ES2399968T3 - Aparato para el funcionamiento de motores - Google Patents

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Abstract

Un dispositivo combinado de inyección de combustible y de encendido por chispa (40) adaptado para ser recibidoen una abertura a una cámara de combustión de un motor de pistones de combustión interna para la inyección decombustible en dicha cámara, en donde dicho dis positivo comprende un conducto de paso a través del cual puedepasar el combustible para entrar en dicha cámara, dicho conducto de paso incluye unos elementos de válvula deresorte de solenoide accionada electromagnéticamente (48) para controlar el flujo de combustible a su través y quetermina en una boquilla eléctricamente conductora (70) asociada a una válvula de resorte elástica que comprendeun elemento móvil (88) conformado para suministrar el combustible inyectado a la cámara de combustión y dichodispositivo incluye además unos puntos de chispa (82, 84), entre los cuales puede desarrollarse un plasma dechispa, para efectuar un encendido por chispa de dicho combustible sustancialmente en el lugar de su inyección endicha cámara, en donde uno de los puntos de chispa (82) comprende parte del elemento móvil (88).

Description

Aparato para el funcionamiento de motores
Esta invención se refiere al funcionamiento mejorado de motores de combustión interna y a vehículos accionados por tales motores.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Hay aproximadamente un vehículo de motor por cada once personas en la Tierra. Más de 400 millones de coches y camiones funcionan en todo el mundo. Los motores de carga homogénea accionan la amplia mayoría de los vehículos de motor. En estos motores se intenta desarrollar una mezcla homogénea de aire y vapor combustible mediante la inyección de combustible o carburación en un colector de admisión para su suministro a las cámaras de combustión del motor. Los motores de carga homogénea presentan numerosos problemas entre los que cabe incluir:
1.
Los hidrocarburos no quemados y las emisiones de monóxido de carbono de los motores de carga homogénea son inaceptables. Estas emisiones son causadas por un quemado incontrolado y el enfriamiento de los procesos de combustión de la carga homogénea cerca de las paredes de la cámara de combustión. Todas las ciudades principales están contaminadas por los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados de los motores de carga homogénea.
2.
Otra causa de los hidrocarburos no quemados y del monóxido de carbono de los motores de carga homogénea es el funcionamiento con unas relaciones de aire y combustible insuficientes para completar los procesos de combustión a las velocidades relativamente altas del pistón de los coches modernos.Es una práctica extendida hacer que el motor funcione a unas relaciones de aire-combustible que permitan la mejor producción de potencia a pesar del hecho de que el funcionamiento bajo unas condiciones con un exceso de aire producirán menos hidrocarburos no quemados y menos emisiones de monóxido de carbono.
3.
Las emisiones de óxido de nitrógeno de los motores de carga homogénea son inaceptables. El aumento de la relación de aire- combustible como en las operaciones de “mezcla pobre" de carga homogénea aumenta la producción de óxidos de nitrógeno hasta el punto de alcanzar una relación de aire en exceso-combustible difícil de encender.
4.
Se necesitan varios procesos catalíticos y un suministro de aire auxiliar para limpiar las corrientes de escape de los motores de carga homogénea. Los coches modernos que funcionan a unas relaciones de aire-combustible optimizadas para facilitar la conducción y reducir al mínimo los óxidos de nitrógeno requieren la adición de aire a la corriente de escape para la combustión catalítica de los hidrocarburos no quemados y del monóxido de carbono.
5.
Se produce un gran desperdicio de energía ya que un gran porcentaje del combustible presente en una carga homogénea se quema cerca de las superficies de la cámara de combustión. El calor se pierde por la transferencia a la culata, a las válvulas, al cilindro, al pistón y a los anillos sin realizar ningún trabajo útil.
6.
Los motores de carga homogénea deben tener una relación de compresión limitada a unos valores que eviten el encendido por detonación y daños en el pistón. El encendido positivo se consigue mediante bujías.
La tecnología que ha sido aceptada para mejorar el rendimiento térmico de los motores de combustión interna incluye el venerado motor diesel que se basa en la inyección directa de combustible en la cámara de combustión. Esta tecnología se caracteriza por la compresión del aire para producir unas temperaturas suficientemente altas como para evaporar, craquear químicamente y prender el combustible pulverizado en el aire comprimido. Dicha tecnología necesita de combustibles con unas características específicas capaces de facilitar un "encendido por compresión". Los combustibles adecuados para los motores de encendido por compresión tienen un alto índice de "cetano". Los motores de encendido por compresión, de inyección directa, normalmente obtienen más o menos el doble de kilómetros por unidades térmicas británicas (BTU) de combustible que los motores de carga homogénea en ciclos prácticos de trabajo dadas las ventajas de la carga estratificada de una combustión más completa y unas pérdidas de calor reducidas de los productos de la combustión en los componentes del motor.
Un problema sustancial de los motores de encendido por compresión es el peso del motor que se deriva de la necesidad de un desplazamiento dos veces mayor que en los motores encendidos por chispa con iguales índices de potencia. Durante el funcionamiento, esto se traduce en la necesidad de instalar un cigüeñal más grande, un volante más grande, un bloque del motor mayor, cojinetes más grandes, motores de arranque más grandes, baterías de mayor potencia, neumáticos más grandes, resortes más pesados, amortiguadores mayores, y una necesidad mucho mayor de recursos de aleación fundamentales tales como molibdeno, cromo, vanadio, cobre, níquel, estaño, plomo, antimonio y la cantidad de energía de fabricación para extraer, refinar, colar, tratar con calor y mecanizar motores diesel en lugar de motores encendidos por chispa. Otra dificultad, si no una serie de problemas inaceptables incluyen:
1.
Los motores diesel son conocidos por lanzar grandes nubes de humo negro durante los ciclos de trabajo de parada y arranque. Las emisiones de los autobuses y de los camiones de humo negro de olor nauseabundo a combustible quemado en el tráfico de las ciudades son inaceptables a la vista de los últimos esfuerzos en prácticamente todas las ciudades del mundo de acabar con la contaminación atmosférica resultante de las emisiones de los vehículos a motor.
2.
