ES2212244T3 - Motor de combustion interna con mando de encendido e inyeccion directa. - Google Patents
Motor de combustion interna con mando de encendido e inyeccion directa.Info
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Abstract
LA INVENCION SE REFIERE A UN MOTOR DE COMBUSTION INTERNA CON ENCENDIDO CONTROLADO Y CON INYECCION DIRECTA EN EL QUE UN CILINDRO (10) ESTA DELIMITADO POR UNA CULATA (18) EN LA QUE DESEMBOCAN, CADA UNO MEDIANTE UNA VALVULA CORRESPONDIENTE (26) DOS CONDUCTOS DE ADMISION (24) Y DOS CONDUCTOS DE ESCAPE (28), ESTANDO LAS DOS VALVULAS DE ADMISION (26) DISPUESTAS CADA UNA POR AMBAS PARTES DE UN PLANO DE REFERENCIA (PO) QUE CONTIENE EL EJE (A1) DEL CILINDRO (10), CARACTERIZADO PORQUE AL MENOS UNO DE LOS CONDUCTOS DE ADMISION(24) INCLUYE MEDIOS PARA CREAR EN EL CILINDRO (10) UN MOVIMIENTO REMOLINANTE DENOMINADO TURBULENCIA EN EL QUE LOS GASES TIENEN UN MOVIMIENTO DE ROTACION ALREDEDOR DE UN EJE PERPENDICULAR AL PLANO DE REFERENCIA (PO), SEGUN UN SENTIDO INVERSO A LA AGUJAS DEL RELOJ CUANDO SE MIRA EL CILINDRO (10) PARA QUE LAS VALVULAS DE ADMISION (26) ESTEN A LA DERECHA Y LAS VALVULAS DE ESCAPE A LA IZQUIERDA (30).
Description
Motor de combustión interna con mando de
encendido e inyección directa.
La invención concierne a un motor de combustión
interna con mando de encendido y de inyección directa.
La invención concierne más particularmente a un
motor de combustión interna con mando de encendido y de inyección
directa, del tipo en el cual un cilindro está delimitado axialmente
hacia arriba por una cara inferior de una culata en la que
desembocan, cada uno por medio de la válvula correspondiente, dos
conductos de admisión y dos conductos de escape, del tipo en el cual
las dos válvulas de admisión están dispuestas cada una de un lado y
de otro de un plano de referencia que contiene al eje del cilindro,
y del tipo que lleva un inyector de gasolina cuya boca desemboca en
el cilindro entre las dos válvulas de admisión, y una bujía de
encendido implantada sensiblemente en el centro de la cara inferior
de la culata.
Los motores de inyección directa y con mando de
encendido tienen gran ventaja de ser puestos en práctica con un
dispositivo de inyección directa del combustible en el
cilindro.
En efecto, la utilización de la inyección directa
permite optimizar el funcionamiento del motor con mezclas llamadas
"pobres", es decir mezclas carburadas en las cuales existe un
gran exceso de aire con relación a la cantidad de combustible
introducido en el cilindro.
La utilización de mezclas pobres permite
principalmente reducir de forma importante el consumo de
combustible, pero también reducir la temperatura máxima alcanzada
durante la combustión, lo que permite disminuir la producción de
sustancias contaminantes tales como los óxidos de nitrógeno
(NOx).
Asimismo, el exceso de aire permite evitar que
una parte del combustible quede sin quemar tras la combustión y sea
evacuado con los gases de escape.
La utilización de una mezcla "pobre" es sin
embargo fuente de un cierto número de problemas. Principalmente, el
encendido de la combustión de la mezcla aire/combustible se hace
más difícil debido al hecho de la débil proporción de combustible
con respecto al aire.
Con el objeto de evitar este problema, se busca
pues hacer funcionar los motores con mando de encendido, cuando son
alimentados con mezclas "pobres", según el principio de las
cargas estratificadas en las cuales la mezcla carburada no tiene
una composición homogénea en todo el cilindro. Se busca también
provocar una concentración más grande de combustible en la
proximidad de la bujía de encendido de tal forma que la chispa que
ésta produce pueda provocar fácilmente el inicio de la combustión
en el cilindro.
Se conocen varias soluciones que permiten
realizar cargas estratificadas gracias a la inyección directa.
Una primera consiste en posicionar el inyector de
la bujía de tal forma que el chorro de combustible sea proyectado
directamente por el inyector en dirección a la bujía. Este método
es a priori muy efectivo pero es muy sensible a las inexactitudes
de posicionamiento de los diferentes elementos y, todavía más, al
engrase de la boca del inyector que puede modificar notablemente las
características del chorro de combustible. Al cabo del tiempo, el
motor así realizado puede necesitar frecuentes reglajes bajo pena
de que se produzcan numerosos "fallos" de encendido.
