el intervalo de aproximadamente 0 ms a aproximadamente 2 ms.
El período de tiempo en el que el émbolo de combustible y el émbolo de aire se mantienen abiertos puede variar en dependencia de la variedad de parámetros, que incluyen, por ejemplo, el tipo de combustible y/u oxidante que se está usando, el tipo de motor y el tamaño y la forma de varios elementos del dispositivo de suministro de combustible. En un ejemplo, el período de tiempo en el que tanto el émbolo de combustible como el émbolo de aire están abiertos al mismo tiempo es de menos de 20 ms, y con mayor preferencia en el intervalo de aproximadamente 1 ms a aproximadamente 5 ms.
Los solenoides usados en los dispositivos de suministro de combustible expuestos en el presente documento generan campos magnéticos que actúan sobre el material ferroso que está más cerca del campo magnético. Típicamente, en el dispositivo de suministro de combustible 200 que incluye múltiples solenoides, los solenoides se colocan separados axialmente y actúan independientemente sobre los émbolos de aire y de combustible o elementos relacionados que mueven los émbolos de aire y de combustible. Los solenoides también pueden estar dispuestos en diferentes posiciones radiales con relación a un eje central del dispositivo de suministro de combustible. En el caso de un dispositivo de un único solenoide, tal como el dispositivo de suministro de combustible 10, un solenoide actúa sobre el elemento ferroso más cercano, que en el caso del dispositivo de suministro de combustible 10 es el émbolo de aire 18. El émbolo de aire 18 está situado radialmente más cerca del solenoide que el émbolo de combustible 14, de manera que el solenoide actúa sobre el émbolo de aire 18 en lugar de sobre el émbolo de combustible 14. Además, el émbolo de combustible puede comprender un material diferente al del émbolo de aire, tal como un material que no responda al campo magnético generado por el solenoide. Son posibles otras opciones para proteger el émbolo de combustible u otros elementos del dispositivo de suministro de combustible de ser accionados ante el campo magnético generado por el solenoide.
Una ventaja relacionada con los dispositivos de suministro de combustible divulgados en el presente documento es la posibilidad de proporcionar un cuerpo integrado para el suministro/mezcla de aire y combustible con una complejidad del sistema de combustible reducida. Otra ventaja es el potencial de un tamaño de empaque físico reducido para su integración en un motor. La complejidad de los controles reducida también está disponible cuando se usa un único solenoide para controlar el flujo de aire y el flujo de combustible. Es posible una interferencia o reacción electromagnética entre los dos solenoides. Un único solenoide magnético puede reducir el potencial de EMI de dos señales de control de alta frecuencia y/o alta corriente en eventos magnéticos, lo que puede evitarse cuando se usa un único solenoide.
Otra ventaja se relaciona con la aplicación de un único solenoide magnético en donde la reacción que limita el rendimiento potencial se elimina entre dos bobinas de solenoide apiladas o concéntricas (por ejemplo, coaxiales). Una ventaja adicional se refiere a un suministro de fluidos dual a través de un colector común, inclinación, colector de admisión o culata de cilindro que proporciona una oportunidad para el precalentamiento, lo que puede proporcionar un arranque en frío o un funcionamiento en ambiente frío. Otra ventaja más se refiere a facilitar dos eventos de inyección de un único fluido en un dispositivo con un pulso de control de inyección (un único solenoide). Esto puede proporcionar una aplicación única en aplicaciones de motores pequeños, todoterreno o de consumo donde los controles superiores deben estar contenidos o limitados de cualquier otra manera.
Como se usa en toda la descripción y las reivindicaciones, las palabras "que incluye" y "que tiene", como se usa en la descripción, incluidas las reivindicaciones, tienen el mismo significado que la palabra "que comprende".
