ES2302153T3 - Motor de combustion interna que comprende un inyector de carburante de chorro optimizado. - Google Patents
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Abstract
Motor de combustión interna de inyección directa, que comprende una culata (32) que lleva por lo menos un inyector de carburante (38) provisto en su extremidad axial libre de una boquilla de inyección (40) que comprende un número "i" de orificios (42) de inyección que están dispuestos de forma anular siguiendo por lo menos una fila (46) para pulverizar el carburante bajo la forma de una superficie de inyección (48) constituida por los "i" chorros (Ji) asimétricos de carburante, directamente al interior de una cavidad de combustión (28) asociada que está realizada en la cara superior (26) de un pistón (14) del motor, en el cual cada chorro (Ji) recorre, desde un punto (l) del inyector (36) hasta un punto de intersección (Mi) del eje de pulverización (B) del chorro (Ji) con la pared de la cavidad (28), una longitud (Li), y en el cual la distancia entre dos puntos de intersección (Mi, Mi+1 ) de dos chorros adyacentes (Ji, Ji+1) está definida por un arco (ArcoJi,Ji+1.), caracterizado porque los orificios (42) de la boquilla de inyección (40) están realizados de manera tal que la suma (S) de la longitud (Li) y del arco (ArcoJi,Ji+1) para cada chorro Ji sea constante.
Description
Motor de combustión interna que comprende un
inyector de carburante de chorro optimizado.
La invención concierne a un motor de combustión
interna de inyección directa, del tipo que comprende un inyector de
carburante multijet.
La invención concierne más particularmente a un
motor de combustión interna de inyección directa que comprende una
culata que lleva por lo menos un inyector de carburante provisto en
su extremidad axial libre de una boquilla de inyección que
comprende un número "i" de orificios de inyección que están
dispuestos de forma anular siguiendo por lo menos una fila para
pulverizar el carburante bajo la forma de una superficie de
inyección constituida por "i" chorros J_{i} asimétricos de
carburante directamente al interior de una cavidad de combustión
asociada que está realizada en la cara superior de un pistón del
motor, en el cual cada corro J_{i} recorre, desde un punto l del
inyector hasta un punto de intersección M_{i} del eje de
pulverización B del chorro J_{i} con la pared de la cavidad, una
longitud L_{i} y en el cual la distancia entre dos puntos de
intersección M_{i}, M_{i+1} de dos chorros adyacentes J_{i},
J_{i+1} está definida por un arco correspondiente al
Arco_{Ji,Ji+1}.
Se conocen numerosos ejemplos de motores de
vehículos automóviles de este tipo en los cuales se busca muy
particularmente mejorar los rendimientos reduciendo paralelamente,
por una parte, su consumo y, por otra parte, la emisión de
contaminantes, tales como óxidos de nitrógeno (NOx) y las partículas
de hollín.
Tales mejoras pueden en particular obtenerse
actuando sobre la calidad de la mezcla entre el aire de admisión y
el carburante con el fin de realizar, dentro de la cavidad de
combustión del motor, una mezcla que sea sensiblemente
homogénea.
Según una concepción convencional conocida de un
motor de inyección directa, el inyector está dispuesto en una
posición excéntrica con respecto al eje vertical del cilindro, en
particular debido a la presencia de las válvulas de admisión y
escape.
Sin embargo, para que la inyección de carburante
se efectúe lo más cerca posible del eje del cilindro en el cual se
desliza el pistón, la boquilla o nariz del inyector es entonces
acercada al eje del cilindro, inclinando el eje general del
inyector con respecto al eje del cilindro.
El documento FR - A - 2.844.012 describe y
representa, en particular en la figura 1, un ejemplo de motor de
combustión interna que comprende un inyector de carburante
excéntrico, es decir, un inyector que está, por una parte,
desplazado radialmente con respecto al eje del cilindro y, por otra
parte, inclinado de manera tal que el eje general del inyector
forma un ángulo con el eje del cilindro.
