ES2253964B1 - Motor de explosion de ciclo combinado basado en el aporte de anhidrido carbonico (co2) a los gases de combustion. - Google Patents
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Abstract
Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (CO{sub,2}) a los gases de combustión. A partir de la estructuración básica de un motor de explosión convencional, indistintamente en la modalidad de gasolina o de gasoil, con su correspondiente bloque motor (6) y cilindros (7), la invención consiste en dotar a dicho motor de inyectores complementarios (8) para anhídrido carbónico (CO{sub,2}) (2) procedente de un depósito suministrador (1) de gas licuado, de manera que dichos inyectores (8) suministran el anhídrido carbónico (CO{sub,2}) debidamente dosificado a cada cilindro (7) después de que el pistón ha rebasado el punto muerto superior (15), inmediatamente a continuación de haberse producido la ignición del combustible, con lo que parte del calor generado por esta última es absorbido por el anhídrido carbónico (CO{sub,2}), que sufre una fuerte expansión, con el consecuente y paralelo incremento de la potencia del motor. En la conducción (4) de alimentacióndel anhídrido carbónico (2) desde el depósito (1) hasta los cilindros (7), se establece un intercambiador térmico (5), establecido a su vez en el tubo de escape (9) del motor, para que el anhídrido carbónico (CO{sub,2}) (2) a temperatura ambiente en el depósito (1), llegue precalentado al motor (6).
Description
Motor de explosión de ciclo combinado basado en
el aporte de anhídrido carbónico (CO_{2}) a los gases de
combustión.
La presente invención se refiere a un nuevo
motor de explosión de ciclo combinado, que partiendo de la
estructuración básica de un motor de gasolina (ciclo Otto) o de
motor de gasoil (ciclo diesel) centra sus características en el
hecho de que el ciclo termodinámico, por el que se rige en ambos
casos, se encuentra modificado por la aportación de un gas,
concretamente anhídrido carbónico (CO_{2}), que al entrar en
contacto con los gases calientes de la combustión experimenta una
fuerte dilatación térmica, contribuyendo así a incrementar
notablemente la presión dentro del cilindro.
Esto se traduce obviamente en un aumento del par
motor y, en consecuencia, en un aumento de la potencia del
motor.
La regulación del motor puede llevarse a cabo de
dos maneras, una regulando la entrada de aire y combustible que se
quema dentro de los cilindros del motor, como sucede actualmente en
un motor convencional, y la otra dosificando o modificando la
cantidad de anhídrido carbónico aportado al cilindro.
Así pues el objeto de la invención es conseguir
un motor de ciclo combinado, desde el punto de vista termodinámico,
en el que la energía desprendida en la combustión se aprovecha
mejor en cuanto a su conversión en un trabajo mecánico útil,
precisamente por la combinación de dos ciclos termodinámicos
distintos, pero con la especial particularidad de que, al mezclarse
los gases que participan en el mismo, se consigue un grado de
complejidad mecánica para el motor considerablemente menor que el de
los motores de ciclo combinado en los que los gases actúan sin
mezclarse.
El motor que la invención propone resulta
especialmente idóneo para ser utilizado en el ámbito de la
automoción.
Son conocidos motores de ciclo combinado,
basados en la combinación de dos ciclos termodinámicos distintos,
como por ejemplo uno de gas y otro de vapor, lo que redunda en una
temperatura final de los gases de combustión, es decir al final del
proceso termodinámico, considerablemente menor, lo cual significa
que la energía térmica que se cede al medioambiente tiene un nivel
de temperatura más bajo.
Sin embargo estos motores de explosión de ciclo
combinado están concebidos para recuperar el vapor de agua, de
manera que éste pueda enfriarse y condensarse para su
reutilización, lo que trae consigo una extraordinaria complejidad
mecánica en el motor, que requiere de medios independientes para el
tratamiento de los gases, lo que no sólo repercute a nivel de
costos sino que hace que estos motores de ciclo combinado no puedan
ser aplicados al ámbito del automóvil, para el que se ha concebido
fundamentalmente el motor de la invención, tanto por razones de
espacio como de peso.
El motor de ciclo combinado que la invención
propone, resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática
anteriormente expuesta.
