ES2387207B1

ES2387207B1 - Sistema de inyeccion electronica para pequeños motores de gasolina

Info

Publication number: ES2387207B1
Application number: ES201030160A
Authority: ES
Inventors: Javier Duaso Pardo
Original assignee: LCN MECANICA SL; Lcn Mecanica S L
Current assignee: LCN MECANICA SL; Lcn Mecanica S L
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2010-02-08
Publication date: 2013-07-29
Anticipated expiration: 2030-02-08
Also published as: WO2011095622A1; ES2387207A1; EP2534366A1

Abstract

El sistema de inyección electrónica para pequeños motores de gasolina comprende un dispositivo farmacia por un inyector (9) para cerrar o abrir el flujo de gasolina inyectada, y una restricción (24) insertada coaxialmente a la salida del inyector y que dispone de un orificio (24a) para controlar por pérdida de carga el caudal de gasolina inyectada cuando el inyector está abierto. Una tobera sónica (16) de una o de dos gargantas (35, 37) está acoplada axialmente con dicha restricción (24). La invención permite reducir significativamente los costes del inyector de gasolina, de la bomba de gasolina y regulador de presión, y además presenta cualidades anticontaminantes excepcionales.

Description

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se encu_aetra en el campo técnico de los sistemas de inyección para motores de combustión de gasolina, y es especialmente aplicable a motores de combustión de gasolina de los que se emplean en vehículos tales como los motocicletas de cilindrada reducida, ciclomotores y microcoches, y en pequeños aparatos estacionarios o transportables tales como generadores eléctricos, motot)orr\l:Jas, cabestrantes, etc.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidacl, los sistemas de inyección electrónica para motocicletas con motor de combustión de cuatro tiempos y otros aparatos, son en esencia una adaptación de los sistemas aplicados en los vehículos automóviles y contienen los mismos componentes mecánicos, electromecánicos y electrónicos. Los sistemas de inyección utilizados son en general del tipo de inyección indirecta, es decir, que la gasolina se inyecta entre la válvula de mariposa y la válvula de admisión de gases del motor.

Así, por ejemplo, un sistema de inyección electrónica típico para motocicleta de potencia alta-media comprende habitualmente los siguientes componentes para controlar la cantidad de gases de

admisión, a voluntad del conductor, medir el caudal de aire admitido y suministrar la cantidad de combustible adecuada para un correcto funcionamiento del motor:

un cuerpo de mariposa, que frecuentemente contiene el inyector que eroga la gasolina corriente abajo de la válvula de mariposa o de la válvula de control de

gases: y el sensor de su posición angular que

proporciona: información de la carga del motor a

cualquier régimen: de giro;

una bomba eléctrica en el interior del depósito de gasolina habitualmente con un rendimiento de 20-35 1/h, 2-3 bar de presión y un consumo de 1, 5A-3A a 12V, y propulsada por un motor eléctrico de corriente continua y con un elemento de bombeo de engranaje interno o con una turbina, no siendo este último elemento de bombeo autocebante por lo que la bomba necesita estar situada en la zona interna inferior del depósito de gasolina; un regulador de presión de 2-3 bar, de membrana, que regula sobre la presión corriente abajo de la mariposa y que normalmente está situado en el interior del depósito de gasolina al que devuelve el caudal de gasolina sobrante; un inyector eléctrico que, cuando se activa, eléctricamente abre el obturador de manera que el caudal de gasolina inyectada depende de la sección de los orificios de salida, de la diferencia de presión a ambos lados de dichos orificios, controlada por el regulador de presión, y del tiempo de activación eléctrica del inyector, dependiendo, para un sistema de inyección dado, el caudal de

gasolina erogado por el inyector sólo del tiempo de

activación del inyector; sensores de temperatura motor y de aire admisión. un sensor de presión absoluta de la admisión que con

la señal temperatura admisión permite calcular la

densidad de admisión, que por la cilindrada nos da

la masa de aire admitida y en proporción adecuada

suministrar la gasolina requerida; este sensor sólo

se utiliza en los sistemas más sofisticados de

inyección, régimen-densidad, mientras que en los

sistemas más elementales se utiliza el ángulo

mariposa-régimen (cx-n) siendo el régimen y la fase

una información que llega de un sensor inductivo que

detecta el paso de los dientes de una rueda fónica

solidaria al cigüeñal;

una válvula de toma de aire auxiliar (quot;bypassquot;) el

cual es un elemento electromecánico que controla,

mediante una activación eléctrica, un caudal de aire

en paralelo con la mariposa para obtener un régimen

de giro prefijado al ralentí a cualquier

temperatura.

una unidad electrónica de control ó centralita que

procesa las señales de los sensores y con sus datos

de memoria y programa pilota los actuadores, el

inyector, el bypass y la bomba de gasolina para

posibilitar un correcto funcionamiento del motor.

La figura 1 1lustra un sistema de alimentación del

estado de la técnica para un motor ( 6) de combustión de

gasolina de cuatro tiempos que comprende un carburador (4)

dispuesto de forma convencional entre un filtro de aire

(3) , al que el cartmrador ( 4) está conectado mediante un

conducto: de alimentación de aire (5) f y el codo de

admisión: (7) del motor (6) , y conectado a través de un

tuJJo: de alimentación (8) a una válvula de salida (2),

manual o automática, del depósito de gasolina (1). El codo de admisión (7) está conectado a la admisión (6a) del motor (6) en la que e~:¡tá dispuesta, también de forma convencional, una válvula de admisión (6b).

Las posibilidades ofrecidas por el control electrónico permiten optimizar las emisiones del motor integrando otros componentes al sistema como encendido, la sonda Lambda y catalizador trivalente, válvula EGR y otros.

El sistema de inyección anteriormente descrito es utilizado actualmente en motocicletas de alta y media potencia, donde el coste del sistema de inyección guarda una cierta proporción con el coste total del vehículo. Sin embargo, para motocicletas de baja potencia, en el entorno de 50cc comúnmente llamadas ciclomotores, de precio extremadamente bajo, o para otros motores de gasolina de cuatro tiempos de baja potencia empleados para las aplicaciones del tipo de las mencionadas en el apartado anterior, el sistema de inyección anteriormente descrito, pasa a ser una fracción muy significativa del coste total del vehículo o aparato. Por ello, para la alimentación de los motores de combustión de baja potencia actualmente se realiza mediante un carburador. No obstante, dado que las normas que regulan sus emisiones contaminantes evolucionan rápidamente a límites más restrictivos que los motores provistos de carburador no podrán cumplir, el control electrónico tanto de la alimentación de combustible como de los componentes

anticontaminantes va a ser totalmente necesario en un próximo futuro.

