ES2257400T3 - Camara de precombustion para un motor de circuito integrado y un conjunto de electrodo para producir una combustion en una parte de la camara de precombustion. - Google Patents

Abstract

Conjunto (10, 101) constituido por una cámara de precombustión (1) y un electrodo (2, 22) para producir la ignición y la combustión de un combustible (5) al mismo tiempo que se mantiene la temperatura de la llama por debajo de un valor predeterminado, y mantener el frente de la llama (F) en la proximidad a una abertura (1p) de la cámara de precombustión (1) que se abre en uno o más cilindros (3i) y un inyector de combustible (4) que inyecta combustible, siendo dicho combustible (5) inyectado hacia dicha abertura (1p) de la cámara de precombustión (1) por medio de dicho inyector (4) cuya tobera de inyección (4n) se encuentra dispuesta en el extremo posterior cerrado (1c) de la cámara de precombustión (1) opuesto a dicha abertura (1p), presentando dicho electrodo (2, 22) la forma de un sólido de revolución y estando el mismo dispuesto coaxialmente con respecto a dicha abertura (1p) en la parte de la cámara de precombustión (1) que termina en la abertura (1p) y presentando una longitud axial (L) tal, que, en cualquier momento, dicho frente de la llama (F) generado por la combustión siempre se encuentra en contacto con el electrodo (2, 22), caracterizado porque una pluralidad de puntos de ignición (E), o una pluralidad de conjuntos de los mismos, se encuentra enfrentada a dicho electrodo (2) en una pluralidad de posiciones dispuestas a diferentes distancias de los extremos del paso (6).

Description

Cámara de precombustión para un motor de circuito integrado y un conjunto de electrodo para producir una combustión en una parte de la cámara de precombustión.

La presente invención se refiere los campos de ingeniería que utilizan la combustión de combustibles en motores de pistón recíproco, sean del tipo lineal con pistones libres, o del tipo de mecanismo de manivela con cigüeñales.

Más específicamente, se refiere a motores que utilizan un nuevo proceso de combustión, descrito en la solicitud de patente PCT/TB 97/01362, que se lleva a cabo en el interior de una o más cámaras de precombustión que se abren a los cilindros, aprovechando las dinámicas de la expansión de los gases contenidos en los mismos para mantener los frentes de llama generados por medio de la combustión prácticamente fijos, dicho de otro modo, en la práctica, para permitir que los frentes de llama se muevan únicamente unas decenas de milímetro de los puntos de ignición, que están situados próximos a las aberturas a través de las que se abren dichas cámaras de precombustión, tal como se ha dicho anteriormente, en los cilindros correspondientes, que pueden ser continuaciones de los mismos en el caso de generadores lineales de combustión interna, o adyacentes entre sí, tal como sucede normalmente en los motores con cigüeñales.

El proceso de combustión descrito anteriormente tiene como principal objetivo y ventaja el hecho de que la combustión tenga lugar de manera que la temperatura de la llama permanezca lo suficientemente baja en todos los puntos, como para reducir la formación de óxidos de nitrógeno a un mínimo.

Con el fin de mantener la llama en las condiciones deseadas, la invención ha propuesto, en la solicitud de patente mencionada anteriormente, que se mantenga el electrodo en una posición coaxial en la abertura del proceso correspondiente, para formar un deflector del grosor deseado que actúe como un volante de inercia térmico para la llama que pasa a través del mismo a cierta velocidad, utilizando varias aberturas formadas en el mismo, siendo la llama formada y liberada de la cámara de precombustión como un resultado de la expansión de los gases (combustible y mezclas de aire) contenidos de forma separada en la cámara de precombustión.

Sin embargo, las investigaciones y las pruebas realizadas en este campo han revelado límites en la forma y la disposición de las partes de una cámara de precombustión y un sistema de electrodo tal como se ha descrito anteriormente, dado que, debido a la forma de la curva de expansión de gas, un electrodo en la forma de un deflector resulta adecuado para este objetivo dentro de un periodo relativamente limitado, en el que el frente de llama es esencialmente fijo.

