ES2209464T3 - Dispositivo y procedimiento de encendido para motor de combustion interna y pared de separacion correspondiente. - Google Patents
Dispositivo y procedimiento de encendido para motor de combustion interna y pared de separacion correspondiente.Info
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Abstract
Dispositivo de encendido de un motor de combustión interna, que comprende: - una cámara principal (1), destinada a contener una mezcla combustible principal, y provista de un sistema de compresión (17, 18) de dicha mezcla; - una precámara (2) destinada a recibir unos reactivos, comunicando dicha precámara (2) con la cámara principal (1) por lo menos por un paso (4a-4d), y - un sistema de encendido (21-22) de los reactivos contenidos en la precámara (2), caracterizado porque dicho paso (4a-4d) entre la precámara (2) y la cámara principal (1) tiene un diámetro inferior a 1 mm para impedir el paso de un frente de llama permitiendo al mismo tiempo el paso de compuestos inestables (31) que provienen de la combustión de los reactivos contenidos en la precámara (2), permitiendo al sistema de compresión (17, 18) de la cámara principal (1) y la inseminación de la mezcla principal con dichos compuestos inestables una autoinflamación en masa de la mezcla principal.
Description
Dispositivo y procedimiento de encendido para
motor de combustión interna y pared de separación
correspondiente.
La presente invención se refiere a un dispositivo
y a un procedimiento de encendido para motor de combustión interna,
así como a una pared de separación correspondiente.
Los motores de combustión interna con encendido
mandado constituyen el objeto de esfuerzos consecuentes a fin de
reducir el consumo de carburante, de emisiones contaminantes y de
la irregularidad cíclica. Se ha propuesto así utilizar unas mezclas
aire-carburante pobres. La riqueza de una mezcla es
evaluada con respecto a una riqueza 1, que corresponde a una
combustión del carburante en las condiciones estequiométricas. La
riqueza de la mezcla está limitada inferiormente y superiormente con
una riqueza más allá de la cual la propagación de llama ya no puede
tener lugar. La mezcla comburente/carburante utilizada es pobre y/o
diluida por recirculación de gases de escape.
Las mezclas pobres tienen sin embargo como
inconveniente un aumento importante de combustiones parciales y de
fallos de encendido.
En el documento US-4.926.818, se
describe un procedimiento y un dispositivo de generación de chorros
pulsados destinados a formar unas bolsas de combustión turbulenta.
El dispositivo descrito comprende una cámara principal que contiene
una mezcla combustible principal y en la cual se desplaza un pistón
y una precámara que recibe unos reactivos y que comunica con la
cámara principal por unos orificios practicados en una pared. El
encendido de los reactivos en la precámara produce unos chorros de
gases en combustión, que inflaman la mezcla principal contenida en
la carga principal contenida en la cámara principal por convección
del frente de
llama.
llama.
La presente invención se refiere a un dispositivo
de encendido para motor de combustión interna que puede presentar
las ventajas siguientes con respecto a un dispositivo de encendido
clásico, que utiliza una bujía de encendido dispuesta en una cámara
que contiene unos productos reactivos:
- -
- aumento del rendimiento,
- -
- disminución
considerable del picado, por tanto posibilidad de aumento de la
relación
\hbox{volumétrica,}
- -
- rapidez de la subida de presión cuando tiene lugar un encendido,
- -
- baja dispersión cíclica (comparable con la de un motor de tipo Diesel),
- -
- velocidad y repetibilidad elevadas de la iniciación y del desarrollo de la combustión,
- -
- amplia zona de utilización del motor en términos de LOL (Lean Operating Limit), es decir de la riqueza más baja del punto motor que puede ser alcanzada con una covarianza de PMI (Presión Media Indicada) del 5%, y en términos de explotación de par,
- -
- consumo reducido para el punto de ralentí,
- -
- disminución de la emisiones contaminantes de monóxido de carbono y de óxidos de nitrógeno, y
- -
- reducción del avance en el encendido óptimo para el rendimiento.
La invención se refiere también a una pared de
separación entre una precámara y una cámara principal, que
corresponde al dispositivo de la invención.
La invención tiene también por objeto un
procedimiento de encendido para motor de combustión interna, que
presenta las ventajas citadas.
A este fin, la invención se refiere a un
dispositivo de encendido de un motor de combustión interna, que
comprende:
- -
- una cámara principal destinada a contener una mezcla combustible principal y provista de un sistema de compresión de esta mezcla,
- -
- una precámara destinada a recibir unos reactivos, comunicando esta precámara con la cámara principal por lo menos por un paso, y
- -
- un sistema de encendido de los reactivos contenidos en la precámara.