Los motores diesel son extremadamente difíciles de convertir en combustibles oxigenados (CH3OH, C2H5OH, etc.) u otros combustibles de combustión limpia (tales como gas natural e hidrógeno) dado que dichos combustibles preferentes tienen un alto octanaje y un bajo nivel de cetano. Los motores diesel necesitan un combustible piloto con un alto nivel de cetano (combustible diesel) para encender por inyector de encendido los combustibles de combustión limpia que son “fumigados” en la cámara de combustión junto con el suministro de aire durante las operaciones del ciclo de admisión.
3.
La fumigación de combustibles en la cámara de combustión junto con aire durante el ciclo de admisión reduce la potencia del motor dado que el combustible fumigado utiliza parte de la capacidad aerobia y reduce el rendimiento volumétrico efectivo del motor convertido.
4.
Los motores de encendido por compresión son difíciles de arrancar en clima frío. El aire frío y los componentes fríos del motor roban el calor de la compresión antes de que se alcancen las temperaturas que harán que el combustible se evapore, se craquee químicamente y se encienda. Para superar las dificultades de arranque de los motores de encendido por compresión en climas fríos, se utilizan caros subsistemas como motores de arranque por encendido por chispa, bujías de incandescencia, calefactores eléctricos del bloque del motor y dispensadores de combustible al motor de arranque. Normalmente los propietarios de los vehículos con motores de encendido por compresión optan por dejar el motor funcionando día y noche durante las estaciones frías, sean cuales sean los gastos incurridos en combustible, en lugar de sufrir el engorro de intentar arrancar un motor diesel en un clima frío.
5.
Los motores de encendido por compresión funcionan mejor en un estrecho margen de par-velocidad. Esto se debe a la característica denominada retardo del encendido diesel y a la necesidad de ajustar la cantidad de combustible introducida y sincronizar la introducción del combustible respecto a la velocidad del pistón para evitar una subida innecesaria, cuando no nociva, de la presión durante el ciclo de compresión y evitar un desperdicio de energía y humo como resultado de un quemado tardío durante el ciclo de encendido.
6.
Los motores de encendido por compresión necesitan el uso de combustibles con un alto nivel de cetano con relaciones másicas de carbono-hidrógeno de 7 aproximadamente.
7.
Dichos combustibles y sus productos de combustión tienen grandes pérdidas de energía radiante en las paredes de la cámara de combustión durante los procesos de quemado. El rendimiento térmico se mejoraría enormemente utilizando combustibles de quemado más limpio con unas relaciones másicas de carbono-hidrógeno más bajas y unas pérdidas de energía radiante mucho menores, pero dichos combustibles no pueden encenderse por comprensión en los motores convencionales.
8.
Las pérdidas por fricción son mayores en los motores diesel que tienen carreras más largas, una mayor compresión y una mayor área de contacto que los motores encendidos por chispa con el mismo índice de potencia además de robar potencia potencial lo que requiere una mayor inversión en aleaciones caras, carburación y temple, tratamiento térmico y consideraciones de diseño para reducir el desgate que las requeridas en los motores de encendido por chipa.
La tecnología para combinar las ventajas del encendido por chispa y el quemado por carga estratificada ha quedado demostrada en las Patentes Estadounidenses 3.173.409; 3.830.204; 3.094.974; 3.316.650; 3.632.142; 4.003.343; 4.046.522; 4.086.877; 4.086.878; 4.716.859; 4.722.303; 4.967.409; y las referencias aquí citadas en las que se presentan métodos y aparato para la producción o introducción de combustible directamente en la cámara de combustión para formar una mezcla de carga estratificada de combustible encendible por chispa y encendido de dichas cargas estratificadas mediante una fuente de chispas. Otras referencias publicadas incluyen “Fuel Injection and Positive Ignition - A Basis For Improved Efficiency and Economy, Burning a Wide Range of Fuels in Diesel Engine” de Davis, C.W.; Barber, E.M.; y Mitchel, Edward, SAE Propress in Technology Review Vol. II: Sociedad de Ingenieros Automotrices, Nueva York, NY 10017,1967, págs. 343-357; “Deutz Converts Operation By Adding High-Tension Ignition System” de Fin-sterwalder, Gerhard, Automotive Engineering, Dic. 1971, págs. 28-32. Actas de la Conferencia del Instituto de Ingenieros Mecánicos, Fuel Economy and Emissions of Lean Burn Engines, 1 Mech E Conference Publications; Mechanical Engineering Publications, Ltd., Londres, 1979; Actas de la Conferencia de Ingenieros Mecánicos, Stratified Charge Engines, 1 Mechanical Engineering Conference Publications 1976; Mechanical Engineering Publications, Ltd., Londres, 1977; “An Update of the Direct Injected Stratified Charge Rotary Combustion Engine Developments at Curtiss-Wright” de Jones, Charles; Lamping, H.D.; Myers, D.M.; y Lloyd, R.W., Congreso y Exposición Internacional de Ingeniería Automotriz de la SAE. Nº. de documento de la SAE 770044. Feb. 1977; Sociedad de Ingenieros Automotrices, Nueva York, NY, 1977; “An Update of Applicable Automotive Engine Rotary Stratified Charge Developments” de Jones, Charles, SAE Technical Paper Series No. 820347; Sociedad de Ingenieros Automotrices, Warrendale, PA, 1982; “Multi-Fuel Rotary Engine for General to Aviation Aircraft” de Jones, Charles; Ellis, David; y Meng, P.R., NASA Technical Memorandum 83429. AIAA-u3-1340; Agencia Estadounidense del Espacio y la Aeronáutica (NASA), Washington, D.C., Junio, 1983. Tales técnicas anteriores proponen el uso de menores relaciones de compresión que las requeridas por los motores de encendido por compresión y se deduce que se conseguirá reducir el peso de los motores junto con un margen mucho más amplio de funcionamiento respecto a los requisitos de velocidad del pistón y de par. Los problemas comunes que tales sistemas presentan incluyen:
1.
El combustible debe ser mezclado con aire y suministrado en proporciones capaces de ser encendidas por chispa en el espacio de una fuente de chispas en el momento exacto necesario para iniciar la combustión. Esto es difícil por los distintos grados de desviación del combustible como resultado de unas velocidades enormemente variables de la entrada de aire y de la turbulencia en la cámara de combustión conforme las velocidades del pistón pasan de una velocidad de ralentí a una de plena potencia.