Además, en el caso de una cámara de precombustión con una abertura de un diámetro limitado (por ejemplo, menor de 18mm) existe un riesgo de que la temperatura de la llama en forma de un anillo cilíndrico que se desarrolla en el cilindro o cilindros pueda exceder el límite predeterminado en algunas zonas de dicho anillo.

Para evitar todos estos problemas mientras se alcanza el objetivo deseado de mantener la temperatura de la llama convenientemente baja en todos los puntos, pero permitiendo que el frente de la llama se mueva en una extensión significativa, si resulta necesario, con respecto a la abertura de la cámara de precombustión, y de mantener la carga de mezcla confinada sin que ocurra ninguna dilución no deseada en ninguna de sus zonas como resultado de un turbulencia excesiva, la invención de la presente solución ha previsto una cámara de precombustión y un conjunto de electrodo en el que el electrodo presenta la forma de un sólido de revolución, contenido coaxialmente en la parte de la cámara de precombustión que está saturada con el combustible, que presenta una extensión longitudinal y que, durante el periodo en el que tiene lugar la combustión, dicho frente de la llama, mientras se mueve como resultado de la dinámica de los gases, siempre permanece en contacto con el electrodo.

El objetivo de la presente invención es una cámara de precombustión y un conjunto de electrodo tal como se ha descrito en la cláusula precaracterizadora de la reivindicación 1 adjunta, y está caracterizada por el contenido de la cláusula caracterizadora de dicha reivindicación.

A continuación se proporciona una descripción más detallada de algunos ejemplos preferidos de un conjunto según la invención, que no se considerarán restrictivos ni limitativos con respecto a otras formas de realización que se pueden producir por un experto en la materia a partir de las enseñanzas de la reivindicación 1 mencionada anteriormente.

En el transcurso de dicha descripción, también se hará referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

- la Figura 1 muestra una sección longitudinal de un ejemplo de una forma de realización del conjunto según la invención, en el que tanto el cuerpo central del electrodo como la parte de la cámara de precombustión que lo aloja presentan una forma cónica;

- la Figura 2 muestra una sección transversal del conjunto de la Figura 1;

- las Figuras 3 y 4 muestran el conjunto tal como se muestra en las figuras anteriores, pero con un electrodo en el que se forman aletas longitudinales;

- la Figura 5 muestra una sección longitudinal ampliada de un conjunto según la invención en el que se aplican medios para incrementar la turbulencia en el paso;

- la Figura 6 muestra una sección transversal del conjunto de la Figura 5.

Haciendo referencia inicialmente a las Figuras 1 y 2, éstas muestran que, en un conjunto 10 según la invención, una cámara de precombustión 1, que se abre en un cilindro o en una pluralidad de cilindros opuestos 3i a través de una abertura 1p, consiste, tal como se ha mencionado, en una parte que aloja coaxialmente un electrodo 2, en cuyo interior se inyecta el combustible 5, y en otra parte, dispuesta en su extremo más próximo 1e, en cuyo interior no se inyecta combustible.

El combustible 5 se inyecta mediante un inyector 4 cuya tobera de inyección 4n está dispuesta en el interior de dicha parte dispuesta en el extremo más próximo de la cámara de precombustión 1.

El electrodo 2 está constituido por un cuerpo central 2''' que presenta dos extremos 2', 2'' conectados al mismo, y que puede ser cilíndrico (este caso no se muestra) o cónico, tal como se ilustra en la Figura 1, y está insertado coaxialmente en la cámara de precombustión 1 de manera que deje un paso anular 6 de una anchura prácticamente uniforme entre el electrodo y las paredes internas de la cámara de precombustión 1 que, por lo tanto, también es cilíndrica (este caso no se muestra) o cónica tal como se muestra en la Figura 1.

La forma cónica de la cámara de precombustión y el electrodo ha demostrado ser más adecuada para el uso de inyectores de forma múltiple del tipo de inyector en forma de campana que generan un cono de gotas que resulta más fácil de distribuir uniformemente en el paso resultante.