Para instalar un sistema de inyección quot;clásicoquot; del tipo más arriba descrito, en un motor alimentado con carburador, las modificaciones sobre el vehículo o aparato serían bastante sustanciales, dado que es preciso:

modificar el sistema eléctrico del vehículo aumentando la potencia de alternador y capacidad de la batería para operar con una bomba de gasolina que consume continuamente gt;2A a 12 V;

instalar un bastidor en el interior del depósito de gasolina donde se fijan el sensor de nivel, la bomba de gasolina y el regulador de presión gasolina con el tubo que le conecta con el colector de admisión;

instalar un dispositivo que desactiva la bomba en caso de colisión cuando se para el motor para evitar incendios, pudiendo ser este dispositivo de naturaleza inercial o de pilotaje de la bomba en la centralita electrónica.

Resulta, por lo tanto, que esas modificaciones serían complicadas y costosas tanto a la hora de la primera fabricación de los vehículos y aparatos con un sistema de inyección de ese tipo como a la hora sustituir el sistema de alimentación por carburador de un vehículo

o aparato convencional ya existente por este sistema de inyección.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención tiene por objeto superar los

inconvenientes del estado de la técnica anteriormente

comentados, mediante un sistema de inyección para peque5os

motores gasolina definido en las adjuntas

5: reivindicaciones independientes.

Concretamente el dispositivo de inyección electrónica

para peque5os motores de gasolina de la invención

comprende un cuerpo de válvula de mariposa, que dispone

1 O: internamente de un canal de paso de aire con una boca de

entracla de aire y una boca de salida de mezcla, estando

dentro dicho canal está alojada una válv-ula de mariposa.

Un inyector eléctrico de gasolina está montado en el

cuerpo de la válvula.

15

El dispositivo se caracteriza porque comprende una

tobera sónica, con una o dos gargantas, acoplada con la

salida de la restricción de dicho inyector eléctrico de

gasolina, de manera coaxial con el eje longitudinal de la

2 O: restricción del inyector. El referido acoplamiento entre

la tobera y la restricción garantiza el perfecto

alineamiento coaxial entre ambos elementos, y por lo tanto

asegura la adecuada pulverización de la gasolina.

25: La tobera sónica está dispuesta para proyectar una

mezcla de aire y gasolina dentro del canal aguas abajo de

la válvula de mariposa que se suma al resto de aire de

admisión.

30: Un conducto de entrada de aire está formado dentro

del cuerpo de la válvula y dispuesto de forma paralela al

eje longitudinal del cuerpo de la válvula, disponiendo

dicho conducto de una entrada de aire situada aguas arriba

de la válvula, y disponiendo dicho conducto de una salida que desernboca en una cámara de inyección que ~:¡uministra aire a la entrada de la tobera a través de unas aberturas que permiten el flujo de aire cuando dicha tobera se acopla con la restricción del inyector.

Una de las caracteristicas relevantes del sistema de inyección de la invención consiste en que se implementa

una: inyección quot;doblemente indirectaquot; puesto que la

restricción: del inyector descarga a la presión de la

cámara: de inyección y después la gasolina pasa al

conducto de admisión a través de la tobera, configuración que permite utilizar el inyector descrito con un bajo nivel de inversiones para su fabricación asi como reducir el consumo eléctrico del sistema de inyección.

Otra consecuencia de esta configuración es que opera con un regulador de presión esencialmente económico y suficiente funcionalidad, pues una variación de presión regulada del 1% sumada a una variación del caudal de la bomba del 15% produce una variación total del caudal de gasolina inyectada del 1%. Este efecto queda asegurado también por el hecho de utilizar un regulador de tensión de 9 V en la centralita para alimentar la bomba con lo que se reduce la dispersión de su caudal y el de recirculación en el regulador de presión, asi como simplificar la puesta a punto de la aplicación de este

sistema de inyección en un motor, puesto que prácticamente elimina la corrección del tiempo de

inyección por variación de la tensión de la bateria.

La presente invención supera los inconvenientes del estado de la técnica proporcionando un sistema de

inyección de bajo coste y con una excelente funcionalidad

y que además permite la sustitución del carburador por el

sistema de inyección de gasolina conforme a la presente

invención de forma directa sin necesidad de

5: modificaciones mecánicas o eléctricas tanto en cuanto al

diseño de vehículos o aparatos de primera fabricación

como a nivel de reequipamiento de vehículos y aparatos ya

existentes provistos de carburadores, ya que basta:

sustituir la válvula de gasolina en la salida del

10: depósito de gasolina por una pequeña bomba de

gasolina de baja presión de, por ejemplo, 0,4-0,7

bar y consumo de, por ejemplo, 0,2A-0,4A a 9V

alimentada desde la centralita electrónica;

sustituir el carburador por un cuerpo de mariposa

15: que integra el inyector, bypass de aire, regulador

de presión de obturador y muelle en el retorno al

depósito de gasolina, sensor de posición angular de

la mariposa, sensor temperatura motor1admisión y,

opcionalmente, la centralita electrónica de control;

20: sólo conectar la alimentación eléctrica controlada

por la llave de contacto y la señal de activación

del encendido, normalmente un sensor inductivo que

detecta el paso de un imán solidario a un volante

anclado en el eje del cigüeñal, como señal de

25: régimen, por lo que no es necesaria la rueda fónica.

Por otra parte, en un motor de combustión de baja

cilindrada, tampoco es preciso potenciar el sistema

eléctrico pues el consumo máximo del sistema de inyección

3 O: no excede a O, 5 A al máximo régimen de rotación motor,

cifra inferior al consumo de energía eléctrica del

dispositivo de arranque automático del carburador que

suele superar a 1 A, a 12 V. Finalmente, en caso de

colisión, vuelco, etc. con parada del motor sufrido por el vehículo o del aparato, la bomba deja de funcionar por ausencia de señal de activación de la centralita electrónica por lo que no hay peligro de incendio ni necesidad de incorporar otros dispositivos frecuentemente usados para evitar este riesgo.