La descripción anterior se ha presentado únicamente para ilustrar y describir una realización de la presente invención y no pretende ser exhaustiva. El alcance de la presente invención se define mediante las siguientes reivindicaciones.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de dosificación para un atomizador de combustible que comprende:
un alojamiento (12) que tiene una cámara de mezclado (51);
un primer miembro de dosificación (18) colocado dentro del alojamiento (12) y que se puede hacer funcionar para controlar el flujo de oxidante a la cámara de mezclado (51);
un segundo miembro de dosificación (14) colocado dentro del alojamiento (12) y que se dispone coaxialmente con, y que se extiende a través de, el primer miembro de dosificación (18), pudiéndose el segundo miembro de dosificación (14) hacer funcionar para controlar el flujo de combustible a la cámara de mezclado (51), estando el primer miembro de dosificación (18) configurado para moverse de una posición cerrada a una posición abierta antes de que el segundo miembro de dosificación (14) se mueva de una posición cerrada a una posición abierta; un miembro de empuje (16) interpuesto entre el primer y el segundo miembro de dosificación (18), (14); y un único solenoide (22) configurado para controlar el movimiento tanto del primer miembro de dosificación (18) como del segundo miembro de dosificación (14),
caracterizado por que: una pluralidad de canales de flujo (58) se extienden del primer miembro de dosificación (18) a la cámara de mezclado (51), estando los canales de flujo (58) dispuestos para crear un efecto de remolino de oxidante dentro de la cámara de mezclado (51); y mover el primer miembro de dosificación (18) de la posición cerrada a la posición abierta libera el miembro de empuje (16) para permitir que el segundo miembro de dosificación (14) se mueva de una posición cerrada a una posición abierta, determinando una constante elástica del miembro de empuje (16) una cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación (18) está abierto antes de que se abra el segundo miembro de dosificación (14) y una cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación (18) está abierto después de que se cierre el segundo miembro de dosificación (14).
2. El sistema de dosificación de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el primer miembro de dosificación (18) se comunica con un asiento de oxidante (60) para controlar el flujo de oxidante y el segundo miembro de dosificación (18) se comunica con un asiento de combustible (52) para controlar el flujo de combustible, estando el asiento de oxidante (60) colocado radialmente hacia fuera del asiento de combustible (52).
3. Un método para controlar el flujo en un atomizador de combustible que comprende:
proporcionar un alojamiento (12) y un primer y un segundo miembro de dosificación (18), (14) colocados dentro del alojamiento (12), extendiéndose una pluralidad de canales de flujo (58) desde el primer miembro de dosificación (18) hasta una cámara de mezclado (51), estando el segundo miembro de dosificación (14) colocado coaxialmente con, y extendiéndose a través de, el primer miembro de dosificación (18);
proporcionar: un miembro de empuje (16) interpuesto entre el primer y el segundo miembro de dosificación (18), (14); y un único solenoide para controlar el movimiento tanto del primer miembro de dosificación (18) como del segundo miembro de dosificación (14);
activar el único solenoide (22) para abrir el primer miembro de dosificación (18) para permitir que el oxidante fluya a través de la pluralidad de canales de flujo (58) hacia la cámara de mezclado (51) para crear un efecto de remolino de oxidante dentro de la cámara de mezclado (51), moviéndose el primer miembro de dosificación (18) de una posición cerrada a una posición abierta;
abrir el segundo miembro de dosificación (14) después de abrir el primer miembro de dosificación (18) para permitir el flujo de combustible hacia la cámara de mezclado (51) simultáneamente con el flujo de oxidante hacia la cámara de mezclado (51), liberando el movimiento del primer miembro de dosificación (18) de la posición cerrada a la posición abierta el miembro de empuje (18) para permitir que el segundo miembro de dosificación (14) se mueva de una posición cerrada a una posición abierta, determinando una constante elástica del miembro de empuje (16) una cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación (18) está abierto antes de que se abra el segundo miembro de dosificación (14);
desactivar el único solenoide (22) para cerrar el segundo miembro de dosificación (14) para detener el flujo de combustible hacia la cámara de mezclado (51) mientras continúa el flujo de oxidante hacia la cámara de mezclado (51);
cerrar el primer miembro de dosificación (18) después de cerrar el segundo miembro de dosificación (14) para detener el flujo de oxidante hacia la cámara de mezclado (51), determinando la constante elástica del miembro de empuje (16) la cantidad de tiempo que el primer miembro de dosificación (18) está abierto después de que se cierre el segundo miembro de dosificación (14).
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