El electrodo 2, para el que la invención propone que se realicen unos extremos 2', 2'' en forma redondeada (en la forma de tapas esféricas, por ejemplo) y se unan a su cuerpo central 2''', presenta una longitud total L de manera que el frente de la llama F que se mueve a una velocidad resultante que es la suma del vector de la velocidad de combustión del combustible 5 y la velocidad del flujo de salida de los gases de expansión a través del paso 6 (tal como se indica mediante las flechas K) siempre se encuentra en contacto con el electrodo 2.

Para este objetivo, dependiendo de la geometría del motor de combustión interna y de la cámara de precombustión, y dependiendo de la duración de la combustión, puede resultar conveniente formar el electrodo 2 de longitud L, de manera que esté constituido por una primera parte con una longitud A dispuesta en la cámara de precombustión 1 y una segunda parte con una longitud B dispuesta en la parte exterior de la misma, de manera que el electrodo 2 puede "acompañar" el frente de la llama F incluso cuando se mueve fuera de la cámara de precombustión 1.

Tal como se ha mencionado anteriormente, dicha segunda parte con una longitud B también actúa, en el caso de una abertura de una cámara de precombustión 1p que presente un diámetro pequeño (menor de 18 mm, por ejemplo), como un divisor de llama entre las paredes opuestas del anillo cilíndrico formado por la llama que emerge en los cilindros 3i, evitando así incrementos de temperatura no deseados en cualquiera de sus puntos.

Se deberá señalar que, cuando se precisa quemar mezclas de combustibles orgánicos o fósiles (y particularmente combustibles de petróleo), la invención propone que el conjunto según la invención se realice con el paso 6 descrito anteriormente con una anchura uniforme de aproximadamente 6 a 8 mm.

Para incrementar la zona de la sección transversal neta del paso sin provocar incrementos de temperatura por encima de un umbral predeterminado, la invención también proporciona la posibilidad de formar en la superficie exterior del electrodo 22, tal como se muestra en las Figuras 3 y 4, en otra forma de realización 101 del conjunto, una pluralidad de hendiduras o ranuras, que presenta una forma tal, que forme el mismo número de aletas paralelas 8e, dispuestas longitudinalmente, que sirven para incrementar la superficie de intercambio de calor entre la llama y el electrodo 2.

Con el fin de formar dichas aletas 8e, se pueden formar unas ranuras 7e con una profundidad P de 2 mm aproximadamente sin provocar incrementos de temperatura significativos, mientras prácticamente se dobla la energía por ciclo que se puede obtener de la combustión de una mezcla que ocupa una longitud axial determinada del paso 5 y, por lo tanto, se incrementa la potencia específica y la eficiencia general del motor o generador.

La separación entre las bases de dichas aletas 8e se calcula según el tipo de combustible y la temperatura de la llama correspondiente.

En el caso de petróleo, esta separación puede ser de 1,5 mm aproximadamente.

La velocidad de combustión de la mezcla contenida en el paso anular 6 descrito anteriormente tiene un efecto en la eficiencia termodinámica de la unidad de combustión interna que se incrementa con un aumento de su velocidad.

Debido a la anchura limitada de dicho paso 6 (6-8 mm), resulta necesario evitar que los gases generados por la combustión, que se expanden en el paso de un modo prácticamente laminar, presenten, durante la combustión, un frente de llama no turbulento, que se movería relativamente despacio, dando lugar a una combustión excesivamente lenta. Para incrementar la velocidad de combustión de la mezcla, la invención propone que se aumente la turbulencia del paso 6, utilizando con este fin unos medios adecuados 9d, 9e próximos a la abertura 1p de la cámara de precombustión 1 y en la zona del extremo posterior del electrodo 2. (Véanse las Figuras 5 y 6).

Estos medios 9d, 9e que se pueden considerar como deflectores de flujo son efectivos, dado que, si ocurre un retraso, de un milisegundo por ejemplo, antes del instante de la ignición, o antes de que el pistón (o pistones) alcance el final de la carrera de compresión, el aire entra en la cámara de precombustión 1 a través de su abertura 1p a una velocidad de varios metros por segundo, y esta velocidad no puede descender significativamente como resultado de la inercia en un periodo de únicamente un milisegundo.

