ES2275602T3 - Procedimiento y dispositivo para proporcionar un gas de trabajo de un carburante criogeno para un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para proporcionar un gas de trabajo combustible a partir de carburante criógeno almacenado en condiciones criógenas y aire de aspiración, en el que se extrae el carburante de un recipiente de reserva de carburante y se conduce el carburante criógeno extraído a través de un intercambiador de calor y se le calienta en éste, enfriándose el aire de aspiración a través del intercambiador de calor, caracterizado porque se transporta el carburante a empujones a través del intercambiador de calor y porque se introducen por separado en una cámara de combustión o de trabajo de un motor de combustión interna el carburante criógeno calentado por el aire de aspiración y el aire de aspiración enfriado.
Description
Procedimiento y dispositivo para proporcionar un
gas de trabajo de un carburante criógeno para un motor de combustión
interna.
La invención concierne a un procedimiento y un
dispositivo para proporcionar un gas de trabajo combustible o
inflamable a partir de un carburante criógeno, especialmente
hidrógeno, para un motor de combustión interna.
Objeto de la patente genérica DD 214 172 es una
disposición por medio de la cual en un procedimiento según el
preámbulo de la reivindicación 1 para proporcionar un gas de trabajo
combustible se forma éste a partir de carburante criógeno
almacenado en condiciones criógenas y aire de aspiración, en cuyo
procedimiento se toma el carburante de un recipiente de reserva de
carburante y se conduce el carburante criógeno tomado a través de
un intercambiador de calor y se le calienta en éste, enfriándose el
aire de aspiración a través del intercambiador de
calor.
calor.
Para la puesta en práctica del procedimiento por
medio de la disposición conocida, ésta comprende, de una manera
complicada en su construcción debido al sistema, dos
intercambiadores de calor distanciados dispuestos en serie para
lograr, por un lado, un calentamiento suficiente del carburante y,
por otro, un enfriamiento suficiente del aire de aspiración.
Mientras que en el procedimiento anteriormente
descrito se logra por medio de la disposición conocida un
enfriamiento indirecto del aire de aspiración, es conocido por la
publicación alemana DE 196 08 881 A1 un procedimiento para
suministrar una mezcla de carburante criógeno/aire a un motor de un
vehículo, en el que, según un ejemplo de realización, se logra un
enfriamiento directo del aire de aspiración añadiendo al mismo
carburante criógeno líquido frío. Éste se inyecta en un mezclador,
pudiendo formarse de manera desventajosa, según la temperatura
ambiente, un gas carburante más o menos húmedo.
Por último, se conoce por el documento US
5,499,615 A un sistema de suministro de carburante para un motor de
combustión interna con propano almacenado en forma líquida en un
depósito, el cual es gasificado por medio de un intercambiador de
calor y alimentado a una cámara de combustión del motor de
combustión interna a través de una disposición de válvula de
insuflado.
La invención se basa en el problema de mejorar
un procedimiento y un dispositivo para hacer funcionar un motor de
combustión interna de tal manera que pueda conseguirse un aumento
suplementario de la densidad de potencia y del rendimiento del
proceso del motor de combustión interna.
Este problema se resuelve según la invención por
medio de un procedimiento en el que se toma carburante criógeno de
un recipiente de reserva de carburante, siendo transportado el
carburante tomado a empujones a través del intercambiador de calor
y siendo introducidos, por separado y con desfase de tiempo, el
carburante criógeno calentado por el aire de aspiración y el aire
de aspiración enfriado por el carburante criógeno en la respectiva
cámara de combustión del motor de combustión interna.
Se hace así posible de manera sencilla que se
aumente aún más el grado de llenado de los cilindros de un motor de
combustión interna. De una manera igualmente ventajosa, se previenen
fiablemente por medio de la solución conforme a la invención
eventuales reencendidos en la zona del conducto de admisión o de
aspiración.
Según una forma de realización especialmente
preferida de la invención, se regula la presión del carburante de
tal manera que ya en el intercambiador de calor reine una presión
del carburante que esté al menos en el rango de la presión de
compresión que reina en la cámara de combustión al comienzo de la
alimentación del carburante. Resulta así posible de manera
ventajosa que se introduzca el carburante calentado en la cámara de
combustión con una demanda de potencia de transporte relativamente
pequeña. El aumento de volumen condicionado por el calentamiento
contribuye, además, a la alimentación separada del carburante a la
cámara de combustión. Resulta posible de manera ventajosa que, con
un pequeño solapamiento de las fases de apertura de las válvulas de
admisión y de salida, se consiga un alto grado de llenado. Como
consecuencia del pequeño solapamiento, resulta posible admitir
presiones del gas de escape relativamente altas en la zona de dicho
gas de escape. Esto se manifiesta como especialmente ventajoso
sobre todo cuando se emplea un alimentador que funciona con gas de
escape, así como en lo que respecta a una alta estabilidad de
marcha.