Cuando el inyector es excéntrico de este modo,
los diferentes chorros de combustible inyectado son entonces
asimétricos, en particular los diferentes chorros de carburante
recorren longitudes diferentes antes de entrar en contacto con la
pared interna de la cavidad de combustión. Por lo tanto, esto
provoca un desequilibrio entre la distribución de carburante y el
aire de admisión, y afecta por consiguiente a la calidad de la
mezcla que no es la óptima, ni permite obtener una mezcla tan
homogénea como la deseada.
En un motor de inyección directa, los fenómenos
principales que se combinan y que permiten obtener tal mezcla
sensiblemente homogénea son, esencialmente, la pulverización del
carburante y los movimientos de aire en medio de la carga del aire
de admisión y los provocados por la inyección del carburante.
Esta es la razón por la cual se ha buscado en
particular optimizar la distribución de los chorros dentro de la
cavidad de combustión con el fin de mejorar la homogeneidad de la
mezcla de carburante con el aire de admisión.
Se conoce en el estado del arte diferente
métodos, tales como el método denominado "iso - angle", que son
susceptibles de permitir concebir y fabricar un inyector de
carburante en el cual se optimiza la distribución de los chorros
pulverizados para una aplicación dada y en función de un cierto
número de parámetros de funcionamiento determinados, en particular
de la cavidad de combustión del motor.
Según el método "iso - angle", la boquilla
de inyección del inyector comprende orificios de inyección que
están distribuidos de forma anular de manera regular alrededor de la
boquilla según por lo menos una fila de orificios, de manera tal
que los ángulos agudos comprendidos entre cada uno de los ejes
principales de pulverización de los chorros de carburante sean
todos iguales entre sí.
En los métodos conocidos del estado del arte,
cada chorro está asimilado únicamente a una recta correspondiente
al eje principal de pulverización del chorro de carburante, sin que
se tenga en cuenta la acción del movimiento del aire de admisión
sobre los chorros y, en el método "iso - angle", sin considerar
la longitud recorrida por cada uno de los chorros antes de entrar
en contacto con la pared de la cavidad.
Por consiguiente, se ha podido determinar que
los chorros de inyección se "enrollan" dentro de la cavidad de
combustión bajo la acción del movimiento del aire de admisión y, más
particularmente, del movimiento de "remolino" que se forma
dentro de la cavidad de combustión alrededor de un eje sensiblemente
coincidente con, o paralelo al eje del cilindro.
Por consiguiente, la invención propone un motor
de combustión interna que comprende un inyector de carburante en el
cual las características de los orificios de inyección están
determinadas con el fin de tomar en cuenta este efecto de
enrollamiento de los chorros de carburante para optimizar la
distribución de los chorros y, por lo tanto, la obtención de una
mezcla sensiblemente homogénea.
En este objetivo, la invención propone un motor
de combustión interna del tipo descrito anteriormente, caracterizado
porque los orificios de la boquilla de inyección están realizados
de manera tal que la suma S de la longitud L_{i} y del
Arco_{Ji,Ji+1} de cada chorro J_{i} sea igual a una
constante.
La suma S se denomina además "longitud
libre" del chorro.
Ventajosamente, la longitud L_{i} de cada
chorro J_{i} está determinada, en particular, por el diámetro o
la sección del orificio correspondiente de la boquilla de
inyección.
Según otras características de la invención:
- dicha longitud L_{i} es la longitud del
segmento de recta que une, siguiendo el eje de pulverización B del
chorro J_{i}, el punto l del inyector 38 a un punto de
intersección M_{i};
- el Arco_{Ji,Ji+1} es determinado conforme a
la relación:
Arco_{Ji,Ji+1} = p_{Ji,Ji+1} x
Rm
en la cual, p_{Ji,Ji+1} es el
ángulo agudo expresado en radianes, comprendido entre dos chorros
adyacentes J_{i}, y
J_{i+1},
y en la cual Rm es el radio medio de la cavidad
de combustión;
- los orificios de la boquilla de inyección
están distribuidos angularmente alrededor del eje principal A del
inyector, de manera tal que la suma S sea igual a una constante;
- el diámetro de cada orificio de la boquilla de
inyección es determinado en función de la longitud L_{i} del
chorro J_{i}.