Como consecuencia, dichos medios deflectores de flujo generan vórtices en el paso 6, y dichos vórtices persisten durante los instantes iniciales de combustión, iniciando una turbulencia que se amplifica a continuación por medio de los procesos de transmisión de calor y propagación del frente de la llama.

De forma similar, en los instantes sucesivos a los que tiene lugar la combustión, el aire contenido en la parte posterior 1c de la cámara de precombustión 1 se expande y también penetra en el paso 6, moviéndose hacia la abertura 1p a velocidades que se incrementan, que pueden alcanzar de 50 a 60 m/s.

Dichos medios deflectores de flujo 9e, si se fijan tal como se ha mencionado en la zona en la que termina la parte posterior del electrodo 2, tienen el efecto de producir un movimiento vortical adicional en el paso 6 durante la combustión de la mezcla de combustible 5, con una dirección opuesta a la del movimiento descrito anteriormente, con efectos favorables de otro incremento en la velocidad de propagación de la llama.

Dichos medios 9d, 9e para crear turbulencias pueden ser de varios tipos conocidos por los expertos en la materia de dinámicas de fluidos.

Para una forma de realización específica de un conjunto 102 según la presente invención, la misma propone, entre otras, una solución (véanse las Figuras 5 y 6) en las que se forman unas ranuras inclinadas 20_{e}, 21_{e}, se encaran entre sí en una disposición escalonada, en el cuerpo central 2''' del electrodo, en la proximidad a la abertura 1p de la cámara de precombustión 1, y en la pared interior de la cámara de precombustión de la misma zona.

De forma similar, se pueden formar otras ranuras 23_{e}, 24_{e}, dispuestas tal como se ha descrito anteriormente en la parte final del electrodo 2 y en la pared interna de la parte posterior 1c de la cámara de precombustión 1.

La invención propone que cada par de ranuras enfrentadas esté formado a partir de ranuras con longitudes e inclinaciones diferentes del eje de la cámara de precombustión 1, tal como se muestra en la Figuras 5 y 6, para promover la formación de vórtices.

Los perfiles de las bases de las ranuras pueden ser rectilíneos o pueden presentar partes curvadas.

Utilizando dichos medios deflectores de flujo se consiguen velocidades de propagación del frente de llama en la gama entre 10 y 20 metros por segundo, con los consecuentes efectos beneficiosos sobre la eficiencia del ciclo termodinámico de la unidad de combustión interna.

Se considera que el uso de los medios en cuestión resulta particularmente ventajoso con unos electrodos 2 que no tengan las aletas 8e descritas en la presente memoria.

Cuando la cantidad de energía producida en un ciclo o, dicho de otro modo, en conjunto, la potencia generada por el motor recíproco, debe variar, se debe inyectar el combustible en diferentes condiciones (duración o presión de inyección), de manera que se generen los volúmenes de mezcla de riqueza adecuada y ocupen las longitudes de dicho paso 6 que son menores que la longitud total A de la parte del paso contenida en la cámara de precombustión 1 (Figura 1), y están situados de cualquier modo, dicho de otro modo, terminan y/o empiezan a diferentes distancias de los extremos del paso 6. Con el fin de proporcionar una combustión eficiente de dichos volúmenes de mezcla con diferentes longitudes y dispuestos de cualquier modo, la invención propone que se fije una pluralidad de puntos de ignición E, o una pluralidad de conjuntos de los mismos dispuestos en una formación transversal (tres en la Figura 1), a lo largo del eje del electrodo 2, de modo que se puede iniciar la combustión de la mezcla en el punto más conveniente para hacer que el frente de la llama sea tan estacionario como sea posible con respecto a la abertura 1p de la cámara de precombustión 1. Este resultado se consigue provocando de forma selectiva la generación de un arco eléctrico entre uno de dichos puntos de ignición E y el electrodo 2.