Según una forma de realización especialmente
preferida de la invención, se conduce el carburante en estado
gaseoso a través del intercambiador de calor. Resulta con ello
posible disponer delante del intercambiador de calor un acumulador
tampón para cubrir demandas de carburante incrementadas durante un
corto plazo. Se consigue así una alta constancia de la presión en
la zona de salida del intercambiador de calor.
Como alternativa a la medida anteriormente
citada -o, de una manera especialmente ventajosa, también en
combinación con ella- es posible conducir el carburante en estado
líquido a través del intercambiador de calor. Resulta posible
entonces que un flujo de calor relativamente grande sea derivado del
aire aspirado en el intercambiador de calor. En el caso de una
sobrealimentación, por ejemplo en combinación con un
turboalimentador de gas de escape, se pueden conseguir aquí también
temperaturas punta de combustión relativamente bajas y una
resistencia mejorada al picado. De manera ventajosa, el
enfriamiento del aire de aspiración se efectúa aquí según el
principio de contracorriente.
Se proporciona una forma de realización
especialmente ventajosa según un aspecto especial de la presente
invención haciendo que el carburante sea transportado a empujones a
través del intercambiador de calor por medio de un equipo de
transporte de alta presión y produciendo así el aumento del volumen
específico del carburante, condicionado por el calentamiento,
sustancialmente tan sólo en el momento del llenado de los
cilindros.
Según una forma de realización especialmente
preferida de la invención, el carburante empleado consiste en
hidrógeno. Este hidrógeno se almacena preferiblemente en un depósito
termoaislado, estando enfriado el carburante en el depósito
preferiblemente a una temperatura de menos de 24 K.
El aire de aspiración previsto para el
enfriamiento a través del intercambiador de calor es secado
preferiblemente antes de su entrada en dicho intercambiador de
calor o bien en un tramo del intercambiador de calor protegido
contra la congelación.
Es posible prever una disposición de tubería de
derivación a través de la cual se pueda conducir una corriente
parcial del aire de aspiración a lo largo del intercambiador de
calor. El secado del aire de aspiración se efectúa preferiblemente
por enfriamiento del aire hasta una temperatura por debajo del punto
de rocío. La separación del agua puede fomentarse mediante la
formación de remolinos. El agua separada puede ser evacuada y, en
estados de funcionamiento con riesgo incrementado de picado del
motor de combustión interna, puede ser introducida eventualmente
por separado en la cámara de combustión.
El problema indicado al principio se resuelve
también según la invención por medio de un dispositivo para
proporcionar un gas de trabajo combustible a partir de carburante
criógeno almacenado en condiciones criógenas y aire de aspiración
que contiene oxígeno para un motor de combustión interna, cuyo
dispositivo comprende un equipo de toma para extraer carburante
criógeno de un recipiente de reserva de carburante termoaislado, un
intercambiador de calor para calentar el carburante criógeno
extraído y para enfriar el aire de aspiración, una primera
disposición de tubería para conducir el aire de aspiración enfriado
a una zona de admisión y una segunda disposición de tubería para
alimentar el carburante criógeno calentado por medio del aire de
aspiración a una cámara de combustión por separado del aire de
aspiración enfriado por el carburante criógeno.
Se hace así posible, especialmente en un
vehículo automóvil, que, aprovechando el potencial de frío
proporcionado por el depósito de carburante, se consiga un
considerable aumento de la densidad de potencia del motor de
combustión interna. De manera ventajosa, debido al intercambio de
calor entre carburante y aire de aspiración realizado según la
invención, el carburante puede ser introducido en la cámara de
combustión sin aumento de volumen, pero con una presión de
alimentación incrementada. Se consigue así un grado de llenado
considerablemente mejorado.
El intercambiador de calor está construido
preferiblemente de tal manera que éste aguante una presión del
carburante que, al menos temporalmente, esté al menos en el rango de
la presión de compresión que reina en la cámara de combustión al
comienzo de la introducción del carburante. El intercambiador de
calor puede estar construido como intercambiador de calor gas/gas o
-para alcanzar temperaturas más bajas del aire de aspiración- como
intercambiador de calor líquido/gas, de modo que, al menos en
ciertos tramos, el carburante circule en estado líquido por el
intercambiador de calor. Particularmente en el caso de una
disposición del intercambiador de calor como intercambiador de
calor de contracorriente, se pueden alcanzar aquí temperaturas
extremadamente bajas del aire de aspiración.