2.
El combustible dirigido hacia la fuente de chispas desde el inyector de combustible para producir una mezcla adecuada de aire y combustible para el encendido por chispa, inevitablemente llega a las áreas de robo de calor de la cámara de combustión alrededor de la fuente de chispas. Esto resulta en un proceso de combustión en el que se produce un enfriamiento y pérdidas de calor a través de los componentes de la cámara de combustión.
3.
Las fuentes de chispas, tales como las bujías, son propensas a fallar como consecuencia de una oxidación y de un calentamiento excesivo debido al lugar donde se encuentran ubicadas como resultado de los esfuerzos de colocar el espacio de chispa lo más alejado posible de la zona de combustión de la cámara de combustión.
4.
Las fuentes de chispas también son propensas a cubrirse de hollín durante porciones del ciclo de trabajo y, posteriormente, no suministrar la energía de plasma adecuada para asegurar el encendido.
5.
Emisiones sumamente variables como de hidrocarburos, monóxido de carbono y hollín a ciertas velocidades y cargas junto con una cantidad excesiva de óxidos de nitrógeno a otras velocidades caracterizan el funcionamiento con combustibles relativamente inertes a porciones esenciales del ciclo de trabajo de parada y arranque durante la conducción por la ciudad tales como una aceleración a baja velocidad, condiciones transitorias y plena potencia.
6.
Los esfuerzos por solucionar los problemas resultantes de unas relaciones de aire-combustible no deseadas en la fuente de chispas durante porciones importantes del ciclo de trabajo han resultado en prácticas en las que se sacrifica el rendimiento de la estrangulación del aire. (Véase “Exhaust Emission Control By the Ford Programmed Combustion Process: PROCO” de Simko, A.; Choma, M.A.; y Repko, L.L.; Nº. de documento de la SAE 720052, Sociedad de Ingenieros Automotrices, Nueva York, NY).
Otro aspecto del problema con tales esfuerzos de técnicas anteriores ha sido la característica de necesitar sistemas complicados, caros y altamente ajustados, adaptados a las propiedades específicas de los combustibles para ofrecer la facilidad de conducción del vehículo y alcanzar unas emisiones de combustión incompletas y óxidos de nitrógeno aceptables para los procesos de limpieza catalíticos de la corriente de escape.
La reformación con vapor y la oxidación parcial de los hidrocarburos son métodos bien conocidos para la producción de hidrógeno. La reformación catalítica con vapor de los hidrocarburos ligeros incluidos el gas natural, los líquidos del alquitrán de hulla, y los líquidos del petróleo son el método menos caro disponible hoy en día para la producción de hidrógeno. El uso de hidrógeno como combustible en motores térmicos ofrece una serie de características atractivas, sobre todo las que incluyen altos rendimientos térmicos y prácticamente ninguna emisión contaminante.
Los esfuerzos para ofrecer una tecnología capaz de reducir el problema de una combustión incompleta y de mejorar el rendimiento térmico con hidrógeno de quemado limpio se incluyen en las publicaciones siguientes. Véanse las Patentes Estadounidenses 4.253.428; 4.362.137; 4.181.100; 4.503.813; 4.515.135; 4.441.469; “Partial Hydrogen Injection Into Internal Combustion Engines Effect On Emissions and Fuel Economy"; de Breshears, R.; Cotrill, H.; y Rupe, J.; Jet Propulsion Laboratories e Instituto de Tecnología de California, Pasadena, CA, 1974; “Dissociated Methanol As A Consumable Hydride for Automobiles and Gas Turbines”, de Finegold, Joseph G., McKinnon, J. Thomas, y Karpuk, Michael E., 17 de junio,1982, Hydrogen Energy Progress IV, págs. 1359-1369; “Hydrogen Production From Water By Means of Chemical Cycles”, de Glandt, Eduardo D., y Myers, Allan L, Departamento de Ingeniería Química y Bioquímica, Universidad de Pennsylvania, Filadelfia, PA 19174; Industrial Engineering Chemical Process Development, Vol. 15, Nº. 1, 1976; “Hydrogen As A Future Fuel”, de Gregory, D.P., Instituto de Tecnología del Gas; “On-Board Hydrogen Generator For A Partial Hydrogen Injection I.C. Engine”, de Houseman, John, y Cerini, D.J., Nº de documento de la SAE 740600, Sociedad de Ingenieros Automotrices; Nueva York, NY; “On-Board Steam Reforming of Methanol To Fuel The Automotive Hydrogen Engine”, de Kester, F.L., Konopta, A.J., y Camara, E. H., Registro de la I.E.C.E.C. 1975, págs., 1176-1183; “Parallel Induction: A Simple Fuel Control Method For Hydrogen Engines”, de Lynch, F.E., Hydrogen Energy Progress IV, 17 de junio 17,1982, págs. 1033-1051; “Electronic Fuel Injection Techniques For Hydrogen-Powered 1.C. Engines”, de MacCarley, CA, y Van Vorst, W.D., International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 5, Nº 2, Mar, 31, 1980, págs. 179-205.
Han quedado demostradas una serie de ventajas definitivas añadiendo hidrógeno a los combustibles de hidrocarburos en los motores encendidos por chispa y los motores encendidos por compresión. La combustión es más completa y las pérdidas de radiación disminuyen reduciendo la relación másica de carbono-hidrógeno. Entre los problemas difíciles y notables cabe incluir una baja densidad de almacenamiento de combustible, deflagración de escape en el sistema de admisión, una capacidad aerobia reducida ya que el hidrógeno contiene mucha menos energía por unidad volumétrica que la gasolina y otros vapores de hidrocarburos, menores índices de potencia del motor y un mayor peligro de incendio en el cofre y en las áreas de almacenamiento de hidrógeno.
