ES2222686T3 - Sistema para la introduccion intermitente y/o secuencial de un combustible gaseoso. - Google Patents

Abstract

Motor de combustión interna multi-cilindro que comprende un sistema para la introducción intermitente y/o secuencial de un combustible gaseoso tal como GLP vaporizado, gas natural o hidrógeno, que comprende un suministro (11, 12) separado de combustible gaseoso para cada cilindro (3) del citado motor de combustión con una válvula medidora (6) para cada cilindro situado en el mismo, caracterizado porque la citada válvula medidora que tiene una entrada a alta presión y una salida a baja presión comprende al menos una válvula auxiliar (16), que tiene una única entrada del lado de la presión alta y una única salida hacia el lado de la presión baja y una restricción (26) aguas arriba de la citada válvula auxiliar (16), la cual, mediante una diferencia de presiones a través de la válvula medidora controla una válvula principal (27) dispuesta en la citada válvula medidora.

Description

Sistema para la introducción intermitente y/o secuencial de un combustible gaseoso.

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna multi-cilindro que comprende un sistema para la introducción de un combustible gaseoso de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

Con el fin de proporcionar una dosis exacta a cada uno de los cilindros, es conocido utilizar un suministro de gas común adaptado a ellos y que, con la ayuda de una válvula de cierre con varias ranuras, cada uno de los cilindros es alimentado separadamente con una cantidad de gas exactamente dosificada, en la que la posición de las ranuras es controlada eléctricamente y determina cuánto gas es inyectado. Si tal sistema es conectado en bucle cerrado con una sonda Lambda, los requisitos medioambientales actuales pueden ser cumplidos. Un ejemplo de esto puede encontrarse en la patente europea 0.563.223.

Sin embargo, se están poniendo requisitos cada vez más altos en la mezcla óptima de combustible, bajo circunstancias cambiantes. Esto puede incluir el cambio del número de revoluciones, por ejemplo, y la carga de los motores de combustión interna.

En motores de combustión interna de gasolina, se han desarrollado controles para la introducción intermitente o secuencial de gasolina (líquida). Si tiene lugar un control intermitente con una frecuencia igual o mayor que las revoluciones del árbol de levas del motor de combustión, este control ofrece la posibilidad de suministrar la cantidad óptima de combustible para cada ciclo de combustión. Esto es porque el período requerido para el suministro de combustible es menor que el tiempo de ciclo del motor de combustión. Durante la conmutación de apertura y cierre del suministro de combustible, pueden ocurrir problemas, sin embargo, en el suministro de la cantidad correcta de combustible a los cilindros separados. Conmutando simultáneamente la apertura y cierre del suministro de combustible de varios cilindros, uno o más de los cilindros reciben sólo una parte del combustible requerido, por lo que puede resultar una mezcla incorrecta. Si el control es completamente secuencial, esto es, para cada cilindro separado la cantidad correcta de combustible en el momento correcto, entonces la dosis puede también ser suministrada correctamente durante la conmutación de la apertura y cierre del suministro de combustible.

Aparte de la ventaja en la apertura y cierre, se consiguen otras reducciones de las emisiones por medio de un control secuencial mediante la introducción del combustible en el momento más óptimo para cada cilindro particular.

De los documentos "SAE Technical Paper Series" 951913 "Ultra Rapid Natural Gas Port Injection", se conoce un sistema de inyección secuencial multi-punto para gas natural (metano). El inyector usado ahí tiene una válvula de metal en forma de disco que es accionada por una bobina.

Tal sistema funciona sólo con una pre-presión relativamente alta (varios bares), requiere una potencia eléctrica considerable, por lo que el desgaste no es despreciable y es mayor que el tiempo de vida de otros componentes del motor. Las dimensiones de la bobina, en particular, son un obstáculo para la realización de esta construcción. Después de todo, en los motores de combustión modernos hay un espacio limitado disponible para (después) montar los inyectores para combustible gaseoso y debe haber un grado de libertad significativo en la posición de instalación. Mediante inyección intermitente o secuencial de consigue mayor grado de libertad con respecto al ajuste de distribución y a la geometría del colector.

El documento US 4503887 describe un sistema de medición para una bomba de gasolina. Se proporciona una válvula que comprende un paso principal y un paso auxiliar, en la que en el paso principal existe una membrana controlada por la posición de apertura del paso auxiliar.

El documento US-5052360 describe un motor multi-cilindro en el que cada cilindro está provisto de su propia boquilla de inyección para inyección intermitente de combustible gaseoso.

El objeto de la presente invención es evitar las desventajas mencionadas anteriormente. Este objeto es conseguido en un motor de combustión interna descrito anteriormente con las características de acuerdo con la reivindicación 1.

