ES2207170T3 - Procedimiento y dispositivo de calentamiento termico adicional para vehiculos equipados con motor exento de produccion con inyeccion adicional de aire comprimido. - Google Patents

Abstract

Procedimiento de recalentamiento térmico para motores dotados de una cámara de aspiración, una cámara de combustión o de expansión con volumen constante y una cámara de expansión y de escape separada, capaz de funcionar en un modo con exclusión de cualquier carburante, o vehículos equipados con tales motores descontaminados o descontaminantes que funcionan con una inyección de aire adicional en la cámara de combustión o de expansión y que tienen un depósito de almacenamiento de aire comprimido a alta presión, caracterizado por el hecho de que el aire comprimido contenido en el depósito de almacenamiento a alta presión es dirigido, previamente a su utilización final, a presión inferior, hacia un recalentador térmico, para permitir aumentar su presión y/o su volumen, antes de su inyección en la cámara de combustión o de expansión.

Description

Procedimiento y dispositivo de calentamiento térmico adicional para vehículos equipados con motor exento de producción con inyección adicional de aire comprimido.

La invención se refiere a los vehículos terrestres y, más particularmente, a los equipados con motores descontaminados o descontaminantes, con cámara de combustión independiente, que funcionan con inyección de aire comprimido adicional, y que van dotados de un depósito de aire comprimido a alta presión.

El autor ha descrito en su solicitud de patente publicada WO 96/27737 un procedimiento de descontaminación de motor con cámara de combustión externa independiente, que funciona de acuerdo con un principio bi-modos con dos tipos de energía, utilizando ya sea un carburante convencional, tal como gasolina o gasoil en ruta (funcionamiento mono-modo, con aire-carburante), ya sea a baja velocidad, especialmente en zona urbana o suburbana, una adición de aire comprimido en la cámara de combustión (o cualquier otro gas no contaminante), con exclusión de cualquier otro carburante (funcionamiento mono-modo con aire, es decir con adición de aire comprimido). En su solicitud de patente FR 9607714, el autor ha descrito la instalación de dicho tipo de motor en funcionamiento mono-modo, con adición de aire comprimido, en los vehículos de servicios, por ejemplo en los autobuses urbanos.

En este tipo de motor, en modo aire-carburante, la mezcla aire- carburante es aspirada y comprimida en una cámara de aspiración y de compresión independiente. Luego dicha mezcla es transferida, siempre a presión, a una cámara de combustión independiente y con volumen constante para ser inflamada, a fin de aumentar la temperatura y la presión de dicha mezcla. Después de la apertura de una transferencia que une dicha cámara de combustión o de expansión a una cámara de expansión y de escape, dicha mezcla será expansionada en esta última para producir un trabajo. Los gases expandidos son evacuados a continuación a la atmósfera a través de un conducto de escape.

En funcionamiento con aire más aire comprimido adicional, que nos interesa más particularmente en el ámbito de la invención, con pequeña potencia, el inyector de carburante no es ya gobernado; en este caso, se introduce en la cámara de combustión, sensiblemente después de la admisión en esta última de aire comprimido -sin carburante-, proveniente de la cámara de aspiración y de compresión, una pequeña cantidad de aire comprimido adicional proveniente de un depósito externo, en el que el aire es almacenado a alta presión, por ejemplo 200 bars, y a la temperatura ambiente. Esta pequeña cantidad de aire comprimido a temperatura ambiente se calentará en contacto con la masa de aire a alta temperatura contenido en la cámara de combustión o de expansión, se dilatará y aumentará la presión reinante en la cámara, para permitir proporcionar, al producirse la expansión, un trabajo motor.

Este tipo de motor bi-modos o bi-energías (aire y gasolina o aire y aire comprimido adicional) puede ser modificado igualmente por una utilización preferentemente en ciudad, por ejemplo en todos los vehículos y más particularmente en autobuses urbanos u otros vehículos de servicios, (taxis, camiones de residuos, etc...), en mono-modo aire-aire comprimido adicional, por supresión de todos los elementos de funcionamiento del motor con el carburante tradicional.

El motor funciona solamente en mono-modo con inyección de aire comprimido adicionado en la cámara de combustión que resulta así una cámara de expansión. Además, el aire aspirado por el motor puede ser filtrado y purificado a través de uno o varios filtros de carbón u otro procedimiento mecánico, químico, tamiz molecular, u otros filtros, a fin de obtener un motor descontaminante. Con la utilización del término "aire" en el presente texto se entiende "cualquier gas no contaminante".