Para ello y de forma más concreta el motor que
se preconiza, parte de una fuente de alimentación de anhídrido
carbónico (CO_{2}), consistente en un depósito de capacidad
apropiada, donde dicho anhídrido carbónico (CO_{2}) puede estar
en fase líquida o gaseosa, en función de las condiciones
medioambientales, estando dicho depósito debidamente conectado con
los cilindros del motor, a los que el anhídrido carbónico
(CO_{2}) accede a través de inyectores diseñados al efecto, bien
con la misma presión con la que dicho gas se encuentra en el
depósito o bien a una presión mayor con la colaboración de una
bomba apropiada, introduciéndose el anhídrido carbónico (CO_{2})
en cada cilindro inmediatamente a continuación de que el pistón
haya rebasado el punto muerto superior, para evitar la sobrecarga de
presión dentro del cilindro y además para dar tiempo a que tenga
lugar la combustión del combustible inyectado, como por ejemplo la
gasolina o el gasoil, de manera que al entrar en contacto el
anhídrido carbónico (CO_{2}) con los gases de la combustión, a
alta temperatura, se produce un calentamiento de dicho anhídrido
carbónico (CO_{2}) que origina una expansión del mismo con el
consecuente incremento de presión en el interior del cilindro y, a
su vez, con el consecuente incremento de potencia en la carrera de
expansión.
De acuerdo con otra de las características de la
invención se ha previsto que el anhídrido carbónico (CO_{2}) se
inyecte en la periferia del cilindro, con lo que se consigue un
doble efecto: por un lado no interferir excesivamente en los gases
de la combustión y por otro, y esto es fundamental, establecer una
barrera de aislamiento térmico entre la masa de los gases calientes
dentro del cilindro y la pared del mismo, lo que evita las fugas
del calor y mejora el rendimiento del motor. La turbulencia dentro
del cilindro garantiza en todo momento el calentamiento gradual y
progresivo del anhídrido carbónico (CO_{2}) y la transferencia
del calor entre los gases calientes y el gas (CO_{2}) más frío
que se inyecta dentro de los cilindros. Esto supone que el
incremento de la presión sea gradual y no explosivo, ya que el
objetivo que se persigue es mantener lo más uniformemente posible la
presión dentro del cilindro durante el primer tramo de la carrera
de expansión. Al final de la citada carrera de expansión, el
anhídrido carbónico (CO_{2}) inyectado es expulsado fuera del
motor con el resto de los productos de combustión.
La aportación de gas a los cilindros supone un
incremento de la potencia del motor. Ese aumento de potencia puede
regularse reduciendo la aportación de combustible con objeto de no
sobrepasar la potencia límite demandada en cada momento. Con ello
se puede conseguir una reducción del consumo del combustible del
motor más que notable por dos razones: Una de ellas porque la
mera aportación de gas (CO_{2}) a cada uno de los cilindros del
motor ya supone de por sí un aumento de la presión dentro de los
mismos, y otra porque la fuerte dilatación que experimenta el
anhídrido carbónico (CO_{2}) inyectado potencia aún más el
incremento de presión.
Si el gas entra ya precalentado dentro del
cilindro este efecto es aún mayor, por lo que se ha previsto que
entre el depósito de anhídrido carbónico y los cilindros se
establezca un intercambiador térmico que, aprovechando los gases de
escape, es decir los gases residuales de la combustión, trasmita el
calor de los mismos al anhídrido carbónico (CO_{2}), para elevar
la temperatura de este último.
Como materia prima para el motor que la
invención propone puede utilizarse, entre otras el anhídrido
carbónico (CO_{2}) que actualmente se desecha en los yacimientos
de petróleo y gas natural, explotaciones que producen anualmente
millones de toneladas de dicho gas y que en la actualidad pasan
directamente a la atmósfera contribuyendo a incrementar el nivel de
dióxido de carbono presente en ella. Este gas, que tiene que ser
separado del petróleo y del metano que es el componente principal
del gas natural, puede ser canalizado y transportado, debidamente
licuado, a los centros de distribución correspondientes, para
finalmente ser utilizado en motores de explosión como el de la
invención, consiguiéndose la doble ventaja de disminuir el consumo
de energía y al mismo tiempo disminuir la contaminación atmosférica
derivada de la propia combustión de algunos derivados del petróleo
tales como el gasoil y la gasolina.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente
de realización práctica del mismo, se acompaña como parte
integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con
carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación
esquemática básica de una instalación de anhídrido carbónico
(CO_{2}) licuado para alimentación de un motor de explosión de
ciclo combinado realizado de acuerdo con el objeto de la presente
invención, en su aplicación específica a un vehículo automóvil.