Además de accionar los vehículos de transporte, los motores de combustión interna accionan otros muchos dispositivos estancos. El aumento de las tarifas eléctricas y las urgentes necesidades de mejorar la calidad del aire en zonas densamente pobladas ofrecen una oportunidad importante para los generadores eléctricos accionados por motores de combustión interna y los sistemas de aire acondicionado. Los sistemas de transmisión de los motores de energía total, cogeneración y grifos de agua caliente normalmente conllevan el uso in situ del calor rechazado por un motor junto con la energía del eje para reducir el consumo de energía total y la carga contaminante del entorno de un 40% a un 75%. Tales sistemas normalmente consisten en un motor de combustión interna, intercambiadores de recuperación del calor residual para establecer de forma segura una interfaz entre el agua potable y el agua de la camisa de refrigeración y los gases de escape, y una carga accionada tal como un generador eléctrico o un compresor de una bomba de calor. Los problemas con tales sistemas incluyen un bajo rendimiento térmico del motor de combustión interna, una recuperación del calor inadecuada de los intercambiadores de calor y una duración inadecuada de los motores. Corolarios del último problema mencionado son unos requisitos de mantenimiento inaceptables y mayores gastos en reparaciones.
En la DE3443022 se presenta, para evitar el picado con una utilización máxima de combustible, un sistema de encendido por transistor que incluye al menos una bujía con un sensor de presión para detectar los picos de presión en el cilindro del motor asociado. El sensor de presión actúa en un dispositivo controlado electrónicamente que determina el momento de encendido de la bujía.
RESUMEN DE LA INVENCIÓN
Por todo lo anterior, en un aspecto de la presente invención se presenta un dispositivo combinado de encendido por combustible y encendido por chispa adaptado para entrar en una abertura a una cámara de combustión de un cilindro de un motor de pistones de combustión interna para la inyección de combustible en dicha cámara, en donde dicho dispositivo incluye un conducto de paso a través del cual puede pasar el combustible para entrar en dicha cámara, y dicho conducto de paso incluye una válvula para controlar el flujo de combustible a su través y termina en una boquilla eléctricamente conductora asociada a unos elementos conformados de modo que proporcionen el combustible a modo de capa coniforme dirigida a lo largo de la trayectoria más larga posible antes de intersectar una superficie de la cámara de combustión y dicho dispositivo incluye además un elemento para efectuar un encendido por chispa de dicho combustible en sustancialmente el lugar de su inyección en dicha cámara.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La Figura 1 es una ilustración esquemática en la que se muestran los procesos termodinámicos de la invención.
La Figura 2 es una vista en sección longitudinal de un dispositivo construido conforme a los principios de la presente invención para inyectar directamente y encender el combustible en la cámara de combustión de un motor.
La Figura 3 es una vista del extremo del dispositivo de la Figura 2 en la que se muestra la ubicación de los electrodos de encendido.
La Figura 4 es un esquema de conexiones de la invención en la que se muestra una vista en sección de una cámara de combustión representativa, un sistema de refrigeración, un sistema de escape, un sistema de almacenamiento de combustible, de presurización de combustible, un sistema de refrigeración, intercambiadores de recuperación del calor residual, un intercambiador de recuperación del calor de escape, y un sistema de suministro del combustiblemotor a la cámara de combustión.
La Figura 5 es una vista en perspectiva de un aparato de recuperación del calor de escape utilizado para accionar las reacciones endotérmicas entre el combustible y un donante de oxígeno.
La Figura 6 es una vista esquemática de los detalles de una técnica de fabricación utilizada de una aleta del tubo de un intercambiador de calor preferente.
La Figura 7 es una vista esquemática de una realización de un aparato para recuperar la energía y el agua de desecho de la corriente de escape de un motor de combustión interna construido según los principios de la presente invención.
La Figura 8 muestra una vista esquemática de otra realización de un aparato para la recuperación de energía y de agua de desecho de la corriente de escape de un motor de combustión interna.
La Figura 9 muestra una vista en sección longitudinal de un dispositivo construido conforme a los principios de la presente invención para instrumentar los procesos del motor incluidos los de inyección y encendido del combustible en la cámara de combustión de un motor de combustión.
La Figura 10 muestra una vista esquemática de un motor de combustión junto con unos sistemas de control para la producción de potencia, recuperación de energía, dirección asistida y operaciones relacionadas para la producción de hidrógeno mediante la electrolización de agua y otras materias primas hidrogenadas utilizando una cualquiera de entre una variedad de fuentes eléctricas y utilizando el hidrógeno como un combustible de carga estratificada.
DESCRIPCIÓN DE LAS REALIZACIONES PREFERENTES
El calor residual (normalmente rechazado a través de los sistemas de refrigeración, escape y frenado) se utiliza para suministrar la energía térmica endotérmica requerida para activar reacciones entre un combustible primario y materias primas donantes de oxígeno tales como aire, agua o alcoholes para producir un combustible preferente denominado "combustible-motor”. Esto permite una entrada de calor al motor de un 20% a un 40% mayor tras la combustión del combustible-motor (y, por tanto, una gama de vehículos de un 20% a un 40% mayor) que la que podría ser proporcionada por los motores convencionales que queman directamente las mismas cantidades de gas natural, gasolina o materias primas de alcohol combustible. Este proceso se ilustra en las Figuras 1, 4, 7, 8 y 10. En la Figura 1, la transferencia térmica 10 se ilustra esquemáticamente a modo de vectores de energía que se entrecruzan. La anchura de cada vector de energía (flecha) normalmente representa la magnitud de energía que es representada a modo de energía térmica, mecánica o química potencial. La energía química potencial del combustible entrante y de cualquier otra materia prima química a utilizar en el motor se muestra con la flecha 12. El calor de sistema de refrigeración se muestra con la flecha 14 cuya magnitud es reducida tal y como se muestra con la flecha 18 como resultado de la transferencia de calor al combustible entrante en 16. La energía del combustible entrante calentado aumenta por la transferencia de calor tal y como se muestra con la flecha 20. El calor de los gases de escape es transferido al combustible 20 en 24 tal y como se muestra para reducir la energía de los gases de escape de 22 a 26 y aumentar la energía del combustible a 28 mediante aumentos de temperatura y la creación de hidrógeno y de monóxido de carbono tal y como se muestra en las Tablas 1 y 2. El combustible-motor 28 se quema en el motor para producir una fuerza motriz 30 y fuentes de suministro de calor residual 14 y 22.