Gracias a la invención, el carburante de cada
chorro de inyección se mezcla de manera óptima con el aire de
admisión.
Más precisamente, cada chorro es susceptible, en
particular bajo la acción del efecto de remolino, de desarrollarse
de manera equivalente, es decir, con una "longitud libre"
idéntica, "enrollándose" según el sentido del movimiento
turbulento, lo cual permite obtener una distribución óptima de los
chorros de carburante aunque éstos sean asimétricos y, por
consiguiente, una mezcla sensiblemente homogénea.
Ventajosamente, el motor comprende medios para
producir en la admisión un movimiento turbulento ordenado de tipo
"remolino".
Gracias a la invención, se mejora el intercambio
entre el carburante inyectado y el aire de admisión del motor de
combustión interna y se aumentan los rendimientos del motor a la vez
que se reduce la formación de contaminantes, tales como el hollín y
otros hidrocarburos no quemados que constituyen el humo negro a la
salida del escape.
Otras características y ventajas de la invención
se harán aparentes con la lectura de la descripción detallada que
sigue, para la comprensión de la cual se hará referencia a las
figuras anexas, entre las cuales:
- la figura 1 es una vista esquemática en corte
axial que representa un cilindro de un motor de combustión
interna;
- la figura 2 es una vista esquemática en
perspectiva del inyector de la figura 1 en la cual los orificios de
la boquilla están realizados conforme a la invención y que
representa la distribución de los chorros de longitud libre
equivalente;
- la figura 3 es una vista desde arriba de la
figura 2 sin el inyector que representa la proyección geométrica de
los chorros en un plano horizontal de inyección.
Se ha representado esquemáticamente en la figura
1 una parte de un motor de combustión interna 10 del tipo de
inyección directa.
La figura 1 representa más particularmente un
cilindro 12 de eje X - X vertical y un pistón 14 apto para
deslizarse axialmente dentro del cilindro 12 del motor 10
describiendo un movimiento de vaivén. El pistón 14 comprende una
cabeza 16 en su trozo superior y una falda axial 18 en su trozo
inferior.
La pared cilíndrica externa 20 de la cabeza 16
comprende ranuras anulares periféricas 22 que reciben segmentos
24.
El pistón 14 comprende en su cara superior 26
una cavidad de combustión 28 que delimita la parte inferior de una
cámara de combustión 30, y cuya parte superior está delimitada por
la culata 32 del motor.
La cavidad de combustión 28 presenta aquí una
simetría de revolución alrededor de un eje vertical que coincide
con el eje X - X del cilindro 12.
La cavidad de combustión 28 comprende, con
preferencia, una garganta anular periférica 34 y un resalte central
36, aquí globalmente en forma de casquete cónico.
La culata 32 comprende por lo menos un conducto
de admisión de aire que desemboca, por un orificio de entrada
obturado por una válvula de admisión (no representados), dentro de
la cámara de combustión 30, y por lo menos un conducto de escape de
los gases quemados que desemboca, por un orificio de salida
destinado a ser obturado por una válvula de escape (no
representada), dentro de la cámara de combustión 30.
La culata 32 lleva un inyector 38 de carburante
cuya boquilla o nariz de inyección 40 desemboca directamente dentro
de la cámara de combustión 30 del motor.
La boquilla de inyección 40 del inyector 38
comprende un número "i" de orificios 42 que están dispuestos
aquí axialmente sobre una fila única y distribuidos de forma anular
con respecto al eje general A del inyector alrededor de la boquilla
40.