Si la depresión bajo mariposa es mayor de 0,1 bar, el sistema de inyección de la invención logra que la diferencia de velocidad entre el chorro de gasolina y el caudal de aire sea de más de 300 m/s, en el interior de la tobera, lo cual produce una fuerte nebulización del chorro de gasolina inyectado. Esto es muy beneficioso para una buena combustión de la mezcla aire/gasolina, pues reduce tanto las emisiones de CO y HC así como el consumo de carburante.

Se producen depresiones mayores de 0,01-0,02 bar en casi todo el campo de funcionamiento de motores de cuatro tiempos con suficiente calidad de nebulización de la gasolina, en particular los monocilindricos de hasta 150cc en relación con los que la aplicación de la presente invención es particularmente útil. Naturalmente funcionando en motores estacionarios dos veces más lentos se puede aplicar a cilindradas dos veces mayores sin modificar las prestaciones de los componentes de este sistema de inyección de gasolina, aplicación muy adaptada económica y funcionalmente a esta invención. Aunque los motores de dos tiempos funcionan con menor depresión en el colector de admisión que los motores de cuatro tiempos, también es posible aplicarles este sistema con un adecuado dimensionado de los parámetros de la tobera,

reduciendo: los efectos no deseados del cortocircuito

admisión-escape: operando con mezclas muy pobres y con

algoritmos: programados de corte de combustible

(quot;cut-offquot;), de la amortiguación del retorno del ralenti (dash-pot) y otros.

De acuerdo con lo anteriormente indicado, en el interior de la tobera la velocidad relativa de la gasolina respecto al aire es superior a 300 m/s, en casi todo el campo de funcionamiento del motor desde el ralenti hasta zonas próximas al pleno gas. En el caso de una inyección clásica con presión en bomba de 3 bar esta velocidad relativa es del orden de 28 m/s con un consumo eléctrico de unos 2-3 A a 12V, es decir con un consumo minimo de 24 W. El consumo eléctrico medio del sistema que preconiza la presente invención es de 0,3A a 9V, es decir unos 3 W, es decir, la presente invención tiene la ventaja de un menor consumo de energia eléctrica. Por otra parte, las altisimas velocidades respecto al aire que la gasolina alcanza en la tobera la presente invención tiene la importante ventaja de que, por el efecto de la onda de choque cuando el motor funciona a carga parcial, se genera una gran homogeneidad de mezcla que permite operar en un amplio intervalo de relaciones aire-gasolina muy pobres sin problemas de fallos de combustión y baja emisión de hidrocarburos no quemados y monóxido de carbono.

También hay que tener en cuenta que para las motocicletas de 125cc-150cc, toda la prueba de emisiones contaminantes, tipo EURO 3, se realiza en condiciones de depresión bajo mariposa mayores que 0,1 bar, por lo que el sistema inyección conforme a la presente invención

asegura, en este tipo de pruebas, un resultado de emisiones muy satisfactorio en un amplio campo de puesta a punto del programa de inyección.

Si bien en el sistema conforme a la presente invención la presión de la cámara de inyección, o zona de entrada de aire a la tobera, varía levemente de un punto de funcionamiento del motor a otro por la pérdida de carga del filtro de aire, variable con el caudal de aire de admisión motor, y efectos acústicos en la admisión del motor, estas variaciones de presión sólo afectan mínimamente al caudal de gasolina del inyector, puesto que modifica el salto de presiones a través de la restricción del inyector, pero son repetitivas en cada punto de funcionamiento del motor y su efecto se corrige al asignar, en el programa de la centralita, el tiempo de inyección para obtener la relación aire-combustible deseada.

Aunque la presente invención es especialmente útil para motores de pequeña cilindrada, tal como se desprende de la anterior descripción, el sistema de inyección desarrollado también puede implantarse en motores de combustión de cilindradas y números de cilindros diversos siendo necesario para ello sólo adecuar el caudal de la bomba y regulador de presión a la cilindrada y régimen máximo del motor y el de los inyectores a la cilindrada de cada cilindro, así como las gargantas de las toberas, asociadas a cada inyector, al caudal de aire del ralentí.

Para motores de 50cc de cuatro tiempos, el sistema de inyección conforme a la presente invención compuesto por la bomba de baja presión, inyector, cámara de inyección y tobera convergente-divergente de dos gargantas, acoplada coaxialmente a la restricción, permite el funcionamiento con restricción del inyector del orden de O, 4-0, 5 mm de diámetro si la presión que determina el regulador de presión es aproximadamente O, 4-0, 6 bar. A su vez, cuando el sistema se aplica a motores de mayor cilindrada, o se puede disponer una parte de restricción del inyector de mayor diámetro, o se puede aumentar la presión a cerca de 0,8 bar manteniendo el citado diámetro de la parte de restricción.

Esto implica que no se necesitan costosos procesos de electroerosión en serie para realizar el tarado de la parte de restricción del inyector y son suficientemente adecuados los métodos precisos de mecanizado con brocas sucesivas lo cual redunda en una reducción de costes de amortización. Esto es particularmente interesante para las fabricas de carburadores que ya disponen de esta tecnología, aunque no es en ningún caso una limitación técnica y pueden utilizarse procesos de perforado de precisión de tecnología emergente como laser o el mismo de electroerosión en serie si la evolución en términos de costes y capacidad de proceso lo hacen económicamente factibles, en cuyo caso el diámetro de la parte de restricción sería más pequeño y la presión de inyección más alta, para un mismo motor. No obstante, una de las aportaciones de esta invención consiste en operar con bajas presiones de inyección para poder utilizar diámetros de partes de restricción de inyector practicados con un proceso de mecanizado clásico de tornos especiales.