Según la invención, los pasos entre la precámara
y la cámara principal impiden el paso de un frente de llama
permitiendo al mismo tiempo el paso de compuestos inestables que
provienen de la combustión de los reactivos contenidos en la
precámara. El sistema de compresión de la cámara principal y la
inseminación de la mezcla principal con los compuestos inestables
permiten una autoinflamación en masa de la mezcla principal.
Así, contrariamente al motor con encendido
mandado convencional o al motor descrito en la patente nº
US-4.926.818, el encendido de la mezcla principal no
se obtiene por la propagación de un frente de llama, sino por la
inseminación y la compresión de la mezcla principal del motor.
La autoinflamación en un gran volumen permite una
subida de presión muy rápida, bajo picado y una buena
repetibilidad.
Con respecto a un motor de encendido por
compresión (motor Diesel), el dispositivo según la invención
permite eliminar la fase de preparación de la mezcla principal
constituida por una mezcla aire-líquido y la fase de
combustión difusiva. Se reducen así considerablemente los tiempos
en el encendido (transferencia térmica, vaporización) y se puede
reducir considerablemente la producción de hollines.
El dispositivo de encendido según la invención
reúne así las ventajas de las dos grandes familias de motores hasta
entonces utilizados: los de encendido mandado y los de encendido
por compresión.
El sistema de encendido en la precámara es
preferentemente un sistema con explosionador.
La realización sucesiva de las operaciones de
alimentación de la precámara y de la cámara principal
respectivamente con los reactivos y con la mezcla principal, de
encendido de los reactivos de la precámara y de compresión de la
mezcla principal inseminada con los compuestos inestables es
preferentemente cíclica.
La mezcla principal de la cámara principal y los
reactivos de la precámara están constituidos por mezclas
comburente-carburante, siendo las mezclas de la
precámara y de la cámara principal preferentemente respectivamente
rica y pobre. En una forma de realización, los combustibles son los
mismos para la mezcla principal y para los reactivos. En otra forma
de realización, son distintos.
Ventajosamente, el dispositivo de encendido
comprende unos medios de mezcla
comburente-carburante corriente arriba de la
precámara. En otra forma de realización, la cámara principal está
provista de medios de introducción de aire, que permiten efectuar
la mezcla en esta cámara.
El sistema de compresión de la cámara principal
comprende preferentemente un sistema de pistón, que permite
incrementar periódicamente la presión en la cámara principal y,
consecuentemente, la temperatura.
El o los pasos entre la precámara y la cámara
principal tienen por función producir una extinción de llama (flame
quenching) dejando pasar los compuestos inestables.
La combustión en la precámara genera unos
compuestos inestables así como un aumento de la presión. Cuando la
presión en la precámara es más elevada que en la cámara principal,
los compuestos inestables son expulsados a la cámara principal.
Los compuestos inestables obtenidos por la
combustión de los reactivos en la precámara comprenden unos
productos intermedios de combustión muy activos, aptos para iniciar
la oxidación de la mezcla principal bajo el efecto de una
compresión por el pistón, u otro medio de elevación de
temperatura.
Una buena eficacia del dispositivo de encendido
implica una riqueza superior a 1 de la mezcla contenida en la
precámara, de manera que haga disponible una cantidad satisfactoria
de especies inestables no oxidadas.
En un modo de realización preferido, los pasos
entre la precámara y la cámara principal están constituidos por
unos orificios practicados en una pared de separación impermeable a
los compuestos inestables, teniendo estos orificios unas
dimensiones suficientemente pequeñas para provocar una extinción de
llama.
Ventajosamente, cada uno de estos orificios tiene
un diámetro inferior o igual a 1 mm. Además, también es ventajoso
que cada uno de los orificios tenga una longitud inferior o igual a
su diámetro. De esta manera, los menos posible de compuestos
inestables son entrampados en las paredes. Por "longitud" se
entiende la dimensión de los orificios según una dirección
perpendicular a la superficie de la pared de separación. En otro
modo de realización de los pasos, la precámara y la cámara
principal están separadas por una pared de separación elegida entre
una rejilla y un tabique formado por un material poroso.
El motor de combustión tiene ventajosamente una
relación volumétrica comprendida entre 9 y 15. Esta relación
volumétrica elevada con respecto a los motores de encendido mandado
tradicionales es posible gracias a la reducción considerable,
incluso la eliminación, del picado. Esta relación es así próxima a
la de un motor con encendido por compresión.