Las temperaturas representativas de los procesos mostrados en la Figura 1 son de 21 °C (70 °F) en 12; 93 °C (200 °F) en 20; 260 °C (500 °F) en 28; 409 °C (800 °F) en 22; 107 °C (225 °F) en 26; 115 °C (240 °F) en 14; 38 °C (100 °F) en 18. Estas temperaturas varían dependiendo de la relación de compresión y el modo de funcionamiento del motor involucrados en la solicitud.
Lo preferente es crear un intercambio de calor entre el combustible-motor caliente en 28 y el combustible precalentado 20 en casos en los que motores de gran tamaño utilizan cantidades considerables de combustible. Según sea el grado de transferencia térmica deseado, esto reduce la temperatura del combustible-motor a algo cercano a la temperatura del sistema de refrigeración del motor y permite una fabricación de los componentes de suministro de combustible a un coste mucho menor ya que se reducen los factores de degradación térmica.
Altas velocidades de la llama, amplios límites inflamables, altos rendimientos térmicos, eliminación de partículas, emisiones extremadamente bajas de monóxido de carbono y de hidrocarburos no quemados caracterizan los resultados de la combustión de los combustibles-motor de las disposiciones aquí descritas con la invención.
Las ventajas básicas se obtienen preferentemente mediante el uso de un dispositivo combinado de inyección de combustible y encendido por chispa 40 como el mostrado en las Figuras 2 y 9 para introducir directamente el combustible-motor en las cámaras de combustión de los motores de combustión interna. La realización 40 incluye la misma rosca y alcance 86 que las bujías para el motor que se presentan en la invención. En los casos en los que la invención es aplicada a motores diesel, el diseño de 86 duplica la configuración del inyector de combustible convencional en la zona que proporciona una junta de estanqueidad en la cámara de combustión.
Tal y como se muestra en la Figura 2, el combustible-motor a presión entra en la realización 40 en 38 a través del hueco filtrante 42 y se evita que entre en la cámara de combustión a modo de combustible rociado 80 hasta el momento justo anterior al que se necesita aumentar la presión para el ciclo de potencia en la cámara de combustión. En el momento correcto se deja que el combustible pase por una válvula de resorte de solenoide 48 que es accionada hasta entrar en contacto contra un resorte de compresión 36 por la fuerza electromagnética resultante del flujo de corriente eléctrica directa en el devanado 46. La válvula 48 se mueve preferentemente en sentido contrario a la dirección del combustible entrante que fluye a través de los orificios 47, tal y como se muestra. La tensión para llevar corriente a través de la bobina 46 se suministra a través de la conexión 52. La bobina 46 se puede conectar a tierra a través de un cuerpo conductor 43 o ser devuelta mediante una conexión adecuada (no mostrada) tal como en 52. La alta tensión para el encendido es proporcionada por un cable de la bujía y un borne 68 en el hueco de alta tensión 66. La conexión 68 envía la alta tensión al conjunto de la boquilla conductora 70. La alta tensión es portada por un resorte de compresión 74 a la barra conductora 92 a los puntos 82. A través de la separación entre 82 y 84 se genera plasma de chispa conforme el combustible 80 es pulverizado al aire presente en el espacio mostrado para el encendido del combustible. En la Figura 3 se muestra la vista del extremo del espacio entre electrodos y de los puntos de chispa 82 y 84.
El combustible fluye pasando por un elemento de medición 54 hasta un tubo dieléctrico 60 cuando la válvula de resorte 48, junto con una junta de estanqueidad adecuada 58 se levanta de la junta de estanqueidad del orificio 56. La junta de estanqueidad 58 puede ser una bola pulida hecha de un carburo, tal como carburo de tungsteno, o de cerámica, tal como zafiro, para aplicaciones de duración extremadamente larga o un elastómero fluoropolimérico para aplicaciones en motores más pequeños tales como los de las cortadoras de césped. El tubo 60 se puede escalar con cualquier elemento adecuado, incluidas las juntas tóricas 62 para evitar fugas del combustible-motor. El elemento 78 sella el dieléctrico 64 al aislador 72. El combustible es suministrado desde el tubo 60 hasta la boquilla eléctricamente conductora 70. Un resorte de compresión 74 actúa contra la barra conductora de entrada 92 que hay acoplada al conjunto de la válvula de resorte de la válvula de retención 88 para mantener al 88 cerrado excepto cuando el combustible fluye pasando por un orificio temporal entre 88 y el 90.
El conjunto de la válvula de resorte de la válvula de retención 88 normalmente se encuentra en reposo en contacto con el asiento 90 de la boquilla 70. Al elemento móvil 88 puede dársele cualquier forma adecuada al igual que al asiento 90 para producir el patrón de pulverización deseado 80 para la cámara de combustión particular de la presente invención. El objetivo del patrón de pulverización 80 es producir un alto grado de utilización del aire en las reacciones de combustión reduciendo al mínimo los óxidos de nitrógeno, los hidrocarburos sin quemar, el monóxido de carbono y las pérdidas de calor de los productos de la combustión después del encendido.
Cuando se aplica a motores más pequeños, muchas veces resulta más conveniente proporcionar un gran ángulo incluido para un asiento cónico cóncavo 90 para su uso con una válvula de resorte cónica convexa 88 con un ángulo ligeramente menor incluido. Este cono dentro de un cono o válvula de resorte de retención “cono-cono” y la disposición del asiento da como resultado una superficie considerablemente mayor para las relaciones de volumen del combustible que entra en la cámara de combustión que de cualquier número de orificios como era normal en los inyectores de técnicas anteriores. El combustible que entra en la cámara de combustión es comprimido hasta formar una capa delgada coniforme por la acción del resorte 74 y las fuerzas dinámicas de compresión del aire contra el lado del aire de la válvula de resorte 88. La combustión del combustible es extremadamente rápida dada la gran superficie presentada para la pulverización.