Con preferencia, el número "i" de orificios
42 de inyección es mayor o igual que 6.
Ventajosamente, los orificios 42 de la boquilla
de inyección 40 están distribuidos angularmente de manera regular
alrededor del eje principal A del inyector 38.
El carburante es pulverizado de este modo por
los orificios 42 bajo la forma de una superficie de inyección
globalmente troncocónica que está constituida por el conjunto de los
chorros J_{i} correspondientes al número "i" de orificios
42.
La superficie de inyección presenta un "ángulo
de superficie" determinado correspondiente a la abertura en el
vértice del cono y que depende del tipo de inyector 38 y de la
cavidad de combustión 28 asociada.
El vértice de cada chorro J_{i} está situado
en la proximidad de un punto I que está situado globalmente en el
centro de la boquilla 40 del inyector 38, sobre el eje general A del
inyector.
Como se puede ver en las figuras 1 y 2, cada
chorro J_{i} recorre, desde el punto l del inyector 38 hasta un
punto de intersección M_{i} del eje principal de pulverización B
del chorro J_{i} con la pared 44 de la cavidad 28, un segmento de
recta de longitud L_{i.}
En el ejemplo de realización ilustrado, el
carburante es inyectado bajo la forma de una superficie de inyección
determinada por seis chorros J_{1} a J_{6} asimétricos y que
son globalmente rectilíneos según sus ejes de pulverización B
respectivos.
La boquilla de inyección 40 comprende así seis
orificios 42 correspondientes que están dispuestos de forma anular
y distribuidos axialmente en una sola fila 46, formando aquí una
corona.
Siendo los chorros J_{i} asimétricos, cada
chorro J_{i} presenta una longitud L_{i} determinada que le es
propia y que es función de numerosos parámetros y, más
particularmente, del radio de la cavidad combustión 28.
Aquí, cada orificio 42 es circular y de sección
constante o del mismo diámetro pero, en una variante, los orificios
son susceptibles de tener diámetros diferentes u otras formas, tales
como formas troncocónicas, y de extenderse según un eje principal
rectilíneo o curvado.
La distancia entre dos puntos de intersección
M_{i}, M_{i+1} respectivamente de un primer chorro J_{i} y de
un segundo chorro J_{i+1} que le es adyacente, por ejemplo según
el sentido del movimiento turbulento de "remolino", está
definida por un arco, siendo éste aquí: Arco_{Ji,Ji+1}.
Con preferencia, el conjunto de los puntos de
intersección M_{1} a M_{6} del eje principal de cada chorro
J_{i} siguiendo el eje de pulverización B con la pared 44 de la
cavidad 28 está situado a la misma cota axial según el eje X - X
del cilindro 12, es decir, en un mismo plano horizontal ortogonal al
eje X - X.
En una variante, la cota vertical de cada uno de
los puntos M_{1} a M_{6} puede tomar todos los valores posibles
a lo largo de la pared 44 de la cavidad 28 de manera tal que cada
chorro J_{i} entre en contacto con el aire de admisión a gran
velocidad.
Conforme a la invención, los orificios 42 de la
boquilla de inyección 40 están realizados de manera tal que la suma
S de la longitud L_{i} y del Arco_{Ji,Ji+1} de cada chorro
J_{i} sea igual a una constante.
Dicha longitud L_{i} de un chorro J_{i} es
la longitud del segmento de recta que une, siguiendo el eje de
pulverización B del chorro J_{i}, el punto l del inyector 38 a un
punto de intersección M_{i} de dicho chorro J_{i}.
Además, el Arco_{Ji,Ji+1} es determinado
conforme a la relación:
Arco_{Ji,Ji+1} = p_{Ji,Ji+1} x
Rm
en la cual, p_{Ji,Ji+1} es el
ángulo agudo expresado en radianes y comprendido entre dos chorros
adyacentes J_{i}, y
J_{i+1},
y en la cual Rm es el radio medio de la cavidad
de combustión 28.