Preferiblemente, está prevista una instalación
de transporte a alta presión para el transporte forzado del
carburante a través del intercambiador de calor bajo una presión
incrementada con respecto a la presión del depósito.
Es posible de manera ventajosa que, después del
calentamiento del carburante por el aire de aspiración, se siga
calentado este carburante, especialmente por medio de un
intercambiador de calor de alta temperatura que, por ejemplo, sea
calentado por gas de escape. Resulta así posible introducir el
carburante en el aire de aspiración ya altamente comprimido,
recuperándose como trabajo mecánico una parte de la cantidad de
calor contenida en el gas de escape.
En cuanto a un funcionamiento fiable del motor
de combustión interna, se ha previsto según una forma de realización
especialmente preferida de la invención una disposición de secado
para secar el aire de aspiración. Particularmente en el caso de un
enfriamiento del aire de aspiración por debajo del punto de
congelación, se evita así de manera ventajosa una congelación del
intercambiador de calor.
Otros detalles ventajosos de la invención se
desprenden de la descripción siguiente en combinación con el
dibujo. La única figura muestra:
Una representación esquemática del sistema según
la invención para proporcionar un gas de trabajo combustible en la
cámara de combustión de un motor de combustión interna a partir de
un carburante criógeno, especialmente hidrógeno, con alimentación
separada de la fracción de carburante y de la fracción de oxidante a
una cámara de combustión, así como con intercalación de un
intercambiador de calor para enfriar la fracción de oxidante y
calentar la fracción de carburante.
El sistema esquemáticamente representado
comprende un depósito criógeno térmicamente aislado 1 en el que está
almacenado un carburante enfriado al menos hasta su temperatura de
ebullición. En el sistema que aquí se muestra el depósito criógeno
1 está construido como un depósito de presión, reinando en el
interior del depósito criógeno 1 una presión en el intervalo de 1 a
28 bares.
El depósito criógeno 1 lleva conectada una
disposición de tubería 2. Esta disposición de tubería 2, al igual
que el depósito criógeno 1, es de construcción térmicamente aislada.
A través de la disposición de tubería 2 se puede transportar
selectivamente carburante líquido o gaseoso desde el depósito
criógeno 1.
La disposición de tubería 2 conduce a un tramo
de tubería 2a a través de un intercambiador de calor 6 térmicamente
aislado hacia fuera. La disposición de tubería 2 está unida con una
disposición de válvula de insuflado 5 a través del tramo de tubería
2a y bajo intercalación del intercambiador de calor 6.
La disposición de válvula de insuflado 5 puede
hacerse funcionar en diferentes modos de funcionamiento para
regular la cantidad de carburante introducida de conformidad con una
unidad de control.
En el intercambiador de calor 6 está conectada
una disposición de tubería, designada aquí como tubería de
aspiración 3, a través de la cual se puede aspirar -o bajo
sobrepresión- impulsar un gas que contiene oxígeno. La tubería de
aspiración 3 conduce a una zona de intercambio de calor prevista en
el intercambiador de calor 6, en la cual se enfría el gas que
contiene oxígeno por medio del carburante alimentado por el lado de
la disposición de tubería 2. En la forma de realización que aquí se
representa la zona de intercambio de calor está construida de tal
manera que no tiene lugar mezclado alguno del carburante con el gas
que contiene oxígeno. Sin embargo, es posible admitir aquí un
enriquecimiento predeterminado, preferiblemente hasta un valor
situado netamente por debajo del límite de encendido.
El gas que contiene oxígeno, enfriado por el
intercambiador de calor 6, llega por otro tramo de tubería 3a a la
zona de una válvula de admisión cíclicamente controlada 9 de un
motor de combustión interna 8.
En la zona del intercambiador de calor 6 está
prevista una disposición 7 de deshumectación del aire para evitar
fenómenos de congelación. El eventual condensado que aquí se
produzca en el marco del enfriamiento del gas que contiene oxígeno
puede ser preferiblemente evacuado a través de una disposición de
evacuación 4. El condensado producido puede ser evacuado a través
de una disposición de tubería 4.
La disposición de válvula de insuflado 5 es
accionada preferiblemente en la forma de realización representada
de tal manera que se introduzca la cantidad de carburante
estequiométricamente necesaria por medio de la presión reinante en
el tramo de tubería 2a únicamente cuando el pistón 10 del motor de
combustión interna 8 haya pasado por el punto muerto inferior UT.
Particularmente en el caso de un accionamiento de la válvula 9 con
tiempos de control diferentes, es posible comenzar con el insuflado
del carburante únicamente cuando casi esté cerrada la válvula de
admisión 9.