En este tipo de motor, el aire comprimido adicional es inyectado en la cámara de combustión o de expansión a una presión de utilización determinada en función de la presión reinante en la cámara y sensiblemente más elevada que esta última, para permitir su transferencia por ejemplo 30 bars. Para ello, se utiliza un expansor de tipo convencional, que efectúa una expansión sin trabajo que no absorbe calor, y, por tanto, sin descenso de temperatura, que permite inyectar así en la cámara de combustión o de expansión un aire expandido (a alrededor de 30 bars en nuestro ejemplo) y a temperatura ambiente.

Este procedimiento de inyección de aire comprimido adicional puede ser utilizado igualmente en motores convencionales de 2 ó 4 tiempos, en que dicha inyección de aire comprimido adicional se lleva a cabo en la cámara de combustión del motor, sensiblemente en el punto muerto alto de encendido.

El procedimiento de acuerdo con la invención propone una solución que permite aumentar la cantidad de energía utilizable y disponible. El mismo se caracteriza por los medios utilizados y, más particularmente, por el hecho de que el aire comprimido, antes de su introducción en la cámara de combustión y/o de expansión, es canalizado a un recalentador térmico en el que aumentará de presión y/o de volumen, aumentando así considerablemente las prestaciones que pueden ser llevadas a cabo por el motor.

El autor ha descrito igualmente en su solicitud de patente Nº9700851 un procedimiento de recuperación de energía térmica del entorno para dicho tipo de motor o el aire comprimido contenido en el depósito de almacenamiento a muy alta presión, por ejemplo 200 bars, y a temperatura ambiente, por ejemplo 20 grados, previamente a su utilización final a una presión inferior, por ejemplo 30 bars, es expansionado a una presión próxima a la necesaria para su utilización final, en un sistema de volumen variable, por ejemplo un pistón en un cilindro, que produce un trabajo que puede ser recuperado y utilizado por cualesquiera medios conocidos, mecánico, eléctrico, hidráulico u otro. Esta expansión con trabajo tiene como consecuencia enfriar a muy baja temperatura, por ejemplo menos de 100ºC, el aire comprimido expandido a una presión próxima a la de utilización. Dicho aire comprimido expandido a su presión de utilización y a muy baja temperatura, es enviado a continuación a un cambiador con el aire ambiente, se recalentará hasta una temperatura próxima a la temperatura ambiente, y aumentará así su presión y/o su volumen, recuperando energía térmica tomada de la atmósfera.

Otra característica del procedimiento de acuerdo con la invención, propone una solución que hace intervenir el procedimiento de recuperación de energía térmica que acaba de ser descrito anteriormente, y que permite aumentar todavía la cantidad de energía utilizable y disponible. El mismo se caracteriza por los medios utilizados y, más particularmente, por el hecho de que el aire comprimido, después de su paso por el cambiador térmico aire - aire, y antes de su introducción en la cámara de combustión, es canalizado al interior de un recalentador térmico, en el que aumentará de nuevo de presión y/o de volumen, antes de su introducción en la cámara de combustión y/o de expansión, aumentando así considerablemente las prestaciones que pueden ser llevadas a cabo por el motor.

La utilización de un recalentador térmico presenta la ventaja de poder utilizar combustiones continuas propias, que pueden ser catalizadas o descontaminadas por cualquiera medios conocidos. El mismo puede ser alimentado con un carburante convencional, tal como gasolina o gasoil, gas butano, propano o GLP u otro, igual como puede utilizar reacciones químicas y/o energía eléctrica para producir el recalentamiento del aire comprimido que lo atraviesa.

El técnico puede calcular la cantidad de aire a muy alta presión que debe proporcionarse al sistema de expansión con trabajo, al igual que las características y volúmenes de este último, a fin de obtener al final de dicha expansión con trabajo, y teniendo en cuenta la potencia de recalentado, la presión de utilización final escogida y la temperatura lo más mas fría posible y, todo ello, en función de la utilización del motor. Una gestión electrónica de los parámetros permite optimizar en cualquier momento las cantidades de aire comprimido utilizadas, recuperadas y recalentadas. El técnico puede calcular igualmente las dimensiones y las características del recalentador térmico, que puede utilizar cualesquiera conceptos conocidos en dicho ámbito, sin cambiar el procedimiento de la invención.