Se ha encontrado que con una construcción de válvula auxiliar/principal relativamente simple, la conmutación es posible a frecuencias particularmente altas, sin que ocurran desviaciones de la característica de apertura de la válvula principal no permitidas. Esta construcción también proporciona un mayor grado de libertad con respecto a las dimensiones del asiento de la válvula principal y a la presión de trabajo.

Se ha de notar que por la solicitud de patente holandesa 9101106 se conoce una válvula de dosificación para aplicaciones neumáticas. En ella, se utiliza una válvula auxiliar que está conectada por un lado a la salida de gas. El otro lado de la válvula auxiliar no está directamente conectado al suministro de gas, sino que una membrana está conectada entre ellos. Se supone que mediante subpresión en la salida, cuando la válvula auxiliar está abierta, la membrana es aspirada hacia fuera del suministro para que sea liberado un suministro mayor. En esa construcción conocida la membrana cierra dos pequeños conductos que están conectados por medio de un canal con el otro lado de la membrana, proporcionando así el control. Es por tanto posible que, durante el movimiento de cierre de la membrana hacia los pequeños conductos en particular, se cree un efecto de retardo que puede culminar en un comportamiento de "tartamudeo".

El documento JP-A-06017709 describe un suministro de combustible gaseoso accionado mediante válvula piloto, de un motor de combustión interna.

Tal construcción está dirigida a la introducción central de combustible mediante un mezclador, mientras que la presente solicitud se dirige al uso de uno o más inyectores para cada cilindro (inyección multipunto).

De acuerdo con otra realización ventajosa de la invención, un controlador está presente para el control separado de cada una de las válvulas dosificadoras, dependiendo de las condiciones de operación del motor de combustión interna.

De acuerdo con una realización ventajosa de la invención, la válvula auxiliar está conectada directamente por un lado con el suministro de gas y por el otro lado con la salida de gas, en la que el volumen de la válvula principal está conectado con el suministro de gas a través de una restricción. Más particular, la válvula principal comprende una válvula controlada por membrana, en la que en un lado de la membrana la presión del suministro de gas actúa a través de una restricción, y en la que sobre una parte del otro lado de la membrana actúa la misma presión de suministro de gas, y en otra parte del citado otro lado actúa la presión de salida de gas.

De acuerdo con otra realización ventajosa, la salida de gas de las válvulas principal y auxiliar es compartida.

La membrana puede comprender cualquier material conocido en el sector y en particular son preferidos los materiales de caucho. La válvula auxiliar puede ser cualquier válvula conocida en el estado de la técnica, tal como una válvula de aguja o una válvula de disco.

De acuerdo con una realización ventajosa de la invención, las válvulas principal y auxiliar están hechas de forma que un máximo de 30% de la cantidad total de gas fluya a través de la válvula auxiliar y un mínimo de 70% a través de la válvula principal.

La invención se aclarará en lo que sigue con referencia a una realización de ejemplo que se muestra en los dibujos. Estos muestran:

Fig. 1 muy esquemáticamente, una parte de un motor de combustión interna provisto del sistema de acuerdo con la invención; y

Fig. 2 más elaborada, la válvula dosificadora que está incorporada en ese sistema,

Fig. 3 un dibujo de la válvula dosificadora de acuerdo con la invención, usada en la práctica.

En la fig. 1 se muestra un motor de combustión interna al que se hace referencia generalmente con 1. Sólo se muestra una aplicación del sistema en combinación con este motor de combustión interna. Debe entenderse que puede estar presente un sistema que trabaja con gasolina, en el que, posiblemente, cualquiera de los sensores presentes pueden ser compartidos.

Varias partes del motor de combustión interna se muestran esquemáticamente y éstas consisten en al menos dos pistones 2 y dos cilindros 3. Las válvulas de admisión 5 están ajustadas en los canales de admisión 4. Aguas arriba de las válvulas de admisión existe siempre una válvula de admisión 12 para gas, la cual está conectada por medio de una válvula dosificadora 6 a una rama 11 del suministro 10 de gas. No se muestra cómo es suministrado el gas 10. Esto puede realizarse por medio de un evaporador o cualquier otra construcción conocida en la técnica. Se ha de entender que el motor de combustión interna puede comprender un motor tanto movible como estacionario.

Como se muestra en la fig. 2, la válvula dosificadora 6 (inyector) comprende una válvula principal y una válvula auxiliar, en la que la válvula auxiliar está eléctricamente controlada por medio de un cable 7 que está conectado al controlador 8. Al controlador 8 llegan más cables, tales como el cable 9, conectado a otros sensores del motor (no mostrados).

Tales sensores pueden por ejemplo estar situados en el árbol de levas y/o el cigüeñal para establecer con exactitud la posición del motor 1. Es también posible tomar señales de un controlador ya presente en el motor, tal como el de la inyección de gasolina. El cable 13 está conectado al sensor 14 que vigila la posición del volante motor 31 del motor de combustión interna.

