ES2344196T3 - Motor de combustion interna con dispositivo de inyeccion de combustible. - Google Patents

Abstract

Motor de combustión interna de inyección directa que comprende al menos un cilindro (10), una culata (12), un pistón (22) que se desliza en ese cilindro, unos medios de admisión (14, 18) de al menos un fluido gaseoso, un inyector de carburante de múltiples chorros (24) que comprende un ángulo (β) de los chorros de combustible entre los ejes consecutivos de dichos chorros y un ángulo de abertura (a1) de los chorros de combustible, y una cámara de combustión delimitada por un lado por la cara superior del pistón (22), comprendiendo dicha cara un tetón (32) que apunta hacia la culata (12) y estando dispuesto en un cuenco cóncavo (34), caracterizado por que el ángulo (β) de los chorros de combustible es al menos igual a 10π/FD donde FD es el diámetro del fondo del cuenco (34) y por que el ángulo de abertura (a1) es inferior o igual a CD/2F donde CD es el diámetro del cilindro (10) y F es la distancia entre el punto de origen de los chorros (30) de combustible y la posición del pistón (22) que corresponde a un ángulo de cigüeñal de 50º con relación al punto muerto superior.

Description

Motor de combustión interna con dispositivo de inyección de combustible.

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna con un dispositivo de inyección directa de combustible.

Se refiere más particularmente a un motor de combustión interna de inyección directa que comprende al menos un cilindro, una culata, un pistón que desliza en ese cilindro, unos medios de admisión de al menos un fluido gaseoso, un inyector de combustible de múltiples chorros que comprende un ángulo de los chorros de combustible y un ángulo de abertura de los chorros de combustible y una cámara de combustión delimitada por un lado por la cara superior del pistón que comprende un tetón que se alza hacia la culata y dispuesto en un cuenco cóncavo, como se describe a modo de ejemplo en el documento DE 1 055 873.

En el caso de los motores diésel que funcionan de modo homogéneo, es conocida la mezcla del combustible extraído de un inyector de múltiples chorros con el o los fluidos gaseosos admitidos en la cámara de combustión de este motor, tal como aire o una mezcla de aire y de gas de escape recirculado (EGR), de forma que se obtenga una mezcla de carburación homogénea antes del comienzo de la combustión. Esta homogeneidad de la mezcla de carburación permite reducir el consumo y minimizar la producción de óxidos de nitrógeno (NOx) y de partículas, de una forma que se describe mejor en el artículo científico de STOMMEL P y DURNHOLZ M titulado: "Grundlagenuntersuchung zur Gemischbildung im hochaufgeladenen, direckteinspritzenden Dieselmotor" y publicado en MTZ, vol. 55, nº 11, páginas 644 a 646, 1 de noviembre de 1944.

Para favorecer la mezcla del combustible con el fluido gaseoso admitido en la cámara de combustión, se han puesto a punto unos motores que comprenden unos inyectores con un gran número de agujeros, del orden de 20 agujeros. Este tipo de inyector permite mejorar el funcionamiento del motor en combustión homogénea pero entraña una impregnación de la pared del cilindro por las gotitas del combustible, principalmente cuando la aerodinámica interna de la cámara de combustión utiliza un movimiento de torbellino, o swirl, del fluido gaseoso admitido que proyecta dichas gotitas sobre esa pared.

Esta impregnación de la pared del combustible entraña, no solamente una degradación de la retención del lubricante presente en esa pared así como la creación de hollín, sino también un aumento de las emisiones de contaminantes y una reducción del rendimiento del motor, principalmente por el aumento en el consumo de combustible.

En el caso en el que este motor funciona en combustión tradicional, principalmente a fuerte carga de manera que se alcanza un considerable par y una considerable potencia específica, un número de chorros tal no es compatible con este modo de combustión.