El valor del ángulo agudo (p_{Ji,Ji+1}) es así
diferente para cada uno de los chorros J_{1} a J_{6} y
corresponde por ejemplo, en la proyección de la figura 3, a
"\alpha" para los chorros adyacentes J_{1} y J_{2} o
"\beta" para los chorros consecutivos siguientes J_{2} y
J_{3}.
Ventajosamente, la cavidad anular 28 de
combustión es globalmente circular y aquí está centrada sobre el eje
X - X del cilindro dentro del cual se desliza el pistón 14.
Como se puede ver en las figuras 2 y 3, se ha
representado de manera esquemática un plano de inyección P que es
perpendicular al eje X - X del cilindro 12 y que se extiende así
horizontalmente pasando por el conjunto de los puntos de
intersección M_{1} a M_{6} de los chorros J_{1} a J_{6}.
El plano de inyección P representado, aquí
presenta globalmente una forma circular delimitada y que pasa por
el conjunto de los puntos de intersección M_{1} a M_{6}.
El funcionamiento de un inyector como tal de
carburante 38 es bien conocido en el estado del arte.
Se recordará que la inyección del carburante es
realizada ventajosamente de forma simultánea por todos los
orificios de inyección cuando la boquilla comprende una fila única y
que la inyección se efectúa bajo la forma de un número "i" de
chorros de carburante pulverizado formando una superficie de
inyección 48 determinada.
La inyección es efectuada con preferencia cuando
el pistón 14 alcanza sensiblemente una posición denominada punto
muerto superior (PMS).
El chorro J_{i} es inyectado así por uno de
los orificios 42 de la boquilla de inyección 40 según un eje
principal B y recorre una longitud L_{1} correspondiente al
segmento de recta comprendido entre el punto l y el punto de
intersección M_{1} del eje principal B del chorro J_{1} con la
pared 44 de la cavidad de combustión 28.
La flecha F indica el sentido del movimiento
turbulento de remolino dentro de la cavidad de combustión 28 de la
cámara 30.
De la misma manera, el chorro J_{2} es
inyectado, simultáneamente al chorro J_{1}, por el orificio 42
consecutivo de la fila 46, siguiendo aquí la flecha F, y según un
eje principal B del chorro J_{2} que recorre así una longitud
L_{2} que corresponde globalmente al segmento de recta que parte
del punto l y que termina en el punto de intersección M_{2} del
eje principal B del chorro J_{2} con la pared 44 de la cavidad de
combustión 28.
Según una característica importante, la longitud
a recorrer para, a partir del punto M_{1}, reunirse con el punto
M_{2} adyacente, corresponde, siguiendo aquí la pared 44 de la
cavidad de combustión 28, a un arco, más precisamente al
Arco_{J1,J2}.
Sucede lo mismo con el chorro J_{3}, de manera
que el punto de intersección M_{2} del chorro J_{2} está
separado del punto de intersección M_{3} del J_{3} una distancia
correspondiente al Arco_{J2,J3}.
Los chorros de carburante, bajo el efecto del
movimiento turbulento de remolino, van a enrollarse siguiendo la
flecha F dentro de la cavidad de combustión 28 y recorrer así, cada
uno, una longitud libre correspondiente a la suma S que está
definida por la relación siguiente:
S = L_{i} +
Arco_{Ji,Ji+1}
Conforme a la invención, se ha determinado que
los orificios 42, en particular la posición axial y / o angular de
cada orificio 42, deberían ser determinados de manera tal que la
longitud libre de cada uno de los chorros J_{i} sea idéntica para
garantizar una distribución óptima del carburante y una mezcla
homogénea del carburante con el aire de admi-
sión.
sión.