Una segunda solución conocida consiste en
realizar una estratificación por efecto pared dirigiendo el chorro
de combustible en dirección a una pared, por ejemplo la cara
superior del pistón, para desviarlo a continuación en dirección a
la bujía. Sin embargo, con esta solución, puede producirse una
condensación importante del combustible sobre las paredes, siendo el
combustible así condensado muy difícilmente inflamable.
El documento US 527 864 muestra un motor de
combustión interna de inyección directa de dos válvulas de admisión
y dos válvulas de escape que tienen medios para generar un
movimiento turbulento de tipo "torbellino". El pistón que
tiene una cavidad dispuesta sensiblemente según un diámetro del
pistón y más precisamente en el eje del chorro de combustible
(compárese con las características del preámbulo de la
reivindicación 1).
La invención tiene pues por objeto proponer una
solución global en cuanto a la geometría y a la implantación de los
elementos esenciales de un motor de combustión interna y con mando
de encendido que permite obtener un funcionamiento óptimo del motor
con cargas "pobres" estratificadas.
Con este objeto, la invención propone un motor de
combustión con las características según la reivindicación 1.
- El inyector está dispuesto de forma que
proyecta un chorro de combustible en dirección a la cavidad cóncava
del pistón;
- la cavidad cóncava tiene una extensión que se
extiende sensiblemente según la dirección del chorro de combustible
proyectado por el inyector;
- el eje del chorro de combustible está desfasado
angularmente con respecto al plano de referencia;
- en el plano de referencia, el eje del chorro de
combustible forma un ángulo sensiblemente comprendido entre 30º y
70º con un plano perpendicular al eje del cilindro; y
- el chorro de combustible se extiende hacia el
interior de un cono cuyo ángulo en el vértice está sensiblemente
comprendido entre 20º y 50º.
Otras características y ventajas de la invención
aparecerán con la lectura de la descripción detallada que sigue,
para la comprensión de la cual se hará referencia a los dibujos
anejos, en los cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática y parcial
en corte axial de un motor conforme a las enseñanzas en la
invención;
- la figura 2 es una vista, desde abajo según el
eje del cilindro, de la cara inferior de la culata del motor de la
figura 1;
- la figura 3 es una vista esquemática en
perspectiva que ilustra la forma de la cara superior del pistón del
motor de la figura 1;
- la figura 4 es una vista esquemática en corte
axial que ilustra una variante de realización de la invención;
y
- la figura 5 es una vista similar a la de la
figura 2 que ilustra otra variante de realización de la
invención.
Se ha ilustrado en la figura 1 un cilindro 10 de
un motor de combustión interna con mando de encendido y de
inyección directa. El cilindro 10, de eje A1, está delimitado
dentro de un bloque motor 12 por una pared cilíndrica 14. El
cilindro 10 está delimitado hacia arriba por la cara inferior 16 de
una culata 18 y, hacia abajo, por la cara superior 20 de un pistón
22 que, de manera continua, está dotado de un movimiento
alternativo de traslación según un eje A1.
Dos conductos de admisión 24 de aire están
dispuestos en la culata 18 de forma que desembocan en la cara
inferior 16 de ésta. La comunicación entre los conductos de
admisión 24 y el cilindro 10 está permitida o interrumpida por
válvulas con mando de admisión 26.
De la misma manera, unos conductos de escape 28
desembocan en el cilindro 10 por medio de válvulas de escape 30.
En el ejemplo de realización ilustrado en las
figuras, la cara inferior 16 de la culata 18 está configurada en
"techo" de modo que presenta dos caras 32, 34 que son
sensiblemente planas y están inclinadas de un lado y de otro de una
arista superior 36. Los conductos de admisión 24 desembocan en una
de las caras 34 mientras que los conductos de escape 28 desembocan
en la otra cara 32.
Tratándose de un motor con mando de encendido,
una bujía de encendido 38 está atornillada en la culata 16 de tal
forma que los electrodos 40 desembocan en el cilindro 10,
sensiblemente sobre el eje A1 de éste, y así, al nivel de la arista
superior 36 de la cara inferior 16 de la culata 18.
Por otro lado, un inyector 42 está implantado en
la culata 18 de forma que una boca 44 del inyector 42 desemboca en
el cilindro 10 para poder proyectar directamente en el interior de
éste un chorro de combustible.