De acuerdo con otra característica de la invención, el recalentador térmico que es utilizado para recalentar aire comprimido proveniente del depósito de almacenamiento a alta presión, a través del sistema de recuperación de energía térmica ambiente o no, es utilizado igualmente, independientemente o en combinación, con las dos soluciones descritas anteriormente, es decir directamente del depósito de almacenamiento o a través del recuperador de energía térmica, para recalentar aire comprimido tomado en la cámara de aspiración y de compresión del motor. aumentando así su presión y/o su volumen antes de reintroducirlo en la cámara de combustión y/o de expansión, para permitir en esta última un aumento de la presión de los gases contenidos en dicha cámara antes de la expansión en el cilindro de expansión y de escape que provoca el tiempo motor.

El aire comprimido que es enviado al recalentador térmico proviene del depósito de almacenamiento, del dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente, de una toma en la cámara de aspiración y de compresión separadamente o en combinación, en unas proporciones determinadas en función de las condiciones de utilización.

Otros objetivos, ventajas y características de la invención se desprenderán de la lectura de la descripción, a título no limitativo, de varios ejemplos de realizaciones particulares, hecha con referencia a los dibujos anexos, en los que:

- La figura 1 representa esquemáticamente, visto en sección transversal, un motor descontaminado equipado con un dispositivo térmico;

- la figura 2 representa, visto en sección transversal, un motor descontaminado con recuperación de energía térmica ambiente, equipado con un dispositivo de recalentamiento térmico;

- la figura 3 representa un motor equipado con un recalentador térmico en derivación sobre el aire comprimido por la cámara de aspiración compresión: y

- la figura 4 representa un motor representa un motor que combina las tres soluciones.

La figura 1 representa esquemáticamente, visto en sección transversal, un motor descontaminado y su instalación de alimentación con aire comprimido, dotado de una cámara de aspiración y de compresión 1, una cámara de combustión o de expansión 2 con volumen constante, en la que queda colocado un inyector de aire adicional 22 alimentado con aire comprimido almacenado en un depósito de muy alta presión 23 y una cámara de expansión y de escape 4. La cámara de aspiración y de compresión 1 está conectada con la cámara de combustión o de expansión 2 por un conducto 5, cuya apertura y el cierre son gobernados por una válvula estanca 6. La cámara de combustión o de expansión 2 está conectada con la cámara de expansión y de escape 4 por un conducto o transferencia 7, cuya apertura y el cierre son gobernados por una válvula estanca 8. La cámara de aspiración y de compresión 1 es alimentada con aire por un conducto de admisión 13, cuya apertura es gobernada por una válvula 14, y aguas arriba de la cual queda dispuesto un filtro de carbón descontaminante 24.

La cámara de aspiración y de compresión 1 funciona como un conjunto de compresor de pistón, en que un pistón 9 deslizante por el interior de un cilindro 10 es gobernado por una biela 11 y un cigüeñal 12. La cámara de expansión y de escape 4 gobierna un conjunto clásico de motor de pistón, con un pistón 15 deslizante en el interior de un cilindro 16, que acciona, a través de una biela 17, la rotación de un cigüeñal 18. El escape del aire expansionado se efectúa a través de un conducto de escape 19, cuya apertura es gobernada por una válvula 20. La rotación del cigüeñal 12 de la cámara de aspiración y de compresión 1 es gobernada a través de una unión mecánica 21 por el cigüeñal motor 18 de la cámara de expansión y de escape 4.

De acuerdo con la invención, entre el depósito de almacenamiento a alta presión 23 y una capacidad tampón a presión final de utilización casi constante 43, queda dispuesto sobre el conducto 37A un recalentador térmico 56, constituido por quemadores 57 que aumentarán considerablemente la temperatura y, por tanto, la presión y/o el volumen del aire comprimido proveniente del depósito 23 (según el sentido de las flechas F), durante su paso por el serpentín de cambio 58, para permitir una mejora considerable de las prestaciones del motor.