El ángulo elegido para el asiento cónico cóncavo 90 normalmente se optimiza con objeto de dirigir los elementos cónicos de pulverización del combustible a lo largo de la trayectoria más larga posible antes de intersectar una superficie de la cámara de combustión. El encendido ocurre al principio de la entrada del combustible en la cámara de combustión y continúa durante todo el tiempo que el combustible fluye en la cámara de combustión. Esto proporciona una mejor utilización del aire y el mayor tiempo de quemado para una combustión del combustible a temperatura controlada antes de acercarse a la zona de enfriamiento de la cámara de combustión. Esta realización proporciona un ángulo de entrada incluido y una distancia entre electrodos variable entre 88 y 90 como una función de presión y viscosidad del combustible. Bajo condiciones de producción a par máximo, a alta velocidad, la cantidad de suministro de combustible es mucho mayor y ocurre durante un mayor número de grados de rotación del cigüeñal. Esta realización proporciona una utilización optimizada del aire para diferentes velocidades de la llama al proporcionar un ángulo incluido para el cono de combustible destinado a los rayos entrantes de combustible inyectado.
Para optimizar el patrón de combustible para combustibles de hidrógeno o para motores producido por reacciones tales como las de la Tabla 3, el ángulo incluido es grande y el combustible va dirigido a la corona del pistón casi en el punto muerto superior. En el caso de los combustibles de gas natural o de gasolina de quemado más lento, el ángulo incluido es menor y el combustible va dirigido a un lugar en la corona del pistón un poco después del punto muerto superior. Se consigue la oportunidad de optimizar la producción de potencia para las condiciones de arranque en las que en las que se quema un combustible convencional tal como gas natural, gasolina o diesel y, después, tras la producción del combustible-motor tener un funcionamiento extremadamente ventajoso incluyendo la producción de más potencia y un mayor ahorro que con los inyectores de combustible convencionales. Lo preferente es conformar la válvula de resorte 88 a partir de un material en forma de lámina o de tubo y proporcionar unos puntos altamente angulares en la faldilla inferior, tal y como se muestra, con objeto de reducir la tensión de descarga y la temperatura durante la generación de plasma. Lo preferente es conformar una faldilla de electrodo 84 con unos puntos altamente angulares, tal y como se muestra, para el mismo objetivo. Geometrías alternativas de la válvula de resorte 88 y la forma del asiento 90 que son especialmente adecuadas para las cámaras de combustión de motores con un desplazamiento mayor es una forma esférica en donde la superficie esférica 82 entra en contacto con un asiento esférico cóncavo 90 de un radio algo mayor. Esta disposición de la válvula de resorte de retención y del asiento de esfera dentro de una esfera o de "esfera-esfera" resulta en un cono de pulverización de combustible 80 que tiende a proporcionar una mayor superficie en volumen y una mayor utilización del aire que la disposición conocono anteriormente descrita. En los motores de poco peso con altas velocidades de los pistones, como los motores de carreras, es preferible maximizar la velocidad de la llama forzando la producción de un grado de la relación de superficie de combustible a volumen incluso mayor mediante la provisión de un asiento esférico convexo 90 sobre el cual se asienta una superficie esférica convexa de 82.
Para lograr una penetración satisfactoria del combustible en la masa de aire comprimido de las cámaras de combustión más grandes, es conveniente formar unos canales (no mostrados) en la superficie de 82 o en la superficie del asiento 90. Estos canales permiten el paso de un mayor flujo de combustible que en las áreas entre los canales y proporcionan una mayor penetración del combustible que desde las áreas entre los canales.
Unos patrones de canales helicoidales o de otro tipo que proporcionan una aceleración del combustible en los ángulos con la distancia de recorrido más corta desde el orificio de la boquilla 70 hasta la cámara de combustión, causan la rotación del componente 82 que resulta conveniente para pulir el asiento 90 para mantenerlo limpio y uniforme.
Estas geometrías diversas de cono-cono, esfera-esfera, esfera-cono, cono-esfera y canales proporcionan mejoras importantes respecto a las técnicas anteriores. Los inyectores de combustible diesel de técnicas anteriores y los inyectores presentados en las Patentes Estadounidenses 1.401.612; 3.173.409; 3.830.204; 3.094.974; 3.316.650 y
4.967.708 hacen uso de pulverizaciones de combustible de uno o más orificios individuales para pulverizar combustible en masas de aire dentro de la cámara de combustión, mezclarlo con este aire y transportarlo después a un espacio de chispas en un momento crítico en el que la mezcla puede encenderse por chispa. Realizaciones de la presente invención suministran combustible en forma cónica que tiene una relación de superficie en volumen mucho mayor y lo hace en un patrón que garantiza la finalización de los eventos de combustión antes de que el combustible alcance las zonas de enfriamiento dentro de la cámara de combustión. Estas distintas realizaciones responden a la necesidad de optimizar los requisitos de utilización del aire en prácticamente cualquier diseño de cámara de combustión sin recurrir al rendimiento.
Mi invención es aplicable a grandes motores que tienen cámaras de combustión con diámetros de 30,5 cms o más y a pequeñas cámaras de combustión del tamaño adecuado para su uso en aeromodelismo. Es preferible el uso de dispositivos de encendido ahusados hasta llegar a un punto o patillas puntiagudas para reducir los requisitos de tensión para la descarga de chispas durante el arranque y, en algunos motores, para permanecer a unas temperaturas lo suficientemente elevadas entre los períodos de introducción de combustible para asegurar un encendido por superficie caliente sin una descarga adicional de chispas. Las dimensiones adecuadas de las patillas para el proceso de encendido incluyen de 0,13 mm (0,005 pulgadas) a 2,29 mm (0,090 pulgadas) de diámetro y unas longitudes de 0,51 a 6,35 mm (0,020 a 0,250 pulgadas) dependiendo de la configuración de la cámara de combustión que se esté utilizando para el motor. Los materiales adecuados para las puntas 82 y 84 incluyen aleaciones ferrosas tales como de un 5 a un 6% de aluminio, de un 20 a un 25% de hierro en balance con cromo; carburo de silicio; compuestos de silicio de molibdeno; superaleaciones de cobalto y superaleaciones de níquel.