En este primer modo de realización de la
invención, el inyector 42 proyecta un chorro de combustible
sensiblemente cónico, estando el eje del chorro de combustible
sensiblemente confundido con el A2 del inyector 42 que, como puede
verse en las figuras 1 y 2, forma un ángulo de alrededor de 20º a
40º con un plano P perpendicular al eje A1 del cilindro 10. El eje
A2 del inyector 42 está contenido en un plano de referencia P0 que
es el de la figura 1, es decir el plano perpendicular a la arista
superior 36.
Según un primer aspecto de la invención, el
cilindro 10 está provisto de al menos un conducto de admisión 24
que tiene medios para crear, al menos para ciertas fases de
funcionamiento del motor un movimiento turbulento llamado de
"torbellino" en el cilindro 10. Estos medios pueden estar
constituidos simplemente por la forma del conducto de admisión 24
pero pueden también estar constituidos por medios adicionales
interpuestos en el conducto de admisión, móviles o fijos, y
susceptibles de perturbar el flujo de aire en el conducto 24 para
que, en el interior del cilindro 10, se cree un movimiento
turbulento que, en el plano de referencia P0 perpendicular a la
arista superior 36, gire alrededor de un eje paralelo a esta arista
36, en sentido contrario a las agujas del reloj cuando se mira el
cilindro 10 de tal forma que las válvulas de admisión estén a la
derecha y las válvulas de escape a la izquierda.
Gracias al movimiento turbulento así creado,
ilustrado principalmente en la figura 1, el chorro de combustible
tiende a ser interceptado por corrientes de gas que provocan una
acumulación de combustible en la proximidad de los electrodos 40 de
la bujía 34. Así, según la invención, la estratificación de la
mezcla carburada se obtiene gracias a la aerodinámica de los gases
dentro del cilindro 10, limitando el contacto del combustible con
las paredes del cilindro, es decir, limitando los contactos con la
cara superior 20 del pistón 22 y con la cara lateral 14 del
cilindro 10.
Según otro aspecto de la invención, la cara
superior 20 del pistón 22 tiene una cavidad cóncava 46 que permite
canalizar lo mejor posible el movimiento turbulento de
"torbellino" de los gases contenidos dentro del cilindro,
principalmente durante el tiempo de compresión durante el cual el
pistón 22 sube dentro del cilindro 10 hacia su posición de punto
muerto superior.
Esta cavidad 46 puede ser por ejemplo de forma
lenticular y estar centrada con relación al eje A1 del
cilindro.
Sin embargo, teniendo en cuenta el sentido de
rotación del movimiento turbulento de "torbellino", esta
cavidad 46 estará ventajosamente desplazada con relación al eje A1
de forma que está dispuesta sensiblemente debajo de las válvulas de
escape 30, como puede verse más particularmente en la figura 3. En
efecto, la parte ascendente de este movimiento de los gases es
entonces guiada por el lado de la cavidad 46 que, teniendo en
cuenta su desplazamiento, se encuentra casi en la vertical de la
bujía 38.
Como puede verse en esta figura, la cara superior
20 del pistón 22 tiene, por otra parte, en la vertical de la arista
superior 36, partes realzadas 48 que permiten limitar el volumen
residual del cilindro cuando el pistón 22 está en el punto muerto
superior, ello con el fin de obtener una relación de compresión
adecuada de los gases.
Sin embargo, es igualmente preferible que el
chorro de combustible proyectado por el inyector 42 esté dirigido
sensiblemente en dirección a la cavidad cóncava 46 con el fin de
poder interactuar con el movimiento turbulento que es canalizado
por esta cavidad. Eso es tanto más importante cuanto que, cuando se
desea realizar una fuerte estratificación de la mezcla aire -
combustible, la inyección del combustible se realiza relativamente
tarde en el momento de la compresión, es decir, cuando el pistón 22
se aproxima a su posición de punto muerto superior.
También, para que el chorro de combustible
alcance la cavidad 46, que está dispuesta al lado opuesto del
inyector 42 en el cilindro 10, sin chocar con la cara superior 20
del pistón 22, se ha previsto proveer a la cavidad 46 de una
extensión 50 que se extiende sensiblemente según la dirección del
chorro de combustible proyectado por el inyector 42, en la
dirección de éste. Las dimensiones y la profundidad de está
extensión, dispuesta en cruz entre las partes realzadas 48 de la
cara superior 20, dependen principalmente de la geometría del
chorro proyectado por el inyector 42.
Preferentemente, el chorro será elegido de forma
que el cono de proyección presente un ángulo en el vértice
sensiblemente comprendido entre 30º y 70º.