El motor queda dotado en la figura 2 de un dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente, en el que la expansión con trabajo del aire comprimido a alta presión almacenado en el depósito 23, se lleva a cabo en un conjunto biela 53 y pistón de trabajo 54, enganchado directamente sobre el árbol motor 18. Dicho pistón 54 se desliza en el interior de un cilindro ciego 55 y determina una cámara de trabajo 35, en la que desemboca, por una parte, un conducto de admisión de aire a alta presión 37, cuya apertura y el cierre son gobernados por una electroválvula 38, y, por otra parte, un conducto de escape 39 conectado con el cambiador térmico aire - aire o radiador 41, conectado a su vez por un conducto 42 a una capacidad tampón a presión final de utilización casi constante 43. Durante el funcionamiento, cuando el pistón de trabajo 54 se halla en su punto muerto alto, la electroválvula 38 es abierta y luego vuelta a cerrar, a fin de admitir una carga de aire comprimido a muy alta presión, que se expansionará impulsando al pistón 54 hasta su punto muerto bajo y accionar, a través de la biela 53, al cigüeñal motor 18. Durante la carrera de ascenso del pistón 54, la electroválvula de escape 40 es entonces abierta y el aire comprimido pero expansionado y a muy baja temperatura contenido en la cámara de trabajo es rechazado (según el sentido de la flecha F) al interior del cambiador aire - aire o radiador 41. Dicho aire se recalentará de esta manera hasta una temperatura próxima a la ambiente y aumentará de volumen alcanzando la capacidad tampón 43, habiendo recuperado una cantidad de energía no despreciable en la atmósfera.

De acuerdo con la invención, entre el cambiador aire - aire 41 y la capacidad tampón 43, sobre el conducto 42A queda dispuesto un recalentador térmico 56, constituido por quemadores 57 que aumentarán considerablemente la temperatura y, por tanto, la presión y/o el volumen del aire comprimido proveniente (según el sentido de las flechas F) del cambiador aire - aire 41 a su paso por el serpentín de cambio 58.

De acuerdo con una característica de la invención (figura 3) el recalentador térmico 56 queda dispuesto en derivación de la cámara de aspiración compresión 1, de la que una parte del aire comprimido por el pistón 9 es dirigido (según el sentido de las flechas F) hacia el recalentador térmico 56 y durante su paso por el serpentín de cambio 58 es recalentado por los quemadores 57, aumentará de presión y/o de volumen, antes de ser introducido en la capacidad tampón 43 y ser inyectado por el inyector 22 en la cámara de combustión y/o de expansión 2.

La figura 4 representa, visto esquemáticamente, un dispositivo que combina los tres dispositivos descritos en las figuras 1, 2 y 3. Los quemadores 57 del recalentador térmico 56 recalientan simultáneamente una parte del aire comprimido por el pistón 9 de la cámara de aspiración y de compresión 1 en un serpentín de cambio 58, antes de propulsarlo a la capacidad tampón 43 y el aire comprimido proveniente del depósito de almacenamiento a través del dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente y el cambiador aire - aire 41.

El recalentador térmico 56 recibe aire comprimido proveniente del depósito de almacenamiento 23 por un conducto 37A, proveniente del dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente 41 por otro conducto 42 y proveniente de la cámara de aspiración y de compresión 1 por un tercer conducto 42A; cada uno de dichos conductos presenta una válvula de regulación 59, 59A, 59B gobernada, que permite determinar las proporciones de aire comprimido de cada lugar de procedencia, para recalentar en función de las condiciones de utilización.

Unos sistemas de válvulas de regulación, de encendido de los quemadores y de regulación de intensidad de los quemadores, quedan instalados para recalentar más o menos el aire comprimido que atraviesa el serpentín de recalentamiento en función de las necesidades de energía para la conducción del vehículo así equipado.

La capacidad tampón 43 dispuesta entre el recalentador térmico 56 y el inyector 22 puede ser calorifugada ventajosamente mediante una envoltura aislante 43A, de materiales conocidos para dicho fin, con objeto de permitir conservar en el aire comprimido las calorías acumuladas en el recalentador térmico 56, antes de ser inyectado en la cámara. El técnico puede escoger el volumen de la capacidad tampón 43 y los materiales calorífugos, al igual que las conducciones y diversos conductos pueden ser igualmente calorifugados sin alterar por ello la invención que ha sido descrita.

Como se comprende, la invención no queda limitada a los ejemplos de realización descritos y representados, y la misma es susceptible de numerosas variantes accesibles al técnico, sin que se aparte del ámbito de la invención.

Claims (9)

1. Procedimiento de recalentamiento térmico para motores dotados de una cámara de aspiración, una cámara de combustión o de expansión con volumen constante y una cámara de expansión y de escape separada, capaz de funcionar en un modo con exclusión de cualquier carburante, o vehículos equipados con tales motores descontaminados o descontaminantes que funcionan con una inyección de aire adicional en la cámara de combustión o de expansión y que tienen un depósito de almacenamiento de aire comprimido a alta presión, caracterizado por el hecho de que el aire comprimido contenido en el depósito de almacenamiento a alta presión es dirigido, previamente a su utilización final, a presión inferior, hacia un recalentador térmico, para permitir aumentar su presión y/o su volumen, antes de su inyección en la cámara de combustión o de expansión.