En la fig. 2 se ha elaborado más una válvula dosificadora 6. Esta muestra que la rama 11 pasa al interior de la entrada de gas 22 del alojamiento o caja 15. Hay también una salida de gas 23 en el alojamiento 15, que pasa al interior de la salida de gas 12. Una válvula auxiliar 16 está montada en el lado del alojamiento 15. Esta consiste en una bobina eléctrica 17 estacionaria que es accionada por medio de un cable eléctrico 7. En el interior hay un vástago 21 de una válvula de aguja 18 que puede moverse hacia atrás y hacia adelante por la interacción de la fuerza magnética generada por la bobina 17 y el resorte 19. La válvula de aguja 18 trabaja sobre un asiento de válvula 20 que conduce a un canal de salida 30.

El alojamiento 15 está dividido en una cámara 25 y en una cámara 29 en forma de anillo. La separación de estas dos cámaras es realizada mediante la membrana 27. La entrada de gas 22 está conectada directamente por un lado con la cámara 29 y por el otro lado, mediante una restricción 26, está conectada a la cámara 25. La cámara 25 está conectada en el otro lado con la válvula de aguja 18. Además, la membrana 27 está conectada a la salida de gas 23.

La construcción descrita con referencia a la fig. 2 funciona como sigue:

Si la válvula de aguja 18 está cerrada, la membrana 27 será presionada contra el anillo de cierre 28, debido a las dimensiones de las diferentes superficies, puesto que la salida de gas 23 tiene generalmente una menor, pero en ningún caso una mayor, presión que la presión del suministro de gas. El gas no puede por tanto, ni mediante la membrana 27 ni mediante la válvula de aguja 18 cerrada o la entrada de gas 22, entrar al interior de la salida de gas 23.

Si se requiere un flujo de gas hacia la salida de gas 23, la válvula auxiliar 16 se abre mediante la excitación de la bobina 17. En consecuencia, el gas fluirá desde la entrada de gas 22, a través de la restricción 26, a lo largo de la válvula de aguja 18 al interior del canal 30. Debido a la presencia de una subpresión en la salida 23 (presión de admisión) y la restricción 26, la presión en la cámara 25 será menor que la presión del suministro de gas, esto es, la presión en la cámara 29. En consecuencia, la membrana 27 se moverá hacia arriba y tendrá lugar un flujo directo desde la cámara 29 hacia la salida de gas 23.

Si la válvula de aguja 18 se cierra entonces, la presión sobre la membrana 27, esto es, en la cámara 25, se elevará, porque el efecto de la restricción 26 se anula. En consecuencia, la membrana 27 será empujada de nuevo contra el anillo 28.

Durante las pruebas, se ha visto que una construcción tal puede ser conmutada a velocidades muy altas. Se han hecho pruebas a varios cientos de Hz, en las que no se encontraron problemas. Con un motor de combustión interna de rotación rápida normal trabajando con el principio de los cuatro tiempos, la frecuencia será en la práctica aproximadamente 20 Hz y la máxima frecuencia de activación estará entre 60 y 70 Hz para motores de alta revolución.

Como el movimiento de la membrana no tiene ninguna influencia en su control, como indica la construcción descrita en la solicitud de patente Holandesa 9101106, el posible efecto de retardo que lo acompaña no estará presente. Esto es, el gas suministrado a través de la constricción 26 que conduce a un aumento de la presión en la membrana 27 para una válvula de cierre de admisión cerrada, no es conducido a través de una restricción que depende de la posición de la membrana. Debido a esto, se puede garantizar un movimiento de apertura y cierre bien definido.

Se ha de entender que, utilizando dimensiones adecuadas para los diferentes canales y superficies y la presión existente en ambas caras de la membrana 27 y salida de la restricción 26, la velocidad de apertura y cierre de la membrana puede ser controlada. Estas y otras variaciones están claras para los expertos en la técnica tras la lectura de la descripción precedente y están en el ámbito de las reivindicaciones adjuntas. Con la construcción de acuerdo con la presente invención, no es necesario suministrar el gas a alta presión. Después de todo, la válvula principal tiene una superficie suficientemente grande como para permitir también la introducción del gas a una presión relativamente baja, para que no se originen problemas durante el uso con gases que contengan butano, en los que, a alta presión, el peligro de transferencia de la fase líquida está presente. La salida principal 23, descrita anteriormente, puede tener un diámetro de 3 mm, por ejemplo, mientras que la presión de gas aplicada puede ser de aproximadamente 1-2 bar de sobre-presión.