En efecto, cuando los ejes de los chorros del combustible están demasiado próximos circunferencialmente los unos de los otros, las extremidades de estos chorros se superponen entre sí, en el cuenco, impidiendo realizar la mezcla con el fluido gaseoso y creando unas zonas demasiado ricas en combustible, lo que entraña la formación de hollín.

La presente invención se propone solucionar los inconvenientes mencionados anteriormente gracias a un motor de concepción simple y económica.

Se trata de un motor que puede funcionar según dos modos de combustión, el paso de un modo al otro se realiza principalmente por la modificación de la fase de las inyecciones.

La geometría contenida de los chorros se basa en la utilización de un inyector con un pequeño ángulo de abertura asociado a un número particular de chorros para, por un lado, asegurar una mezcla suficientemente homogénea del combustible con el o los fluidos gaseosos admitidos (aire o aire y gases de escape recirculados) para evitar la impregnación de la pared del cilindro por el combustible en el modo de combustión homogénea y, por otro lado, asegurar una buena independencia de cada chorro de combustible en la combustión tradicional.

Con este fin, la invención se refiere a un motor de combustión interna de inyección directa que comprende al menos un cilindro, una culata, un pistón que se desliza en ese cilindro, unos medios de admisión de al menos un fluido gaseoso, un inyector de combustible de múltiples chorros que comprende un ángulo de los chorros de combustible entre los ejes consecutivos de dichos chorros y un ángulo de abertura de los chorros de combustible y una cámara de combustión delimitada por un lado por la cara superior del pistón, comprendiendo dicha cara un tetón que apunta hacia la culata estando dispuesto en un cuenco cóncavo, caracterizado por que el ángulo de los chorros de combustible es al menos igual a \frac{10\pi}{FD} donde FD es el diámetro del fondo del cuenco y en el que el ángulo de abertura es inferior o igual a \frac{CD}{2F} donde CD es el diámetro del cilindro y F es la distancia entre el punto de origen de los chorros de combustible y la posición del pistón que corresponde a un ángulo del cigüeñal de 50º con relación al punto muerto superior.

Preferiblemente, el ángulo de abertura de los chorros de combustible puede ser inferior o igual a 120º.

Ventajosamente, el ángulo de abertura puede estar comprendido entre 40º y 100º.

El ángulo en el vértice del tetón se puede elegir superior al ángulo de abertura en un valor que comprende entre 0º y 30º.

Los ejes de los chorros de combustible pueden formar con el flanco del tetón un ángulo de intersección del orden de 5º.

Las otras características y ventajas de la invención serán evidentes con la lectura de la descripción que se da a continuación a partir de un ejemplo no limitativo de realización y en el que se refiere a los dibujos anexos en los que:

- la figura 1 muestra esquemáticamente un motor de combustión interna con un inyector de combustible de acuerdo con la invención y

- la figura 2 es una vista de un corte según la línea 2-2 de la figura 1.

Con referencia a las figuras 1 y 2, un motor de combustión interna de inyección directa, del tipo diésel, comprende al menos un cilindro 10 de eje XX' y de diámetro CD, una culata 12, al menos un conducto de admisión 14 de al menos un fluido gaseoso, tal como el aire o una mezcla de aire y de gases recirculados (EGR), al menos un conducto de escape 16, siendo mandados los conductos para abertura o para cierre por medio de una obturación tal como respectivamente una válvula de admisión 18 y una válvula de escape 20, un pistón 22 que se desliza en el cilindro 10 y un inyector de combustible 24.

El inyector de combustible, que se dispone preferiblemente en el eje XX' del cilindro, comprende en la proximidad de su punta 26 una diversidad de orificios o agujeros 28 a través de los cuales se pulveriza, en la cámara de combustión, el combustible según unos chorros 30 cuyo eje general se simboliza por el trazado del eje 32.