En muchas aplicaciones es deseable reducir la energía de las chispas, minimizar el uso del encendido por chispa o provocar el encendido sin la ayuda de un equipo generador de chispas. Las razones incluyen evitar la formación de: óxidos de nitrógeno por consecuencia de las chispas, radiointerferencias y la erosión de los componentes de encendido por las chispas. Esto se consigue mediante el uso de revestimientos catalíticos sobre las superficies de 88, 90, 82 u 84. Entre los catalizadores adecuados cabe incluir negro de platino, negro de níquel, platino, paladio, osmio, iridio, níquel, óxido de níquel, y compuestos intermetálicos de metales de transición tales como vanadiocobre-cinc. Resulta ventajoso generar hidrógeno tal y como se muestra en las Ecuaciones 1-14 con objeto de aumentar el rendimiento térmico y para arrancar de forma limpia el motor con combustible-motor o quemando otras mezclas de combustible y aire sin chispas o con una energía de las chispas altamente reducida. El combustiblemotor es especialmente conductor para reducir los óxidos de nitrógeno ya que la energía necesaria para un encendido por chispa es de sólo 0,02 mWs en comparación con los 0,29 mWs del metano y los 0,24 mWs de la gasolina. El encendido del combustible-motor requiere menos de un 10% de la energía de plasma necesaria para la gasolina y otros hidrocarburos. Esto reduce enormemente la formación de óxidos de nitrógeno al principio de la combustión a lo que le sigue la limitación de la temperatura de combustión máxima mediante el control de la velocidad de adición de combustible y la sincronización de los eventos de inyección y encendido para optimizar la producción de potencia, el ahorro de combustible, la suavidad de los motores, etc., al tiempo que se minimizan los óxidos de nitrógeno.
Para un arranque limpio con combustibles convencionales, las puntas 82 y 84 se pueden revestir con óxido de níquel, óxido de cobalto, óxido de vanadio o materiales igualmente eficaces para catalizar la combustión de los hidrocarburos a base de aumentar la velocidad de formación de monóxido de carbono en zonas con un contenido de oxígeno insuficiente dentro de una reacción general rica en oxígeno. Al catalizar la formación temprana de monóxido de carbono en la zona circundante de las puntas 82 y 84, se elimina prácticamente la formación de partículas de humo de dióxido de carbono.
En los casos en los que el motor se debe arrancar y desarrollar una potencia de emergencia sin fallos ni dilaciones, lo mejor es arrancar con un plasma de chispa en el espacio entre 82 y 84 y hacer que el motor funcione mediante la aplicación de un encendido por plasma hasta que se vea que se ha desarrollado una potencia satisfactoria. Esto asegura un arranque rápido y el calentamiento de 82 y 84 a las temperaturas de encendido. Aplicaciones tales como potencia de emergencia para hospitales, ordenadores y procesos químicos son ejemplos de tales aplicaciones aseguradas de la invención. En aplicaciones menos críticas, lo mejor es enchapar las puntas 82 y 84 con aleaciones del grupo del níquel o del platino. En aplicaciones más exigentes, lo mejor es fabricar 82 y 84 a partir de dichos materiales para un encendido por chispa de larga duración y para provocar un encendido catalítico junto con uno por superficie caliente. Las combinaciones de encendido por chispa, catalítico y por superficie caliente proporcionadas por estas realizaciones hacen que la invención sea adecuada para motores de cualquier tamaño, velocidad de los pistones y aplicación. Dependiendo del diseño de “cono-esfera” seleccionado, el encendido se produce por un contacto del combustible con el aire con efectos catalíticos o de superficie caliente en 82 y 84 o debido al paso de la energía del plasma de las chispas a través de capas alternas de aire, zonas con exceso de aire y combustible, zonas ricas en combustible, zonas con exceso de aire y combustible, y aire. La mayor velocidad de la llama se produce en las superficies de las zonas ricas en combustible. Incluso a velocidades más altas del pistón, esto crea un accionador del proceso de combustión rico en combustible, a una velocidad más alta, dentro de las zonas con un exceso de aire que asegura la finalización de los eventos de combustión en las zonas con una velocidad de combustión más lenta.
Es preferible utilizar un generador de chispas 371 como el de la Figura 10 que invierte la polaridad con cada chispa para reducir la erosión por chispa en 82 y eliminar una electrólisis de alta tensión del aislador 64. El generador de tensiones de chispas 371 puede tener cualquier diseño adecuado para suministrar la corriente alterna por chispa al espacio entre 82 y 83 u 84, tal y como se muestra. Esto mejora enormemente el rendimiento del encendido y la duración del inyector de chispas 40.
Los dispositivos de técnicas anteriores dependen de la turbulencia del aire en la cámara de combustión para desviar las pulverizaciones de combustible a unas trayectorias helicoidales para evitar su penetración en las zonas de enfriamiento. La creación de la turbulencia en la cámara de combustión se produce por impedancia en la entrada de aire. Esto reduce el rendimiento mecánico del motor al provocar una presión reducida sobre el pistón en comparación con la presión debajo del pistón. Debe realizarse un trabajo mecánico mayor para vencer el estado de vacío del colector que si no hubiera ninguna impedancia a la entrada de aire. Los enfoques de técnicas anteriores dependen en una estrangulación del aire variable en todos los modos prácticos de funcionamiento para producir mezclas homogéneas de aire y combustible a todos los niveles de producción de potencia. Para que el aire pueda encenderse por chispa, tiene que ser estrangulado para poder reducir el combustible de los índices de potencia más altos a los índices de potencia más bajos. Este tipo de funcionamiento reduce enormemente el rendimiento a carga parcial al aumentar la diferencia de presión a través de la cual debe funcionar el pistón durante las condiciones de admisión.
En caso necesario se proporcionan múltiples chispas en las cámaras de combustión con turbulencia variable y para asegurar el encendido independientemente de los combustibles elegidos con unas características de viscosidad, densidad y liberación de calor altamente variables.
Se permite la entrada de aire no restringida en las cámaras de combustión a todos los niveles de potencia para obtener unos rendimientos mecánicos y volumétricos máximos. Esto proporciona más potencia, un funcionamiento más suave sin "puntos muertos" y una mayor variedad de condiciones de velocidad-par aceptables. Es preferible funcionar conforme a relaciones generales de aire-combustible del aire muy en exceso a unos parámetros de potencia baja a un aire en exceso a unos valores de potencia más alta. En la Tabla 2 se muestran los límites de inflamabilidad, la velocidad de la llama y el calor de la combustión de distintos combustibles incluido el combustiblemotor. Tal y como se muestra, el hidrógeno que caracteriza la combustión del combustible-motor proporciona una velocidad de la llama 7,5 veces mayor que otros combustibles más inertes. Esto permite una inyección y encendido del combustible-motor más tardía que con los combustibles de hidrocarburos convencionales y resulta en una presión media efectiva de frenado altamente mejorada por 8 TU de valor de combustible al no tener que volver a realizar el trabajo durante un aumento de presión de quemado lento en el ciclo de compresión del funcionamiento del motor.
