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.

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ES2212244T3 ES98403040T ES98403040T ES2212244T3 ES 2212244 T3 ES2212244 T3 ES 2212244T3 ES 98403040 T ES98403040 T ES 98403040T ES 98403040 T ES98403040 T ES 98403040T ES 2212244 T3 ES2212244 T3 ES 2212244T3
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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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