El inyector de combustible es del tipo de ángulo de abertura pequeño a_{1} y se elige para que la pared del cilindro 10 nunca se impregne con el combustible para todas las posiciones del pistón comprendidas entre +50º y +\alpha o entre -50º y -\alpha, donde \alpha representa el ángulo del cigüeñal para la fase de inyección elegida con relación al punto muerto superior (PMS), siendo este ángulo \alpha superior a 50º e inferior o igual a 180º para obtener una combustión de tipo homogéneo.

Si CD designa el diámetro (en mm) del cilindro 10 y F la distancia (en mm) entre el punto de origen de los chorros de combustible 30 y la posición del pistón correspondiente a un ángulo del cigüeñal de 50º, entonces el ángulo de abertura a_{1} (en grados) será inferior o igual a. 1 arctan \frac{CD}{2F}.

Una horquilla angular típica para el ángulo de abertura a_{1} es al menos de 120º y preferiblemente entre 40º y 100º.

La cámara de combustión está delimitada por la cara interna de la culata 12, la pared circular del cilindro 10 y la cara superior del pistón 22.

Esta cara superior del pistón comprende un cuenco cóncavo 34 en el interior del que se dispone un tetón 36 que se eleva hacia la culata 32 y se sitúa en el centro de este cuenco.

En el ejemplo representado, el eje general del cuenco 34, el eje del inyector 24 y el eje del tetón 36 coinciden con el eje XX' del cilindro pero, por supuesto, puede preverse que los ejes del cuenco, del inyector y del tetón no sean coaxiales con el del cilindro sino que lo esencial reside en la disposición según la cual el eje general de la abertura de los chorros de combustible, el eje del tetón y el eje del cuenco sean coaxiales.

El tetón 36, de forma general tronco cónica, comprende un vértice, preferentemente redondeado, que se continúa, en la dirección del fondo 38 del cuenco, por un flanco inclinado 40 sensiblemente rectilíneo y después, a partir del fondo del cuenco 38, por una pared lateral inclinada 42 sensiblemente rectilínea desembocando en una superficie sensiblemente horizontal 44 de la cara superior del pistón 22.

En el ejemplo de la figura 1, el fondo del cuenco 38 está formado por una cara sensiblemente plana anular que está delimitada, en sección, por los puntos A y B y el diámetro FD de este fondo se considera en la posición del diámetro medio de esta superficie es decir en la posición del punto M medio del segmento AB.

En el caso en el que el fondo de este cuenco está formado por una superficie cóncava redondeada, el diámetro FD del fondo del cuenco se considerará en la posición del punto más bajo de esta superficie cóncava, es decir en la posición del punto más alejado de la culata 12.

El ángulo en el vértice del tetón 36 y el ángulo de inclinación de la pared lateral 42 del cuenco 34 se adaptan sensiblemente al ángulo de abertura de los chorros de combustible 30, de manera que el combustible se inyecte sensiblemente a lo largo del flanco 40 del tetón y después remonte la longitud de la pared lateral 42 del cuenco.

Se elige un ángulo en el vértice del sector de manera tal que sea superior al ángulo de abertura a_{1} de los chorros de combustible en un valor comprendido entre 0º y 30º y un ángulo de inclinación de la pared lateral 42 del cuenco 34 que sea inferior a 45º.

Por ángulo de abertura, se entiende el ángulo en el vértice que forma el cono de salida del inyector y cuya pared periférica ficticia pasa por todos los ejes de los chorros de combustible.

Preferiblemente, se prevé que los ejes 32 de los chorros 30 formen con el flanco 40 del tetón 36 un ángulo de intersección del orden de 5º.

Como ya se ha explicado, es necesario que las separaciones angulares circunferenciales de los chorros se prevean de tal manera que estos chorros no se solapen los unos con los otros en el cuenco.

Para esto, el solicitante ha determinado, mediante cálculo, la separación angular ideal \beta entre dos ejes 32 de chorros de combustible 30 consecutivos que permiten obtener, por un lado, el funcionamiento que satisface un motor en el modo de combustión tradicional y, por otro lado, asegurar una mezcla homogénea del combustible con el fluido gaseoso, tal como aire o una mezcla de aire y de gases de escape recalculado (EGR). Esta separación angular se debe considerar en un plano ortogonal al eje XX' (véase la figura 2).