Como se desprende de lo anterior, el sistema de

inyección conforme a la presente invención presenta,

frente a los sistemas de inyección convencionales, un

menor coste. Esto se debe a que no son necesarias

inversiones en procesos productivos de alta tecnología

5: como electroerosión en serie o máquinas rectificadoras de

precisión, en lo que se refiere al proceso de fabricación

del inyector cuyas piezas se obtienen, para este sistema

de inyección, por mecanizado en torno con tolerancias y

acabados fácilmente obtenibles. El proceso de montaje

10: puede contemplar la puesta a punto unitaria de la carrera

del obturador y la tensión de su muelle para obtener los

caudales de gasolina especificados, para tiempos de

inyección asignados, en la zona del ralentí y máxima

potencia, operaciones fácilmente automatizables.

15

Asimismo, en este sistema de inyección la bomba de

gasolina tiene un menor coste a la vista de que opera con

bajas presiones que pueden ser, en los motores de pequeña

cilindrada, notablemente inferiores a un bar por lo que

2 O: sus componentes pueden fabricarse con procesos de

inyección de plásticos adaptados a esta función, pudiendo

ser del tipo de turbina o de desplazamiento positivo, ya

sea de engranajes o de paletas centrífugas.

25: Finalmente y de acuerdo con lo anteriormente

indicado, el uso del sistema de inyección conforme a la

presente invención en un ciclomotor de SOcc con motor de

gasolina de cuatro tiempos, que experimentalmente ha

demostrado no presentar dificultades para arrancar y

30: funcionar a temperaturas entre -20°C y +50°C. Además,

este ciclomotor alcanzó repetidamente unas emisiones

inferiores al 50% de los límites establecidos por la

norma EURO 2 para cada contaminante, sin pérdida de

prestaciones sin alterar el sistema eléctrico del ciclomotor original, ni su sistema de encendido fijo, lo que demostró que el sistema de inyección confería al motor unas cualidades anticontaminantes excepcionales.

DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para complementar la descripción que se está

10 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

15 limitativo, se ha representado lo siguiente:

la figura l.-es una vista esquemática en alzado lateral de un sistema de alimentación con carburador del estado de la técnica para un motor de gasolina de cuatro

20 tiempos de baja potencia, en el cual se puede instalar el sistema de inyección conforme a la presente invención.

la figura 2.-es una vista similar a la de la figura 1 que incluye el sistema de inyección de la presente 2 5 invención.

la figura 3.-es una vista esquemática lateral en secc1.on longitudinal de un inyector eléctrico según la

invención.

la figura 4.-muestra en el dibujo superior una vista en alzado lateral de un atomizador según la invención formado por una tobera de dos gargantas acoplada a una

pieza restrictora. El dibujo inferior es una vista en secc1on longitudinal segün la linea de corte A-A del ditmjo superior.

la figura 5.-muestra en el dibujo superior una vista en alzado lateral de un atomizador seqón la invención formado por una tobera con una garganta acoplada a una pieza restrictora. El dibujo inferior es una vista en sección longitudinal segün la linea de corte A-A del dibujo superior.

an

la figu_ra 6.---es una vista ampliada y sección de

\.........!..!.

un detalle del atomizador montado en el cuerpo de la mariposa.

la figura 7.---es u_na vista en sección longitudinal que muestra la disposición del dispositivo de inyección de la invención.

la figura 8.---es una vista esquemática parcial en perspectiva exterior de la disposición mostrada en la fig-ura 7.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

La figura 2 muestra una realización del sistema de inyección de la presente invención en sustitución del

. . quot;

sistema de a __l .lrnentacJ_on por carburador mostrado en la figura 1, interconectando un cuerpo de mariposa (11) entre el filtro de aire (3) y el codo de admisión (7), y sustituyendo la válvula de salida en el depósito de

-: ] quot; .

gasolina (l_) por una bomt)a de gasolina ( 1 o) e __ ectrlca. El inyector (9) está integrado en un cuerpo de mariposa (11)

con un paso de aire interior (lla) en el que se encuentra

una válvula de mariposa (12) , y con una entrada de aire

(llb) conectada al conducto de alimentación de aire (5) y

una salida de mezcla (llc) gasolina/aire conectada al codo

5: de alimentación (7).

La bomba de gasolina ( 1 O) está situada en la salida

del depósito de gasolina (1) y su salida está conectada a

la entrada de suministro de gasolina (lle) del inyector

1O: ( 9) a través del tubo de alimentación (8) que conduce la

gasolina a una cámara anular (lld) en el cuerpo de

mariposa (11) estando situada esta cámara anular (lld)

comunicada con unos orificios de entrada de gasolina (23)

del inyector (9).

15

El inyector (9) está dispuesto en el cuerpo de

mariposa (11) de tal forma que, a través de una tobera

sónica (16) , inyecta ga~:¡olina al paso de aire interior

(11a) del cuerpo de mariposa (11) entre la válvula de

20: mariposa (12) y la salida de mezcla (11c), es decir aguas

abajo de la válvula (12) y está conectado, por su zona

superior, a un regulador de presión (13) por el que pasa

gasolina no inyectada la cual es retornada al depósito de

gasolina (1) a través de un conducto de retorno ( 1 lt;l)

25: conectado al depósito (1) . La gasolina retornada al

depósito (1) arrastra consigo todas las burbujas de

gasolina que se han podido generar por las altas

temperaturas del entorno del motor incluso si la

temperatura ambiente es anormalmente alta, corno por

30: encima de los 50°C.

Solidaria o separada del cuerpo de mariposa (11)

está dispuesta una centralita electrónica (15) que

comprende una primera entrada (15a) de alimentación, una segunda entrada (15b) conectada a un sensor de régimen de giro (no mostrado en las figuras) y una tercera entrada

(15c) conectada a un sensor de temperatura (15d). El sensor de régimen de giro es el mismo sensor utilizado para el encendido. El sensor de posición angular de la mariposa, necesario para conocer el estado de carga del motor, no está mostrado en la figura.

La válvula by-pass de aire, controlada por la centralita no está representada en la figura 2.

La bomba de gasolina (10) es de baja presión siendo su régimen de funcionamiento típico de 0,4-0,7 bar con un caudal que multiplica varias veces el consumo de gasolina máximo del motor (6), y con un consumo de electricidad de O, 2A-0, 4A a 9V. Dadas sus prestaciones modestas con un rendimiento total de aproximadamente O, O 4, la bomba de gasolina ( 1 O) puede estar fabricada con componentes de plástico apropiados y con un coste muy económico.