Sin embargo, las partes realzadas 48 estarán
dispuestas preferentemente de forma que no provoquen un efecto de
descarga o expulsión cuando el pistón 22 llega a su punto muerto
superior. En efecto, tal efecto de descarga, por el cual los gases
aprisionados entre la cara inferior 16 de la culata 18 y la cara
superior 20 del pistón 22 son expulsados según una dirección
perpendicular a la dirección de la arista superior 36, puede
revelarse como nefasto para una buena estratificación de la mezcla
carburada. También, incluso en la parte del pistón 22 que se
encuentra debajo de las válvulas de admisión 26, se preverá un
espacio suficiente entre la cara superior 22 del pistón 20 y la
cara inferior 16 de la culata 18.
En las figuras 4 y 5, se han representado dos
variantes de realización de la invención en la que se utiliza un
inyector 42 que proyecta un chorro de combustible cuyo eje A3 está
desviado angularmente con relación al A2 del inyector 42. Esta
desviación puede, como en el ejemplo de realización de la figura 4,
estar realizada en un plano que contiene a la vez al eje A1 del
cilindro y al eje A2 del inyector 42 o, como en el ejemplo de
realización de la figura 5, en un plano perpendicular al eje A1 del
cilindro 10.
En los dos casos, se trata entonces de poder
optimizar por una parte, la dirección del chorro de combustible y,
por otra parte, la implantación del inyector 42 en la culata 18, lo
que permite principalmente responder a las constricciones de
espacio o de refrigeración del inyector 42.
Se ha de entender que, las dos variantes de
desviación angular del chorro de combustible pueden ser utilizadas
en combinación.
Cuando se utiliza un inyector 42 cuyo eje A3 de
proyección difiere del eje A2 del inyector 42 en sí mismo, puede
ser interesante descentrar la cavidad 46 no solamente según una
dirección perpendicular a la arista superior 36 sino también
igualmente según una dirección paralela a ésta.
Claims (8)
1. Motor de combustión interna con mando de
encendido y de inyección directa, que tiene dos conductos de
admisión (24) y dos conductos de escape (28), del tipo en el cual
las dos válvulas de admisión (26) están dispuestas cada una de un
lado y de otro de un plano de referencia (P0) que contiene al eje
(A1) del cilindro (10), y del tipo que tiene un inyector de gasolina
(40) cuya boca (42) desemboca en el cilindro (10) entre las dos
válvulas de admisión (24), y una bujía de encendido (38) implantada
sensiblemente en el centro de la cara inferior (16) de la culata,
teniendo al menos uno de los conductos de admisión (24) medios para
crear en el cilindro (10), al menos para ciertas fases de
funcionamiento del motor, un movimiento turbulento llamado de
"torbellino" en el cual los gases contenidos en el cilindro
(10) están dotados de un movimiento de rotación alrededor de un eje
perpendicular a un plano de referencia (P0), en sentido contrario a
las agujas del reloj cundo se mira al cilindro (10) de tal modo que
las válvulas de admisión (26) están a la derecha y las válvulas de
escape están a la izquierda (30), de forma que favorezcan el
arrastre del combustible en dirección a la bujía (38), estando el
cilindro (10) delimitado hacia abajo por la cara superior (20) de
un pistón (22), que tiene en su cara superior (20) una cavidad
cóncava (46) descentrada de forma que está dispuesta sensiblemente
debajo de las válvulas de escape (30), caracterizado porque
la cavidad tiene un borde situado en la proximidad de la vertical
de la bujía con el fin de guiar el movimiento de los gases
directamente hacia la bujía.
2. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque el inyector (42) está dispuesto de
forma que proyecta un chorro de combustible en dirección de la
cavidad cóncava (46) del pistón (20).
3. Motor según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque la cavidad cóncava (46) tiene una
extensión (50) que se extiende sensiblemente según la dirección
(A2, A3) del chorro de combustible proyectado por el inyector
(42).
4. Motor según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el eje
(A3) del chorro de combustible está desviado angularmente con
relación al plano de referencia (P0).
5. Motor según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque, en el
plano de referencia (P0), el eje (A2) del chorro de combustible
forma un ángulo sensiblemente comprendido entre 20º y 40º con un
plano perpendicular (P) al eje (A1) del cilindro (10).
6. Motor según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el chorro
de combustible se extiende hacia el interior de un cono cuyo ángulo
en el vértice está sensiblemente comprendido entre 30º y 70º.
7. Motor según una cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cara
superior del pistón tiene en la periferia de la cavidad partes
realzadas situadas sensiblemente según el diámetro perpendicular al
plano de referencia.
8. Motor según la reivindicación 7,
caracterizado porque la forma de las partes realzadas está
elegida para no provocar un efecto de descarga.
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