La figura 2.- Muestra un diagrama del ciclo de
trabajo del motor de la figura anterior.
A la vista de las figuras reseñadas, en especial
de la figura 1, puede observarse como, a partir de un motor de
explosión de cualquier tipo convencional, es decir de gasolina o de
gasoil, al vehículo correspondiente se incorpora un depósito (1)
para el anhídrido carbónico (CO_{2}) (2) en fase líquida, con
cualquier capacidad apropiada, depósito (1) asistido por una
válvula de seguridad (3) que impide que la presión en el interior
del mismo sobrepase el nivel máximo preestablecido al efecto.
Del depósito (1) emerge una conducción (4) que,
atravesando un intercambiador de calor (5), alcanza el bloque motor
(6), y más concretamente cada uno de los cilindros (7) establecidos
en el mismo, a través de respectivos inyectores (8) representados
esquemáticamente en la citada figura 1.
El intercambiador de calor (5) utiliza como
energía térmica la inherente a los gases de combustión que produce
el propio motor (6), de manera que dicho intercambiador (5) queda a
su vez intercalado en el tubo de escape (9) que, procedente del
colector de escape (10), evacúa los gases de combustión al exterior
por su salida terminal (11), tras pasar por el clásico silenciador
(12).
La válvula de seguridad (3) estará asistida por
una conducción (13) comunicada también con el tubo de escape
(9).
De acuerdo con esta estructuración y como
anteriormente se ha dicho, paralelamente a la combustión en cada
uno de los cilindros (7) del combustible de que se trate, gasolina
o gasóleo, una vez que el correspondiente pistón ha rebasado el
punto muerto superior, se produce la apertura del inyector (8)
correspondiente, para aportar a dicho cilindro (7) la dosis
preestablecida de anhídrido carbónico (CO_{2}), precalentada en el
intercambiador de calor (5), de manera que el anhídrido carbónico
(CO_{2}), al entrar en contacto con los gases generados en la
explosión del combustible sufre un acusado incremento de
temperatura, que se traduce a su vez en una notable expansión, que
consecuentemente incrementa también la presión existente en el
interior del propio cilindro (5) y, en consecuencia, la potencia
generada por el correspondiente pistón.
Este efecto se observa gráficamente en el
diagrama de la figura 2, correspondiente al ciclo de trabajo del
motor, en el que en abscisas se ha representado el volumen de la
cámara de cada cilindro y en ordenadas la presión, en el que la
referencia (14) corresponde al punto muerto inferior y la
referencia (15) al punto muerto superior, en el que la referencia
(16) muestra el área de trabajo realizada por los gases de
combustión y la referencia (17) el área de trabajo suplementaria
realizada por la aportación de anhídrido carbónico (CO_{2}), en
la que la referencia (18) muestra el punto en el que comienza la
inyección de combustible (ignición) poco antes de alcanzar el
pistón el punto muerto superior y en la que la referencia (19)
muestra el momento en el que se inicia la inyección de anhídrido
carbónico una vez rebasado el punto muerto superior.
Como salta a la vista de la observación de esta
figura 2, el área de trabajo (17) debida a la incorporación del
anhídrido carbónico (CO_{2}) es una continuación o ampliación del
área de trabajo (16) realizada por los gases de combustión,
evidenciando además dicha figura que la invención permite, para una
misma potencia del motor una acusada disminución en el consumo de
combustible, o bien un fuerte incremento de la potencia del
motor, sin incremento del consumo de combustible y sin aumentar la
temperatura límite del motor, al ser absorbido parte del calor de
los gases de combustión por el anhídrido carbónico (CO_{2})
durante la fase de expansión del mismo.
Se consigue paralelamente un incremento muy
importante de la elasticidad del motor, que prácticamente nunca
llegaría a pararse puesto que la inyección del gas en los cilindros
lo mantendría siempre en movimiento dentro un régimen de mínimas
revoluciones.
Se produce también un importante aumento de la
seguridad en el caso de incendio del vehículo, ya que el anhídrido
carbónico (CO_{2}) (2) existente en el depósito (1) de
alimentación del motor puede usarse como agente extintor de
incendios.