En caso de que se transporte el carburante por
el intercambiador de calor 8 a un nivel de presión situado por
encima de la presión de compresión, es posible introducir el
carburante en el gas comprimido que contiene oxígeno tan sólo
inmediatamente antes del encendido.
Por el término "aire de aspiración" ha de
entenderse en el presente caso un medio gaseoso que contiene al
menos una fracción de gas activa como oxidante. La alimentación del
aire de aspiración a la zona de admisión del motor de combustión
interna puede efectuarse también a una presión que esté por encima
de la presión ambiente.
Claims (20)
1. Procedimiento para proporcionar un gas de
trabajo combustible a partir de carburante criógeno almacenado en
condiciones criógenas y aire de aspiración, en el que se extrae el
carburante de un recipiente de reserva de carburante y se conduce
el carburante criógeno extraído a través de un intercambiador de
calor y se le calienta en éste, enfriándose el aire de aspiración a
través del intercambiador de calor, caracterizado porque se
transporta el carburante a empujones a través del intercambiador de
calor y porque se introducen por separado en una cámara de
combustión o de trabajo de un motor de combustión interna el
carburante criógeno calentado por el aire de aspiración y el aire
de aspiración enfriado.
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque en el intercambiador de calor reina una
presión del carburante que, al menos temporalmente, está al menos en
el rango de la presión que reina en la cámara de combustión al
principio de la introducción del carburante.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque se conduce el carburante en estado
gaseoso a través del intercambiador de calor.
4. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque se conduce el carburante en estado
líquido, al menos en algunos tramos, a través del intercambiador de
calor.
5. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el intercambio
de calor entre el aire de aspiración y el carburante se efectúa
según el principio de contracorriente.
6. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se transporta el
carburante a través del intercambiador de calor por medio de una
instalación de transporte a alta presión que está antepuesta a dicho
intercambiador de
calor.
calor.
7. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se emplea
hidrógeno en calidad de carburante.
8. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el carburante
presenta una temperatura de menos de 20ºK.
9. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se calienta
adicionalmente el carburante después del enfriamiento del aire de
aspiración por medio de calor residual, especialmente calor del gas
de escape.
10. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque se alimenta el
aire de aspiración a la cámara de combustión a través de un equipo
de transporte, especialmente un alimentador.
11. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se seca el aire
de aspiración.
12. Procedimiento según al menos una de las
reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque el secado se
efectúa por enfriamiento del aire de aspiración hasta por debajo de
su punto de rocío y porque se evacua el agua producida.
13. Dispositivo para proporcionar un gas de
trabajo combustible a partir de carburante criógeno almacenado en
condiciones criógenas y aire de aspiración que contiene oxígeno para
un motor de combustión interna (8), que comprende una disposición
de toma para extraer carburante criógeno de un recipiente de reserva
de carburante termoaislado (1) y un intercambiador de calor (6)
para calentar el carburante criógeno hecho circular a empujones y
para enfriar el aire de aspiración que se alimenta por medio de una
disposición de tubería (3a) a una zona de admisión (9) del motor de
combustión interna (8), sirviendo una disposición de tubería
separada (2a) para alimentar el carburante criógeno calentado por
el aire de aspiración a una disposición de válvula de insuflado (5)
asociada a una cámara de combustión del motor de combustión interna
(8).
14. Dispositivo según la reivindicación 13,
caracterizado porque el intercambiador de calor (6) está
construido de tal manera que éste aguanta una presión del
carburante que, al menos temporalmente, está al menos en el rango
de la presión de compresión que reina en la cámara de combustión al
comienzo de la introducción del carburante.
15. Dispositivo según la reivindicación 13 ó 14,
caracterizado porque el intercambiador de calor (6) está
construido como un intercambiador de calor gas/gas.
16. Dispositivo según la reivindicación 13 ó 14,
caracterizado porque el intercambiador de calor (6) está
construido como un intercambiador de calor líquido/gas de tal manera
que, al menos en ciertos tramos, el carburante circule en estado
líquido por el intercambiador de calor.
17. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque el
intercambiador de calor (6) es un intercambiador de calor de
contracorriente.
18. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 13 a 17, caracterizado porque está previsto
un sistema de transporte a alta presión para transportar el
carburante a través del intercambiador de calor (6) bajo una
presión incrementada en comparación con la presión del depósito.
19. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 13 a 18, caracterizado porque está prevista
una instalación de transporte para transportar el aire de
aspiración a la cámara de trabajo del motor de combustión interna
(8) bajo sobrepresión.
20. Dispositivo según al menos una de las
reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque está previsto
un equipo de secado (7) para secar el aire de
aspiración.
aspiración.
Applications Claiming Priority (2)
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