El regulador de presión de gasolina (13) está montado en el cuerpo de mariposa, y comprende una cavidad ci1ínclrica que contiene un obturador indeformable cónico

(3 9) en su extremo, dispuesto para cerrar contra un orificio circular (40) coaxial por la acción de un muelle

(44): de compresión también coaxial con el obturador. El regulador de presión (13) desemboca en una cámara (41) a través de la que comunica con unos orificios de entrada

(23): del inyector (9) a través de un conducto (11f)

El inyector ( 9) representado con detalle en la figura 3, comprende un obturador ferromagnético (17) en

forma de pistón alojado en una cavidad axial interior (18b) de una camisa (18) no magnética. En uno de sus extremos, el obturador (17) presenta un alojamiento (17a) en el que está insertada a interferencia una esfera (19) presionada, en posición de cierre del inyector (9), por un muelle (20) situado en una cámara axial cilíndrica (17b) del obturador (17), contra el borde de un orificio de paso (18d) circular conformado por un estrangulamiento (18a) de la camisa (18). El borde del orificio de paso (18d) es cóncavo y presenta una curvatura complementaria

a la curvatura de la esfera (19) que sobresale del alojamiento (17a) y que está presionada contra dicho borde.

Esta configuración complementaria se puede conformar, por ejemplo, impactando, con carga controlada, una esfera del mismo diámetro que la esfera (19) sobre una arista viva con lados a unos 127°, uno de los cuales constituye la generatriz de un cono tangente a la esfera al 80% de su diámetro. Los orificios de entrada (23) de gasolina desembocan en una cámara de entrada (17c) ubicada entre la camisa (18) y la parte extrema del obturador (17) ferromagnético que se encuentra en la cercanía del dichos orificios (23).

El obturador (17) es la parte móvil de un circuito magnético de un solenoide de forma que cuando la bobina

(21) que rodea una parte de la camisa (18) y que está contenida en la carcasa (9a) se activa por medio de una señal eléctrica proveniente de la centralita (15), el obturador ferromagnético (17) se desplaza, venciendo la fuerza del muelle (20), desde su posición de cierre mostrada en la figura 3 en la que presiona la esfera (19)

contra el orificio de paso (18d) del estrangulamiento

(18a) hacia una posición de apertura, realizando una

carrera (lt;12) de, por ejemplo, del orden de O, 05 mm, en

dirección contraria al estrangulamiento (18a) de forma

5: que la esfera (19) se separa del orificio de paso (18d)

del estrangulamiento (18a).

En esa posición de apertura, la gasolina

suministrada por la bomba de gasolina ( 1 O), después de

10: pasar por el filtro (22) y por los orificios de entrada

(23) en forma de taladros radiales situados en la camisa

(18), atraviesa la zona de obturación conformada por el

estrangulamiento (18d) y pasa, a través de la embocadura

(18c) .

15

Una pieza cilíndrica (25) roscada que forma parte

del circuito magnético en la que se apoya el obturador

(17) cuando completa su carrera, establece el recorrido

del obturador que puede regularse desde el exterior y

2 O: queda bloqueada por la acción de dos juntas tóricas (2 6)

de estanqueidad, una de las cuales elimina por compresión

axial, el juego axial de la rosca. A su vez la pieza

cilíndrica (25) aloja en su interior de forma coaxial un

cilindro roscado (27) cuyo primer extremo contacta el

25: muelle (20), y ct:tvo airo en un primer sentido aprieta el

muelle (20) mientras que su giro en el sentido opuesto

destensa el muelle (20), lo que permite regular y

bloquear la tensión del muelle (2 O) del obturador (17)

adicionalmente a la pieza cilíndrica. Esta segunda pieza

30: cilíndrica (27) queda bloqueada por la acción de las

juntas tóricas (26'). Con este mecanismo se puede regular

el caudal del inyector a los valores especificados en

todo su campo de actuación con tolerancias muy

restringidas, eliminando los efectos de las posibles variaciones de capacidad de flujo de la zona de obturación y de la parte de restricción final. Posteriormente pueden bloquearse definitivamente los dos cilindros roscados aportándoles una resina plástica en la cavidad posterior (28) practicada en una camisa (43) ferromagnética alojada axialmente en el inyector (9).

La presente invención comprende un atomizador (33) mostrado en la figura 4, cuya función es pulverizar la gasolina inyectada proveniente del inyector (9). Este

atomizador: consta de la tobera sónica (16) de dos

gargantas,: y de una restricción ( 2 4) estando ambos

elementos: acoplados entre sí coaxialmente. Más

concretamente,: la restricción ( 2 4) está acoplada con la

entrada (16 a) de la tobera (16), para lo cual la tobera dispone de dos medias cañas (31,31') insertadas y retenidas elásticamente en una cavidad (32) de la restricción (24) debido a la deformación elástica de las mismas.

La restricción (24) estét conformada para insertarse dentro de la ernboc;acl1..lr·a (lfJc) del inyector ( 9) ' garantizando la perfecta alineación axial entre la restricción y las g-arg-antas de la tobera. La restricción

(24) además dispone de un estrechamiento (24a) para el paso de gasolina, cuya función e o la de convertir la

~)

presión a la que la gasolina está sometida en velocidad de gasolina y por efecto de pérdida de carga, controlar la cantidad de gasolina inyectada cuando el inyector está abierto.

Entre dichas medias cañas (31, 31 ') se definen dos

entradas: de aire (34, 34 ') diametralmente opuestas, para

la: entrada de aire en la tobera desde la cámara de

inyección: (29) y a través del canal (30) procedente de

corriente: arriba respecto a la mariposa.

El inyector y el atomizador acoplados pueden verse montados en el cuerpo de la válvula en la figura 6, donde la salida de la tobera (16b) descarga en el conducto de admisión corriente abajo de la mariposa (12). Se aprecia con más detalle, cómo el canal (30) desemboca en la cámara de inyección ( 2 9) , desde donde el aire pasa al interior de la tobera a través de las entradas de aire (34,34').