2. Procedimiento de recalentamiento térmico, según la reivindicación 1, en el que el aire comprimido contenido en el depósito de almacenamiento a alta presión es expansionado, previamente a su introducción en el recalentador térmico a presión inferior, a una presión próxima a dicha presión, en un sistema de volumen variable, por ejemplo un pistón en un cilindro, que produce un trabajo que tiene como consecuencia enfriar a baja temperatura el aire comprimido así expansionado, que es enviado a continuación a un cambiador térmico para recalentarse y aumentar así su presión y/o su volumen, por recuperación de un aporte de energía térmica ambiente.

3. Procedimiento dee recalentamiento térmico par motores dotados de una cámara de aspiración, una cámara de combustión o de expansión con volumen constante y una cámara de expansión y de escape separada, capaz de funcionar en un modo con exclusión de cualquier carburante, o vehículos equipados con tales motores descontaminados o descontaminantes, que funcionan con inyección de aire adicional en la cámara de combustión o de expansión, caracterizado por el hecho de que se toma aire comprimido en la cámara de aspiración y de compresión al final de la compresión, para ser dirigido hacia un recalentador térmico, a fin de permitir aumentar su presión y/o su volumen antes de ser inyectado en la cámara de combustión o de expansión.

4. Procedimiento de recalentamiento térmico, según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por el hecho de que el aire comprimido que es enviado al recalentador térmico proviene del depósito de almacenamiento, del dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente, de una toma en la cámara de aspiración y de compresión, separadamente o en combinación, en unas proporciones determinadas, en función de las condiciones de utilización.

5. Dispositivo de recalentamiento térmico para la realización del procedimiento de acuerdo con la invención según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que un recalentador térmico (56), constituido por un quemador (57) alimentado por un carburante y por un serpentín de cambio térmico (58), queda situado entre el depósito de almacenamiento (23) y el inyector de aire comprimido (22), calentando el quemador (57) el aire proveniente del depósito de almacenamiento, a su paso a través del serpentín (58), para aumentar su presión y/o su volumen antes de su inyección en la cámara de combustión o de expansión (2), permitiendo una capacidad tampón (43) dispuesta entre el recalentador térmico y el inyector (22) de aire comprimido adicional, regularizar y evitar unos efectos de bombeo antes de dicha inyección.

6. Dispositivo de recalentamiento térmico, según la reivindicación 5, para la realización del procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado por el hecho de que el recalentador térmico (56) es situado sobre un conducto (42) entre el cambiador térmico aire - aire o radiador (41) del dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente y la capacidad tampón (43), antes de su inyección en la cámara de combustión o de expansión (2).

7. Dispositivo de recalentamiento térmico, según la reivindicación 5, para la realización del procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por el hecho de que el cambiador térmico (56) está colocado entre la cámara de aspiración y de compresión (1) del motor y la capacidad tampón (43) sobre un circuito derivado, constituido por un conducto (42) en el que el volumen es controlado por una válvula (59) que permite tomar aire comprimido al final de la compresión, para ser dirigido hacia el recalentador térmico, a fin de aumentar su presión y/o su volumen antes de ser inyectado en la cámara de combustión o de expansión.

8. Dispositivo de recalentamiento térmico, según la reivindicación 5, para la realización del procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado por el hecho de que el recalentador térmico (56) recibe aire comprimido proveniente del depósito de almacenamiento (23) por un conducto (37A), proveniente del dispositivo recuperador de energía térmica ambiente (41) por otro conducto (42) y proveniente de la cámara de aspiración y de compresión (1) por un tercer conducto (42A), y caracterizado por el hecho de que cada uno de dichos conductos presenta una válvula gobernada de regulación (59, 59A, 59B), que permite determinar las proporciones de aire comprimido, de cada procedencia, para recalentar en función de las condiciones de utilización,

9. Dispositivo de recalentamiento térmico, según la reivindicación 5, caracterizado por el hecho de que la capacidad tampón dispuesta entre el recalentador térmico (56) y el inyector (22) es calorifugado por una envoltura (43A), para permitir la conservación de las calorías acumuladas en el recalentador térmico.