Preferentemente, el dispositivo de encendido
comprende unos medios de alimentación de la precámara con una
mezcla rica en carburante y unos medios de alimentación de la
cámara principal con una mezcla pobre en carburante. Esta
realización permite optimizar las características del dispositivo de
encendido, puesto que una pequeña cantidad de mezcla rica contenida
en la precámara es suficiente para inflamar una gran cantidad de
mezcla pobre contenida en la cámara principal. En cualquier caso,
la riqueza de la mezcla rica no debe sobrepasar el límite superior
de inflamabilidad y la riqueza de la mezcla pobre no debe descender
por debajo del límite inferior de inflamabilidad.
A título de ejemplo, sirviendo el propano de
combustible, las riquezas respectivas de las mezclas ricas de la
precámara y pobre de la cámara principal son respectivamente
ligeramente inferior a 1,9 y superior a 0,55.
El dispositivo de encendido según la invención
está ventajosamente acoplado a otras técnicas, tales como la
inyección directa, el G.P.L. y/o a la estratificación de la
carga.
La invención tiene también por objeto una pared
de separación entre una precámara y una cámara principal de un
dispositivo de encendido de acuerdo con la invención.
La invención se refiere también a un
procedimiento de encendido de un motor de combustión interna. Según
este procedimiento:
- -
- se introduce una mezcla combustible principal en una cámara principal y unos reactivos en una precámara que comunica con la cámara principal por lo menos por un paso,
- -
- se queman los reactivos contenidos en la precámara, y
- -
- se provoca una inflamación de la mezcla principal a partir de la combustión de los reactivos.
Según la invención, se dejan pasar unos
compuestos inestables salidos de la combustión de los reactivos y
se impide cualquier paso de un frente de llama, de la precámara
hacia la cámara principal, por medio de estos pasos, y
- -
- se provoca una autoinflamación en masa de la mezcla principal inseminada con los compuestos inestables en la cámara principal.
La invención se comprenderá mejor y otros
objetivos, ventajas y características de ésta se pondrán más
claramente de manifiesto a partir de la lectura de la descripción
siguiente, dada con respecto a los planos anexos, en los
cuales:
La figura 1 muestra en sección un cilindro de un
motor de combustión interna equipado con un dispositivo de
encendido según la invención.
La figura 2 representa una ampliación de la zona
que rodea la precámara del dispositivo de encendido representado en
la figura 1.
La figura 3 muestra unas curvas comparativas que
dan la presión cilindro (en bar) en función del ángulo del cigüeñal
(en DV o grados cigüeñal) sobre un ciclo medio, por una parte para
un dispositivo de encendido mandado tradicional con bujía y por
otra parte para un dispositivo de encendido según la invención, que
corresponde a las figuras 1 y 2.
La figura 4 representa unas curvas comparativas
que dan la presión cilindro (en bar) en función del volumen de la
cámara (en cm^{3}) sobre un ciclo medio, para los mismos
dispositivos de encendido que en la figura 3; y
La figura 5 esquematiza el número de casos (en
porcentaje) en función de la duración de la combustión de 5%
(expresada en DV) de la carga principal, para los mismos
dispositivos de encendido que los de las figuras 3 y 4.
La figura 6 es una fotografía que permite
visualizar la llama obtenida en la cámara principal gracias al
dispositivo de encendido de las figuras 1 y 2.
Un cilindro 10 de un motor de combustión interna,
representado en la figura 1 comprende una cámara principal 1
delimitada por una camisa 16 y cerrada por su parte superior por
una culata 12. La cámara principal 1 contiene un pistón 17
accionado en traslación por una biela 18.
Un generador de compuestos inestables 11,
detallado en la figura 2, está fijado en la culata 12 de manera que
sea adyacente a la cámara principal 1 por medio de una pared de
separación 3. El generador 11 comprende un cuerpo 13 con fileteado
exterior 14, que se rosca en un fileteado 15 interior de la culata
12 de manera que pueda rascar el generador 11.
El generador 11 contiene una cavidad interior que
constituye una precámara 2. La precámara 2 tiene por ejemplo un
volumen próximo a 0,5 cm^{3}. Una llegada 5 permite alimentar
esta precámara 2 con una mezcla aire-combustible
constituida corriente arriba. En una variante de realización, la
llegada 5 está destinada a introducir carburante, siendo el aire
mezclado con este carburante en la precámara 2.