Las figuras 7 y 8 muestran los circuitos y componentes fluhidricos localizados en el cuerpo de mariposa (11) La entrada de gasolina (11e), procedente de la bomba, que conecta con los orificios radiales del inyector, atraviesa su zona de obturación y es introducida por la restricción (24) del atomizador de la que sale en forma de chorro dirigido con precisión al centro de las gargantas de la tobera (16) El conducto

(30) aporta aire, procedente de corriente arriba de la mariposa, a una cavidad cilíndrica transversal ó cámara de inyección (29), a una presión que es prácticamente igual a la atmosférica, y entra a la tobera (16) a través de sus aberturas (34, 34 ') Con depresiones bajo mariposa superiores a O, 1 bar, aproximadamente, las gargantas de la tobera alcanzan la velocidad del sonido y entre ellas la velocidad del aire es supersónica. También es supersónica la velocidad del aire en la zona comprendida entre la segunda garganta y un onda de choque normal que se forma en el conducto divergente de la tobera, siendo

esta zona mas grande cuanto mayor sea la depresión bajo mariposa.

Para una presión de gasolina establecida por el regulador de presión (13) de O, 4 bar la velocidad del chorro de gasolina procedente de la restricción (24) del atomizador es de unos 10 m/s y siendo la velocidad de aire, en la misma dirección que la de la gasolina, superior a 340 m/s en toda la zona de la tobera comprendida entre la primera garganta y la onda de choque, la velocidad del aire respecto a la gasolina es superior a 300 m/s en dicha zona, con al depresión bajo mariposa igual ó mayor que la anteriormente citada. Esta velocidad relativa produce una finísima nebulización de la gasolina a la salida de la tobera que mezclada con el aire de admisión genera una mezcla de gran homogeneidad que permite reducir notablemente las emisiones de CO y hidrocarburos no quemados así como el consumo de gasolina, alimentando al motor con mezclas sensiblemente pobres y sin problemas de conducción en carretera.

Para depresiones inferiores del orden de O, O1-0, 02 bar se alcanzan velocidades de aire próximas a 150 m/s en la zona de las dos gargantas de la tobera, suficiente para generar una buena nebulización de la gasolina. En el caso de una inyección convencional como se ha descrito al inicio de esta memoria la velocidad relativa es del orden de 28 m/s notablemente inferior al caso de esta invención.

La necesidad del atomizador (33), situado entre la salida del inyector y el conducto de admisión corriente abajo de la mariposa, viene justificada por la

conveniencia de que el chorro de gasolina procedente del

orificio (24 a) de la restricción (24) no toque las

paredes internas de la tobera para que no se decante en

ellas.

5

En un ejemplo de realización, para un ciclomotor de

50 ce 4 tiempos, nos llevan a establecer que el diámetro

del chorro de gasolina, asimilándolo al diámetro de la

restricción, deja libre una corona circular de paso por

1 O: la primera garganta de O, 2 mm de espesor, es decir de

diferencia de radios. Con una configuración del

atomizador como la descrita es posible fabricar sus dos

componentes con máquinas de mecanizado actuales de

grandes series, y por lo tanto con tolerancias normales

15: de fabricación y criterios económicos, asegurando una

suficiente concentricidad entre el chorro de gasolina y

las gargantas de la tobera y por lo tanto una buena

nebulización de la gasolina para cada sistema de

inyección diseñado y fabricado según la descripción de

20: esta invención.

Como se puede apreciar en las figuras 6 y 7, una vez

que la gasolina ha pasado por la restricción (24) se

descarga a alta velocidad en forma de chorro a una

25: cavidad cónica (16c) formada a la entrada de la tobera

(16) y por cuyas ranuras entra aire procedente de una

cavidad cilíndrica practicada en el cuerpo de mariposa

(11), que conforma la cámara de inyección (29) de pequeño

volumen que está a presión atmosférica o a una presión

30: ligeramente inferior y que recibe el aire por el conducto

(3CJ), cuya entrada (30a) se encuentra en la pared del

paso interno ( 11 a) del cuerpo de mariposa (11) entre la

entrada de aire (11b) y la mariposa (12) y que desemboca

en la cámara de inyección (29).

Es conocido el proceso de pulverización de gotas de

5: líquido en el seno de una corriente de gas. El diámetro

medio de las gotas resultantes de dicha pulverización es

menor cuanto mayor sea la velocidad relativa de las gotas

iniciales de líquido respecto al aire. El tiempo

necesario para ese proceso es proporcional al diámetro

1 O: inicial de las gotas e inversamente proporcional a la

velocidad relativa mencionada. Por otra parte el diámetro

de las gotas iniciales es una cierta fracción del

diámetro del chorro de gasolina, es decir, del diámetro

de la restricción, ya que proceden del fraccionamiento de

15: dicho chorro a una cierta frecuencia. Dado que el

diámetro de la restricción, y por lo tanto el de las

gotas iniciales, es relativamente grande como

consecuencia del criterio de bajo consumo eléctrico y

fácil fabricación de la restricción, es muy conveniente

20: aumentar el tiempo de tránsito de la gasolina en un campo

de altas velocidades de aire.

Una solución que esta patente aporta frente a este

planteamiento es la tobera de dos gargantas (16) de la

25: figura 4, comprende una entrada de tobera (16c) y una

salida de eyección (16b) por la que la gasolina se

inyecta a una zona situada entre la mariposa (12) y la

salida de mezcla (llc) del paso de aire interior (lla)

del cuerpo de mariposa. La entrada de tobera (16a) y la

30: salida de eyección (16b) están comunicadas por un paso

interior axial por el que pasa el chorro de gasolina y

que comprende un tramo troncocónico convergente (16c) al

que el chorro de gasolina entra desde la entrada de

tobera (16a) y que se estrecha hacia una primera garganta

(35): donde el paso interior axial tiene su sección transversal mínima. Esta garganta está dimensionada para bloquear su caudal de aire con el 50-70% del caudal de aire del ralentí. A continuación de esta garganta hay un aumento de sección en un tramo cilíndrico (36) que se estrecha según un tramo troncocónico ( 3 8) terminado en una segunda garganta (37). Un tramo troncocónico ó escalonado, divergente (16e) está dispuesto a continuación de la segunda garganta (37) que desemboca en la salida de eyección (16b) .