Se obtiene así que la longitud libre de los
chorros, por ejemplo J_{1} a J_{3}, es constante y es expresada
según la siguiente relación:
S = L_{1} +
Arco_{J1,J2} = L_{2} + Arco_{J2,J3} = L_{3} + Arco_{J3J4}
= L_{i} +
Arco_{Ji,Ji+1}
Cada chorro va entonces a enrollarse sobre una
longitud Arco_{Ji,Ji+1} que le es propia y que está determinada
conforme a la relación siguiente:
Arco_{Ji,Ji+1} = p_{Ji,Ji+1} x
Rm
en la cual (p_{Ji,Ji+1}) es el
ángulo agudo expresado en radianes, comprendido entre las
proyecciones verticales de dos chorros adyacentes J_{i}, y
J_{i+1}, en el plano horizontal de inyección
P,
y en la cual Rm es el radio medio de la cavidad
de combustión 28, sea aquí el radio R del plano circular de
inyección P de centro O.
Como se puede ver en la figura 3, el ángulo
p_{J1,J2} corresponde al ángulo comprendido entre las proyecciones
de los chorros adyacentes J_{1} y J_{2} correspondientes
respectivamente a las partes de longitudes L_{1} y L_{2}.
El punto l' corresponde a la proyección del
punto l de la boquilla de inyección 40 de los chorros J_{1} a
J_{6}.
En una variante, el diámetro de cada orificio 42
de la boquilla de inyección 40 es, con preferencia, determinado en
función de la longitud L_{i} del chorro J_{i}.
Claims (6)
1. Motor de combustión interna de inyección
directa, que comprende una culata (32) que lleva por lo menos un
inyector de carburante (38) provisto en su extremidad axial libre de
una boquilla de inyección (40) que comprende un número "i" de
orificios (42) de inyección que están dispuestos de forma anular
siguiendo por lo menos una fila (46) para pulverizar el carburante
bajo la forma de una superficie de inyección (48) constituida por
los "i" chorros (J_{i}) asimétricos de carburante,
directamente al interior de una cavidad de combustión (28) asociada
que está realizada en la cara superior (26) de un pistón (14) del
motor, en el cual cada chorro (J_{i}) recorre, desde un punto (l)
del inyector (36) hasta un punto de intersección (M_{i}) del eje
de pulverización (B) del chorro (J_{i}) con la pared de la
cavidad (28), una longitud (L_{i}), y en el cual la distancia
entre dos puntos de intersección (M_{i}, M_{i+1} ) de dos
chorros adyacentes (J_{i}, J_{i+1}) está definida por un arco
(Arco_{Ji,Ji+1}.),
caracterizado porque los orificios (42)
de la boquilla de inyección (40) están realizados de manera tal que
la suma (S) de la longitud (L_{i}) y del arco (Arco_{Ji,Ji+1})
para cada chorro J_{i} sea constante.
2. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque dicha longitud (L_{i}) es la longitud
del segmento de recta que une, siguiendo el eje de pulverización
(B) del chorro (J_{i}), el punto (l) del inyector (38) a un punto
de intersección (M_{i}).
3. Motor según la reivindicación 1,
caracterizado porque el arco (Arco_{Ji,Ji+1}) es
determinado conforme a la relación:
Arco_{Ji,Ji+1} = p_{Ji,Ji+1} x
Rm
en la cual, (p_{Ji,Ji+1}) es el
ángulo agudo expresado en radianes, comprendido entre dos chorros
adyacentes (J_{i}), y
(J_{i+1}),
y en la cual (Rm) es el radio medio de la
cavidad de combustión.
4. Motor según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los
orificios (42) de la boquilla de inyección (40) están distribuidos
angularmente alrededor del eje principal (A) del inyector (38), de
manera tal que la suma (S) sea igual a una constante.
5. Motor según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el
diámetro de cada orificio (42) de la boquilla de inyección (40) es
determinado en función de la longitud (L_{i}) del chorro
(J_{i}).
6. Motor según cualquiera de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque éste
comprende medios para producir en la admisión un movimiento
turbulento ordenado de tipo "remolino".
Applications Claiming Priority (2)
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