Si los procedimientos de combustión lo requieren, también se puede generar simultáneamente o en sucesión una pluralidad de arcos que se originen a partir de una pluralidad de puntos de ignición, proporcionando así una velocidad de combustión más elevada incluso sin utilizar las aletas y los deflectores descritos anteriormente, e incrementando la eficiencia termodinámica del ciclo, que en este caso resulta muy similar a un ciclo Otto típico.

Claims (10)

1. Conjunto (10, 101) constituido por una cámara de precombustión (1) y un electrodo (2, 22) para producir la ignición y la combustión de un combustible (5) al mismo tiempo que se mantiene la temperatura de la llama por debajo de un valor predeterminado, y mantener el frente de la llama (F) en la proximidad a una abertura (1p) de la cámara de precombustión (1) que se abre en uno o más cilindros (3i) y un inyector de combustible (4) que inyecta combustible, siendo dicho combustible (5) inyectado hacia dicha abertura (1p) de la cámara de precombustión (1) por medio de dicho inyector (4) cuya tobera de inyección (4n) se encuentra dispuesta en el extremo posterior cerrado (1c) de la cámara de precombustión (1) opuesto a dicha abertura (1p), presentando dicho electrodo (2, 22) la forma de un sólido de revolución y estando el mismo dispuesto coaxialmente con respecto a dicha abertura (1p) en la parte de la cámara de precombustión (1) que termina en la abertura (1p) y presentando una longitud axial (L) tal, que, en cualquier momento, dicho frente de la llama (F) generado por la combustión siempre se encuentra en contacto con el electrodo (2, 22), caracterizado porque una pluralidad de puntos de ignición (E), o una pluralidad de conjuntos de los mismos, se encuentra enfrentada a dicho electrodo (2) en una pluralidad de posiciones dispuestas a diferentes distancias de los extremos del paso (6).

2. Conjunto según la reivindicación 1, en el que los extremos (2', 2'') de dicho electrodo (2, 22) en la forma de un sólido de revolución presentan la forma de tapas redondeadas unidas a su cuerpo central (2''').

3. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, en el que tanto dicho cuerpo central (2''') del electrodo (2, 22), como dicha parte de la cámara de precombustión (1) que contiene el electrodo (2, 22) coaxialmente en su interior presentan esencialmente una forma cilíndrica.

4. Conjunto según una de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que tanto dicho cuerpo central (2''') del electrodo (2, 22), como dicha parte de la cámara de precombustión (1) que contiene el electrodo coaxialmente en su interior presentan esencialmente una forma cónica.

5. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho electrodo (2, 22) de longitud (L) está constituido por una primera parte con una longitud (A) dispuesta en la parte interior de la cámara de precombustión (1) y una segunda parte con una longitud (B) dispuesta en la parte exterior de la cámara de precombustión (1), dicho de otro modo, en el cilindro o cilindros (3i), siendo la suma de las longitudes (A, B) de dichas primera y segunda parte igual a dicha longitud (L) del electrodo (2, 22).

6. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el paso anular (6) entre el electrodo (2, 22) y la pared interior de la cámara de precombustión (1) presenta una anchura comprendida entre 6 y 8 mm aproximadamente.

7. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, en el que una pluralidad de hendiduras o ranuras (7e) capaces de generar una pluralidad de aletas paralelas y dispuestas longitudinalmente (8e) está formada en la superficie exterior del electrodo (22).

8. Conjunto según una de las reivindicaciones anteriores, al que se aplican unos medios deflectores de flujo (9d, 9e) dispuestos y formados de manera que se incremente la turbulencia de los gases contenidos en el paso (6).

9. Conjunto según la reivindicación 8, en el que dichos medios (9d, 9e) comprenden una pluralidad de pares de ranuras escalonadas e inclinadas (23e, 24e) enfrentadas entre sí y formadas en la parte final del electrodo (2) y en la pared interior de la cámara de precombustión (1) en su parte posterior cerrada (1c).

10. Conjunto según la reivindicación 9, en el que las ranuras enfrentadas (20e, 21e) y (23e, 24e) que forman un par presentan longitudes diferentes y/o inclinaciones diferentes del eje de la cámara de precombustión (1).