El tramo troncocónico convergente (16c) se estrecha en unos 10-15° en dirección a la primera garganta (35) .El tramo cilíndrico (36) siguiente tiene una sección 15-30% mayor que la primera garganta (35) . La segunda garganta

(37): tiene una sección un 5-10% mayor que la primera garganta (35). El tramo troncocónico divergente (16e) se ensancha en unos 2-5 o desde la garganta (16d) en dirección a la salida de eyección (16b) de la tobera

(16): El tramo divergente (16e) puede estar compuesto, tal como se ilustra en la realización mostrada en las figuras, por tramos escalonados de distintos diámetros con aristas interiores (16f) alineadas en un cono que sucesivamente conforman el mencionado ensanchamiento hacia la salida de eyección (16b) Dichos tramos escalonados permiten reutilizar para la pulverización gran parte de la gasolina decantada en la pared interna del tramo divergente de la tobera.

Otra alternativa que preconiza esta patente es inyectar la gasolina a la admisión a través de una tobera de una garganta según la figura 5. Insertada, como se ha

descrito anteriormente, en una cavidad (32) de la restricción del inyector para formar el atomizador, su configuración geométrica deriva de la tobera de dos gargantas eliminando el tramo central cilíndrico (36) y dimensionando la única garganta (35) resultante según los criterios descritos. El tramo divergente lo constituyen varias cavidades cilíndricas (161) escalonadas de forma que determinan unas aristas (16f) circulares, incluida la de la garganta, alineadas en un cono de ángulo 2-5°.

La tobera de una garganta es de más fácil fabricación que la de dos gargantas pero es conceptualmente menos eficiente. En La tobera de una garganta, si la depresión bajo mariposa es suficiente, se generan velocidades de aire supersónicas desde la garganta hasta la onda de choque en la zona divergente, a partir de la cual la velocidad es subsónica, siendo la distancia entre la garganta y la onda de choque mayor cuanto mayor sea la depresión. En la tobera de dos gargantas, para la misma depresión, la velocidad es supersónica desde la primera garganta hasta la segunda garganta donde se hace sónica y continua supersónica hasta la onda de choque. Es evidente que en el caso de la tobera de dos gargantas el tiempo de residencia de la gasolina en zonas supersónicas es mucho mayor que en el caso de tobera de una garganta. Según el proceso de pulverización de las gotas de líquido en el seno de una corriente de gas expuesto anteriormente, la dimensión media de las gotas será más pequeña con la tobera de dos gargantas. Para depresiones inferiores, del orden de 0,01 bar, el resultacto comparativo es sustancialmente igual pero con velocidades subsónicas y pulverización menor.

Además de este argumento, las pruebas de control de

emisiones EURO 2, sobre un ciclomotor de 50 ce 4 tiempos y con diversas configuraciones de toberas, mostraron unas

emisiones: de CO 20-30% y consumo 4-8% mayores con la

tobera: de una garganta que con la de dos gargantas,

operando: con mezclas notablemente mas pobres que la

estequiométrica: y sin irregularidad de funcionamiento,

diferencias que pueden atribuirse a mayores variaciones de riqueza ciclo a ciclo con la tobera de una garganta.

RESUMEN DE CARACTERISTICAS DE ESTE SISTEMA DE INYECCION

A continuación se exponen las características de este sistema de inyección en confrontación con la inyección clásica descrita al inicio de esta memoria:

-: Menor coste del sistema de inyección por no necesitar inversiones en procesos productivos de alta tecnología como máquinas rectificadoras de precisión para la fabricación del inyector ó electroerosión en serie para su restricción.

-: Menor coste de la bomba de gasolina por operar a baja presión y por tanto sus piezas pueden fabricarse con plásticos inyectados y adaptados a su función, pudiendo ser de turbina, engranajes ó paletas centrífugas.

Menor coste de regulador de presión por ser de configuración lineal constituido por un obturador cónico que cierra sobre la arista viva de un orificio por la acción de un muelle, siendo la presión de regulación la determinada por la fuerza del muelle sobre el área del

orificio.

Sin coste sustituir el tanto en el necesidad de eléctrico.

de adaptación del vehiculo ó carburador por este sistema de aspecto de modificaciones otros componentes ó potenciar

motor por

inyección mecánicas, el sistema

-: Cualidades anticontaminantes excepcionales compatibles 10 con un comportamiento en carretera y prestaciones satisfactorias.

15

Claims

REIVINDICACIONES

l.--Dispositivo de inyección electrónica para pequeños motores de gasolina, que comprende:

un inyector (9) para cerrar ó abrir el flujo de gasolina inyectada,

una restricción (24) insertada coaxialmente a la salida clel inyector y que dispone de un orificio (24a) para controlar por pérdida de carga el caudal de gasolina inyectada cuando el inyector está abierto,

una tobera sónica (16) de dos gargantas (35,37) acoplada axialmente con la restricción (24), donde dicha tobera comprende un tramo convergente de entrada (16c) que se estrecha hacia una primera garganta (35) donde el paso interior axial de la tobera tiene su sección transversal mínima, un tramo cilíndrico (36) a continuación de dicha primera garganta con un ligero aumento de sección que continua con una zona convergente hasta un estrechamiento en una segunda garganta (37), y un tramo divergente de

. . ' '

salida (16e) a cont 1nuac1on ae dicha segunda garganta que puede ser troncocónico ó escalonada,

y al menos una entrada de aire (34) en dicha tobera

(16) dispuesta entre el orificio (24a) de la restricción y el tramo convergente de entrada (16c) de la tobera.
2.-Dispositivo de inyección electrónica para pequeños motores de gasolina, que comprende:

un inyector (9) para cerrar ó abrir el flujo de

gasolina inyectada,

5

una restricción (24) insertada coaxialmente a la salida del inyector y que dispone de un orificio (24a) para controlar por pérdida de carga el caudal de gasolina inyectada cuando el inyector está abierto,

1O 15

una tobera sónica (16) de una garganta (35) acoplada axialmente con la restricción (24), donde dicha tobera comprende un tramo convergente de entrada (16c) que se estrecha hacia una g-arganta (35) donde el paso interior axial de la tobera tiene su sección transversal minima, y un tramo divergente de salida (16e) a continuación de dicha garganta, con perfil escalonado,