Ofrece además la posibilidad de arranque del
motor aún en caso de fallo del sistema eléctrico de arranque, ya
que basta con activar un dispositivo de entrada de gas al interior
de los cilindros para ponerlos en movimiento, permitiendo que se
realice la combustión.
Supone además un menor desgaste del motor por
sobrecalentamiento térmico de las piezas del mismo, sobre todo las
que corresponden a las válvulas de escape y zonas del colector de
gases, que se traduce en una prolongación de la vida útil del
motor.
Se reduce ostensiblemente la producción de
hollín debido a la falta de oxígeno para la combustión del gasoil
que se quema dentro del motor, ya que al quemarse menos combustible
y quemarse en mejores condiciones, con la misma cantidad de aire en
el caso del motor diesel, la formación de hollín se reduce y el
aceite lubricante se ensucia menos permitiendo espaciar más los
cambios de aceite.
Además, un vehículo provisto con este tipo de
motor podría funcionar mejor en condiciones atmosféricas difíciles,
como las que existen en los puertos de montaña elevados, donde la
menor presión atmosférica se traduce en falta de potencia y en
sobrecalentamiento del motor.
Ofrece además la posibilidad de mantener el
motor funcionando en lugares cerrados, alimentado sólo con
anhídrido carbónico (CO_{2}) en un ralentí de muy bajas
revoluciones, eliminando totalmente el riesgo de envenenamiento de
la sangre por monóxido de carbono.
Claims (5)
1. Motor de explosión de ciclo combinado basado
en el aporte de anhídrido carbónico (CO_{2}) a los gases de
combustión, que siendo especialmente idóneo para ser utilizado en
el ámbito de la automoción incorpora una estructuración básica
equivalente a la de un motor de explosión convencional de gasolina
o gasoil, y que se caracteriza porque en correspondencia con
cada cilindro (7) de dicho motor se incorpora un inyector (8) para
anhídrido carbónico (CO_{2}) (2) procedente de un depósito (1)
suministrador de dicho gas, de manera que inmediatamente después de
la explosión del combustible y por efecto de la misma, se produce
una fuerte dilatación térmica del anhídrido carbónico (CO_{2}),
que se traduce en un aumento del par motor.
2. Motor de explosión de ciclo combinado basado
en el aporte de anhídrido carbónico (CO_{2}) a los gases de
combustión, según reivindicación 1ª, caracterizado porque
los inyectores (8) para el anhídrido carbónico (CO_{2}) están
comandados de manera que la apertura de la mismos, y
consecuentemente la entrada de anhídrido carbónico en cada cilindro,
se produce después de que el pistón haya rebasado el punto muerto
superior, inmediatamente a continuación de haberse producido la
combustión en el seno del cilindro (7) del combustible
inyectado.
3. Motor de explosión de ciclo combinado basado
en el aporte de anhídrido carbónico (CO_{2}) a los gases de
combustión, según reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque cada inyector (8) suministra al correspondiente cilindro (7)
el anhídrido carbónico (CO_{2}) cerca de la superficie interior
de dicho cilindro (7), de manera que el anhídrido carbónico genera
una barrera perimetral para los gases de combustión, que absorbe
para su propia dilatación parte sustancial de dicho calor y que
reduce el nivel térmico en el bloque motor (10).
4. Motor de explosión de ciclo combinado basado
en el aporte de anhídrido carbónico (CO_{2}) a los gases de
combustión, según reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque en el conducto (4) de alimentación del anhídrido carbónico
(CO_{2}) a los cilindros (7) desde el depósito (1) suministrador
de dicho gas, se establece un intercambiador de calor (5) que eleva
la temperatura del anhídrido carbónico existente en dicho depósito
(1) previamente al acceso del mismo a los cilindros (7), habiéndose
previsto que dicho intercambiador de calor (5) esté a su vez
intercalado en el tubo de escape (9) sobre el que confluye el
colector de escape (10) del motor (6).
5. Motor de explosión de ciclo combinado basado
en el aporte de anhídrido carbónico (CO_{2}) a los gases de
combustión, según reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el depósito (1) contenedor del anhídrido carbónico
(CO_{2}) (2) incorpora una válvula de seguridad (3),
preferentemente conectada mediante una conducción (13) con el tubo
de escape (9) del motor, válvula (3) que limita la presión máxima
en el interior de dicho depósito (1).
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