La precámara 2 está provista de un sistema de
encendido que comprende un electrodo central 21 y un electrodo de
masa 22.
La pared de separación 3, por ejemplo convexa
hacia la cámara principal 1, está provista de diferentes orificios
4a-4c, representados en la figura 2, y 4d no
representado. Cada uno de estos orificios 4a-4d
tiene un diámetro inferior o igual a 1 mm y una longitud inferior o
igual a su diámetro. A título de ejemplo, el diámetro y la
profundidad de los orificios 4a-4d valen
respectivamente 0,8 mm y 0,5 mm.
El número de los orificios, igual a 4 en el
ejemplo expuesto, se elige de manera que apunten a unas zonas de
gases frescos en la cámara principal 1. Ventajosamente, se
determina el número y la repartición de los orificios de manera que
se optimice la subida de presión.
En funcionamiento, se introduce una mezcla
aire-carburante en la cámara principal 1 y se
limita la precámara 2 por medio de la llegada 5, de manera que cree
una mezcla rica en esta cámara 2. Se produce a continuación una
chispa entre los electrodos 21 y 22, iniciando así la combustión en
la precámara 2, de tal manera que la temperatura y la presión
aumentan en su seno. Una zona reactiva 30 rica en compuesto
inestable se forma así en la precámara 2.
Bajo el efecto de la presión más elevada en la
precámara 2 que en la cámara principal 1, los compuestos inestables
son expulsados en forma de flujo 31 hacia la cámara principal 1. La
diferencia de presión entre la precámara 2 y la cámara principal 1
y las dimensiones de los orificios 4a-4d provocan
una extinción de llama al paso de la pared 3, de tal manera que
ningún frente de llama se propague en la cámara principal 1. Así,
la carga principal contenida en la cámara principal 1 es inseminada
con los compuestos inestables.
Cuando tiene lugar la subida del pistón 17 en la
cámara principal 1, la compresión producida provoca una
autoinflamación en masa de la mezcla principal lejos de las paredes
de la cámara principal 1, en forma de bolsas de combustión
32a-32d (ver figuras 1 y 6) que corresponden
respectivamente a los orificios 4a- 4d. La oxidación de la carga
principal se desarrolla entonces extremadamente rápidamente.
Un ejemplo comparativo pone en evidencia las
ventajas obtenidas con el dispositivo de encendido descrito
anteriormente, con respecto a un dispositivo de encendido mandado
tradicional con bujía. En este ejemplo, el carburante empleado es
el comercializado bajo el nombre Gasolina sin plomo 98, la riqueza
de la mezcla en la cámara principal vale 1,00 y la presión absoluta
media del colector de admisión es igual a 950 mbar. Los resultados
obtenidos están visualizados en las figuras 3 a 5. En estas figuras,
las referencias numéricas seguidas de A se refieren al dispositivo
tradicional y las referencias numéricas seguidas de B se refieren
al dispositivo con extinción de llama.
Siendo el ángulo del cigüeñal (DV) y la presión
del cilindro (bar) respectivamente dadas por los ejes 41 y 42, las
curvas 50A y 50B son respectivamente trazadas en la figura 3 para
el dispositivo tradicional y el dispositivo con extinción de llama.
Cada una de estas curvas 50 presenta, después de una subida inicial
de presión debida a la compresión, un punto de encendido 52 seguido
de una subida de presión 53 que culmina en un vértice 54, y después
de un descenso de presión 55.
Se observa que la subida de presión 53B del
dispositivo con extinción de llama es sensiblemente más empinada
que la 53A del dispositivo tradicional. Además, el avance en el
encendido vale 32 DV para el dispositivo tradicional y solamente 10
DV para el dispositivo con extinción de llama. Así, el dispositivo
descrito anteriormente permite obtener un frente de presión a la vez
retardado y más empinado con respecto a unos dispositivos
tradicionales con encendido mandado.
Siendo el volumen (cm^{3}) en la cámara
principal dado por un eje 43 y la presión del cilindro por el eje
42, unas curvas 60A y 60B son trazadas respectivamente para los
dispositivos tradicional y con extinción de llama, en la figura 4.
Las superficies 61A y 61B delimitadas respectivamente por las
curvas 60A y 60B tienen cada una un área que corresponde al trabajo
producido. Se observa una zona 62 cubierta por la superficie 61B
pero no por la superficie 61A, estando esta zona 62 asociada al
frente de presión empinado producido por el dispositivo con
extinción de llama. Así, el rendimiento es más elevado para el
dispositivo con extinción de llama que para el tradicional.