Simplemente variando el diámetro, por ejemplo, colocando otros anillos o espaciadores en el intervalo de 2-4 mm, la válvula puede ser adaptada a un tipo particular de combustible y/o motor de combustión.

Se ha encontrado que con un suministro de gas de aproximadamente 5% en volumen a través de la válvula auxiliar, y el paso de al menos 95% en volumen de gas a través de la válvula principal, se puede alcanzar un control de la válvula principal suficientemente exacto. Esto significa que la válvula auxiliar puede ser fabricada en un formato particularmente pequeño y de reacción rápida.

Se ha de entender que la relación entre la cantidad de gas que fluye a través de la válvula auxiliar y la cantidad que fluye a través de la válvula principal es extremadamente dependiente de las condiciones de operación. Si el movimiento de apertura/cierre se lleva una parte relativamente grande del tiempo de apertura, el porcentaje de gas que fluye a través de la válvula auxiliar será considerablemente diferente de la situación en la que el tiempo de cierre de las diferentes válvulas con respecto al tiempo de apertura/cierre sea menos relevante. Además se ha de entender que varias válvulas auxiliares están conectadas una tras otra para realizar un "amplificador" escalonado.

Con la construcción de acuerdo con la invención, sólo se requiere una pequeña cantidad de potencia eléctrica para accionarla, en contraste con los inyectores de gas multipunto intermitentes que existen corrientemente en el mercado.

En la fig. 3, se muestra una realización de la construcción de acuerdo con la invención realizada en la práctica. Esta está generalmente indicada como 36. El cable de accionamiento eléctrico está indicado como 37 y está conectado con un controlador (no mostrado). Esto proporciona una bobina 47 con energía. La bobina está provista de una placa 41 de inducido que se mueve hacia la bobina cuando ésta es excitada. Estos movimientos son contrarrestados por medio de un resorte 49 de diafragma. La válvula de corte actual está indicada como 48 y consiste en un material de caucho que proporciona un cierre hermético contra un asiento 50. El gas es introducido por un conducto 41 y fluye alrededor de la bobina 47. El resultado es que esta bobina 47 esté provista de refrigeración. El gas va a través del canal 54 y la restricción 46 para entrar en la cámara 55 sobre la membrana 57. Esta membrana 57 produce un cierre hermético con respecto al borde de obturación 58 donde puede encontrarse también una cámara 59. La salida de gas está indicada como 53 y ésta conduce hacia una parte de un colector de admisión 40 mostrada esquemáticamente.

La fig. 3 muestra que el aparato puede ser construido de forma extremadamente compacta. Se ha probado como técnicamente posible hacer el diámetro de las partes principales del aparato realizado menor de 2 cm.

Aunque la invención precedente se ha descrito con referencia a unas pocas realizaciones preferidas, se ha de entender que se pueden hacer cambios fácilmente, que son claros para las personas expertas en la técnica y que están dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas.

Claims (8)

1. Motor de combustión interna multi-cilindro que comprende un sistema para la introducción intermitente y/o secuencial de un combustible gaseoso tal como GLP vaporizado, gas natural o hidrógeno, que comprende un suministro (11, 12) separado de combustible gaseoso para cada cilindro (3) del citado motor de combustión con una válvula medidora (6) para cada cilindro situado en el mismo, caracterizado porque la citada válvula medidora que tiene una entrada a alta presión y una salida a baja presión comprende al menos una válvula auxiliar (16), que tiene una única entrada del lado de la presión alta y una única salida hacia el lado de la presión baja y una restricción (26) aguas arriba de la citada válvula auxiliar (16), la cual, mediante una diferencia de presiones a través de la válvula medidora controla una válvula principal (27) dispuesta en la citada válvula medidora.

2. Sistema de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende un suministro (11, 12) separado para cada cilindro (3).

3. Sistema de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 2, que comprende un control (8) para el control separado de cada una de las válvulas medidoras, dependiendo de las condiciones de operación del citado motor de combustión interna.

4. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que la válvula principal comprende una válvula de corte controlada mediante una membrana (27), en la que en un lado de la membrana actúa la presión de suministro del gas mediante una restricción y por lo que sobre una parte (29) del otro lado de la membrana actúa la misma presión de suministro del gas y en otra parte (23) de ese otro lado se aplica la presión de salida del gas.

5. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que la salida de gas de la válvula principal y de la válvula auxiliar es compartida.

6. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en combinación con la reivindicación 3, en el que el control (8) está conectado a un sensor de posición (14) del motor.

7. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes en combinación con la reivindicación 4, en el que la citada membrana (27) comprende un material de caucho y/o material sintético.

8. Sistema de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el que las válvulas principal y auxiliar están construidas de tal forma que un máximo de 30% de la cantidad total de gas fluye a través de la válvula auxiliar y un mínimo de 70% fluye a través de la válvula principal.