Asociado a este inyector, el solicitante ha determinado igualmente un cuenco ideal que comprende un diámetro de fondo del cuenco FD.

A partir de esto, el ángulo \beta mínimo (en radianes) entre los ejes consecutivos de chorros será entonces de \frac{10\pi}{FD} (con FD en mm).

A partir de este ángulo \beta, se podrá calcular enseguida el número N_{t} de agujeros 28 del inyector 24, dicho número calculado, y en consecuencia el número de chorros 30, se reparte regularmente en la circunferencia alrededor del eje del inyector.

Si N_{t} no es un número entero, se determinará un número real de agujeros igual al valor entero inferior más próximo.

A modo de ejemplo, si el número calculado de agujeros N_{t} es 5,8, el número entero más próximo a este número calculado es 5 y, en consecuencia, se utilizará un inyector con 5 agujeros.

La utilización conjunta del inyector con un ángulo de abertura a_{1} relativamente pequeño y de un inyector con un número real de agujeros, de acuerdo con la definición precedente, admite un modo de combustión tradicional para una inyección de combustible cerca del punto muerto superior (PMS) mientras se mejora la mezcla de combustible con el fluido gaseoso y se evita el solapamiento de los chorros entre sí.

Además, esta configuración permite evitar la presencia de carburante líquido sobre la pared del cilindro mientras ofrece grandes posibilidades de control de la contaminación y de los rendimientos de los motores, principalmente en el modo de combustión homogénea.

A plena carga y a cargas elevadas, el motor permite un buen comportamiento del combustible vaporizado favoreciendo así su mezcla con el fluido gaseoso con el fin de obtener una buena velocidad de combustión y unas riquezas elevadas de funcionamiento, que se traducen en una buena utilización del fluido gaseoso admitido. Con cargas parciales, un ángulo de abertura reducido combinado del inyector, como se ha descrito anteriormente, permite evitar la impregnación de la pared del cilindro y asegurar la mezcla del carburante con el fluido gaseoso.

Claims (5)

1. Motor de combustión interna de inyección directa que comprende al menos un cilindro (10), una culata (12), un pistón (22) que se desliza en ese cilindro, unos medios de admisión (14, 18) de al menos un fluido gaseoso, un inyector de carburante de múltiples chorros (24) que comprende un ángulo (\beta) de los chorros de combustible entre los ejes consecutivos de dichos chorros y un ángulo de abertura (a_{1}) de los chorros de combustible, y una cámara de combustión delimitada por un lado por la cara superior del pistón (22), comprendiendo dicha cara un tetón (32) que apunta hacia la culata (12) y estando dispuesto en un cuenco cóncavo (34), caracterizado por que el ángulo (\beta) de los chorros de combustible es al menos igual a \frac{10\pi}{FD} donde FD es el diámetro del fondo del cuenco (34) y por que el ángulo de abertura (a_{1}) es inferior o igual a \frac{CD}{2F} donde CD es el diámetro del cilindro (10) y F es la distancia entre el punto de origen de los chorros (30) de combustible y la posición del pistón (22) que corresponde a un ángulo de cigüeñal de 50º con relación al punto muerto superior.

2. Motor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el ángulo de abertura (a_{1}) de los chorros de combustible (30) es inferior o igual a 120º.

3. Motor de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que el ángulo de abertura (a_{1}) está comprendido entre 40º y 100º.

4. Motor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que el ángulo en el vértice del tetón (36) se elige superior al ángulo de abertura (a_{1}) en un valor comprendido entre 0º y 30º.

5. Motor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que los ejes (32) de los chorros de combustible (30) forman con el flanco (40) del tetón (36) un ángulo de intersección del orden de 5º.