Unos histogramas 70A y 70B (figura 5) muestran
respectivamente para el dispositivo tradicional y para el
dispositivo con extinción de llama el número de casos (%) según un
eje 45 en función de la duración de combustión a 5% (DV) de la
carga principal según un eje 44.
Se observa que el histograma 70A está dispersado
alrededor de un pico 71A en 23 DV aproximadamente y describe una
curva en campana 72A que se extiende sobre una quincena de DV. En
contrapartida, el histograma 70B está casi completamente
concentrado en un único pico 71B, que culmina a más de 92%, y que
es completado por un pequeño pico secundario 72B. Los dos picos
están centrados alrededor de aproximadamente 6,5 DV.
Resulta así que el dispositivo con extinción de
llama proporciona una regularidad cíclica considerablemente más
elevada y una duración de combustión y una dispersión
considerablemente más reducidas que con el dispositivo tradicional.
Las mismas observaciones valen también para una combustión con unos
porcentajes más elevados del 5% de la carga principal.
Claims (7)
1. Dispositivo de encendido de un motor de
combustión interna, que comprende:
- -
- una cámara principal (1), destinada a contener una mezcla combustible principal, y provista de un sistema de compresión (17, 18) de dicha mezcla;
- -
- una precámara (2) destinada a recibir unos reactivos, comunicando dicha precámara (2) con la cámara principal (1) por lo menos por un paso (4a-4d), y
- -
- un sistema de encendido (21-22) de los reactivos contenidos en la precámara (2),
caracterizado porque dicho paso
(4a-4d) entre la precámara (2) y la cámara
principal (1) tiene un diámetro inferior a 1 mm para impedir el paso
de un frente de llama permitiendo al mismo tiempo el paso de
compuestos inestables (31) que provienen de la combustión de los
reactivos contenidos en la precámara (2), permitiendo al sistema de
compresión (17, 18) de la cámara principal (1) y la inseminación de
la mezcla principal con dichos compuestos inestables una
autoinflamación en masa de la mezcla principal.
2. Dispositivo de encendido según la
reivindicación 1, caracterizado porque dicho paso
(4a-4d) entre la precámara (2) y la cámara
principal (1) está constituido por un orificio
(4a-4d) practicado en una pared de separación (3)
impermeable a los compuestos inestables.
3. Dispositivo de encendido según la
reivindicación 2, caracterizado porque el orificio
(4a-4d) tiene una longitud inferior o igual a su
diámetro.
4. Dispositivo de encendido según la
reivindicación 1, caracterizado porque la precámara (2) y la
cámara principal (1) están separadas por una pared de separación
elegida entre una rejilla y un tabique formado por un material
poroso.
5. Dispositivo de encendido según cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende
unos medios de alimentación de la precámara (2) con una mezcla rica
en carburante y unos medios de alimentación de la cámara principal
(1) con una mezcla pobre en carburante.
6. Procedimiento de encendido de un motor de
combustión interna, según el cual:
- -
- se introduce una mezcla combustible principal en una cámara principal (1) y unos reactivos en una precámara (2) que comunica con la cámara principal por lo menos por un paso (4a-4d), teniendo dicho paso (4a-4d) un diámetro inferior a 1 mm,
- -
- se queman los reactivos contenidos en la precámara (2), y
- -
- se provoca una inflamación de la mezcla principal a partir de la combustión de dichos reactivos,
- -
- se dejan pasar unos compuestos inestables (31) salidos de la combustión de dichos reactivos y se impide cualquier paso de un frente de llama, de la precámara (2) hacia la cámara principal (1) por medio de dicho paso (4a-4d), y
- -
- se provoca una autoinflamación en masa de la mezcla principal inseminada con dichos compuestos inestables en la cámara principal (1).
7. Generador de compuestos inestables para un
dispositivo de encendido según cualquiera de las reivindicaciones 1
a 5, que comprende un cuerpo (13) con fileteado exterior (14) que
contiene una cavidad interior que constituye una precámara (2),
permitiendo una llegada (5) alimentar la precámara (2) con una
mezcla aire-combustible, constituida corriente
arriba, o con carburante, estando la precámara (2) provista de un
sistema de encendido que comprende un electrodo central (21) y un
electrodo de masa (22), estando la cavidad interior cerrada por una
pared de separación (3) provista de diferentes orificios
(4a-4d) de diámetro inferior a 1 mm.
Applications Claiming Priority (2)
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