20 25

y al menos una entrada de aire (34) en dicha tobera (16) dispuesta entre el orificio (24a) de la restricción y el tramo convergente de entrada (16c) de la tobera. 3.-Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2 , caracterizado porque comprende además un cuerpo de mariposa (11) el cual dispone internamente de un canal de paso de aire (11a) con una boca de entrada de aire (llb) y una boca de salida de mezcla (11c),

30

una válvula de mariposa (12) alo jada en dicho canal ( 11 a) , y donde el inyector, la restricción y la tobera sónica están montados en dicho cuerpo de mariposa (11) y dicha tobera sónica estét dispuesta para erog-ar mezcla de aire y gasolina dentro del canal (11a) corriente debajo de la válvula de mariposa (12).
4.-Dispositivo según la reivindicación

caracterizado por que dispone de al menos un conducto de entrada de aire (30) formado dentro del cuerpo de mariposa

(11) y dispuesto de forma paralela al eje longitudinal del cuerpo de la válvula (11), disponiendo dicho conducto (30) de una entrada de aire (3CJa) situada aguas arriba de la válvula (12), y disponiendo dicho conducto (30) ele una salida que desemboca en una cámara de inyección (29) que suministra aire a la tobera a través de las ranuras (34).

,-

,).-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el tramo convergente de entrada (16c) a la tobera (16) es troncocónico y se estrecha en unos 10-15° en dirección a la primera garganta (35), estando dicha primera garganta dimensionada para bloquearse con cerca del 70 % del caudal de aire al ralentí.
6.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1, 3, 4 y 5 caracterizado porque el tramo cilíndrico (36) siguiente tiene una sección 15-30% mayor que la primera garganta (35), y la segunda garganta

(37) tiene una sección un 5-10% mayor que la primera garganta (35).
7.-Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1f 3, 4, 5 y 6 caracterizado porque el tramo troncocónico divergente (16e) se ensancha en unos 2-5° desde la segunda garganta (37) en dirección a la salida de la tobera (16b).
8.-Dispositi,,ro según cualquiera de las

reivindicaciones 1, 3, 4, 5 y 6 caracterizado porque el

tramo divergente (16e) es escalonado formando aristas circulares internas (16f) , y se ensancha de manera que sus aristas circulares internas (16f) están alineadas en un cono de unos 2-5 o desde la segunda garganta (37) en

5 dirección a la salida de la tobera (16b)
9.-Dispositivo según cualquiera de las

') Ll

reivindicaciones 2, J, ., y 5 caracterizado porque el tramo divergente (16e) es escalonado formando aristas

10 circulares internas (16f) y se ensancha de manera que sus aristas circulares internas (16f) están alineadas en un cono de unos 2-5° desde la garganta (35) en dirección a la salida de la tobera (16b)

15 1O.-Dispositivo ele inyección según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el inyector (9) comprende un obturador ferromagnético (17) en forma de pistón axialmente desplazable en una cavidad axial interior (18b) de una camisa (18) entre una posición

20 de cierre y una posición de apertura de un orificio de paso (18d) de gasolina, y con un primer extremo provisto de una cavidad cilíndrica (1 7a) en la que va montada a interferencia una esfera metálica como elemento obturador

(19) que, en dicha posición de cierre, obtura el orificio

2 5 de paso (18d) , conformado por impacto, y un segundo extremo que en dicha posición de apertura contacta con un elemento de tope (25); un muelle (20) que fuerza el elemento obturador (19) hacia dicha posición de cierre con una fuerza de presión;

30 un solenoide (21) generador de un circuito magnético cuya parte móvil es el obturador ferromagnético (17) y con una bobina de inducción que rodea al menos una parte de la camisa y dispuesta de tal forma que, cuando el solenoide

(21)

se activa mediante una sefial eléctrica proveniente de una centralita electrónica (15) provoca que el obturador

(

18) para la entrada de gasolina, y que desembocan en la zona de obturación de la esfera.

ferromagnético

se desplace hacia clicha posición de

apertura

en contra de la fu_erza de presión del muelle

(20),

unos

orificios radiales (23) practicados en la camisa
11. Dispositivo de inyección, según la reivindicación 10, caracterizado porque el elemento de

tope del obturador (19) en la posición de apertura es una pieza cilíndrica (25) roscada, que forma parte del circuito magnético, que permite regular la carrera del obturador quedando bloqueada por la acción de las juntas tóricas (26);

y porque el inyector ademéts comprende una segunda pieza cilíndrica (27) roscada en el interior del elemento de tope (25) configurada para regular la tensión del muelle (20) quedando bloqueada por la acción de las juntas

(26'), siendo accesible dicha pieza (27) desde el exterior del inyector a través de una abertura exterior (28) para realizar ambas regulaciones.
12.-Sistema de inyección electrónica para motores de gasolina que comprende:

una bomba de gasolina (10) de baja presión,

un canal de un paso de aire (11a) que comunica una toma de aire (3, 5) con una admisión (7) de mezcla gasolina/aire ele un motor de combustión ( 6) ,

una válvula de mariposa (12) dispuesta en dicho canal de paso de aire (11a),

caracterizado porque incorpora un dispositivo como el definido en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, dispuesto de manera que la tobera eroga la mezcla gasolina/aire en dicho canal de paso de aire aguas abajo de la válvula de mariposa.
13.-Sistema de inyección según la reivindicación 12 caracterizaclo porque la bomba de gasolina es ele lJaja presión y está situada en la zona inferior de depósito de gasolina y que por medio de un tubo está conectada con la entrada (11e) del cuerpo de mariposa (11) y comunicada con la cavidad que aloja al inyector ( 9) en la zona de sus orificios de entrada ( 2 3) , estando comunicada dicha cavidad, y en su zona superior, con el orificio de entrada al regulador (13) de presión a través del cual retorna la gasolina no inyectada al depósito de gasolina por medio de un tubo.
14.-Sistema de inyección según cualquiera de las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque dispone de un regulador (13) de presión de gasolina montado en el cuerpo de la válvula, y porque dicho reg-ulador comprende una cavidad cilindrica que contiene un obturador (39) indeformable cónico en su extremo, dispuesto para cerrar contra un orificio (40) circular coaxial por la acción de un muelle (44) de compresión también coaxial con el obturador.