La combustión del combustible-motor se caracteriza por un proceso de combustión incoloro extremadamente rápido y porque el grado de pérdida de calor por radiación en las superficies de la cámara de combustión es mucho menor en comparación con los combustibles convencionales. Realizaciones de la presente invención facilitan la inyección y el encendido del combustible-motor justo después del punto muerto superior (PMS) para proporcionar un funcionamiento mucho más silencioso dado que el golpeteo y la vibración del pistón debidos al encendido fortuito durante el ciclo de compresión se eliminan con las realizaciones de la invención. Los motores convertidos funcionan de manera más fría, más suave, más silenciosa y más eficaz que con los sistemas de acondicionamiento y suministro de combustible convencionales.
En la Figura 4 se muestra el método de la invención en un circuito esquemático de operaciones termoquímicas. El motor térmico 100 que puede ser cualquier motor térmico como una turbina de gas; de combustión rotatoria; motores de combustión externa tipo Stirling incluidos los Ericsson y los Schmidt; o un motor de combustión interna como los ilustrados con cualquier expansor adecuado como un conjunto de pistón 128 y varilla 131 como se muestra junto con la válvula de admisión 118 y la válvula de escape 120. El combustible se almacena en 102. El combustible puede ser cualquier combustible adecuado tal como gas natural comprimido, un alcohol combustible adecuado, gas natural líquido, amoniaco, gasolina o combustible diesel. Los combustibles líquidos almacenados a temperatura ambiente se presurizan preferentemente a través de una bomba 104 a la presión de inyección de combustible requerida cuyo valor varía en función de la viscosidad del combustible, de la tensión superficial, del peso molecular, de la relación másica de carbono a hidrógeno, de 100 a 1.500 psi por encima de la presión de compresión del motor.
Bajo condiciones de arranque con motores de desplazamiento positivo, el combustible frío es suministrado a una válvula de tres vías 108 y dirigido al motor a través del conducto 110, la válvula de tres vías 112, la tubería 114 y el inyector de combustible 116. El combustible es pulverizado en y encendido dentro de todas las cámaras de combustión que están entre un 1% y un 70% aproximadamente en ciclos de potencia (expansión). El resultado es un calentamiento rápido del suministro de aire y de potencia. El motor se arranca sin un motor de arranque o se arranca mucho más rápido si se utiliza un motor de arranque para garantizar la generación de presión de aceite. Una vez arrancado el motor, se adelantan los tiempos de inyección y de encendido para obtener unas condiciones óptimas.
Es preferente el uso de una bomba eléctrica junto con la bomba mecánica de los motores para la presurización de los combustibles líquidos. En los casos en los que los diseños de los cojinetes requieren la presurización del aceite en los cojinetes del cigüeñal y del árbol de levas antes del arranque, es preferible crear un interbloqueo de seguridad para evitar la inyección de combustible hasta que se produzca la presurización del aceite mediante una bomba manual o eléctrica.
La inyección directa con un arranque por encendido con chispas es una mejora importante respecto a los métodos de arranque de un motor de técnicas anteriores ya que resulta en un peso mucho menor del paquete, unos ahorros de los costes iniciales y la eliminación del gasto del mantenimiento del sistema del motor de arranque. Este sistema de arranque rápido permite parar el motor en las señales de parada y volverlo a poner en marcha al instante para accionar el vehículo cuando sea necesario. Esto elimina el desperdicio de combustible y la producción de contaminantes bajo condiciones en las que no es necesaria potencia alguna. Es preferible el uso de un microprocesador electrónico convencional con memoria para supervisar, arrancar y optimizar el motor. Las ubicaciones de los pistones dentro de las cámaras de combustión quedan almacenadas al realizarse la parada y se recuperan para la rutina de arranque. Un microprocesador adecuado 370 de la Figura 10 facilita el funcionamiento seguro ya que supervisa de manera instantánea la presión del aceite, la temperatura, la vibración y otros instrumentos fundamentales para realizar una parada de emergencia si el motor no tiene aceite lubricante o si se producen otras anomalías.
Los combustibles de gas comprimido almacenados en 102 son de presión reducida desde la presión de almacenamiento y se regulan a la presión de suministro deseada. La inyección de combustible a través de 116 tiene lugar preferentemente bajo condiciones de punto muerto superior prácticamente hasta que el depósito de almacenamiento 102 se encuentre prácticamente vacío y la presión del combustible disminuya a un valor inferior a la presión de suministro deseada. Las realizaciones de la invención proporcionan los pasos de inyectar el combustible bajo condiciones de punto muerto superior prácticamente de las cámaras de combustión hasta que la presión de almacenamiento se reduzca debido a un vaciado de las existencias e inyectar el combustible después cada vez antes durante el período de compresión y, a continuación, progresivamente en el estado de admisión de las cámaras de combustión para facilitar un margen mayor desde el sistema de almacenamiento de combustible proporcionando una forma optimizada de utilizar las últimas porciones del combustible almacenado. Tras la inyección del combustible y la supervisión del estado de las condiciones de las cámaras de combustión según lo indicado por la instrumentación 62A, 63 ó 65 del inyector de chispas 40A de la Figura 9, se optimizan los tiempos de inyección y encendido de combustible para los eventos de inyección y encendido subsiguientes según la presión de almacenamiento de combustible disponible. Conforme se reduce la presión de almacenamiento de combustible, los tiempos de inyección avanzan del punto muerto casi superior hacia el punto muerto inferior y finalmente al período de admisión del motor.
Una vez que el motor se ha calentado y que la temperatura en el convertidor termoquímico 144 ha llegado a [260 °C] (500 °F) aproximadamente, la válvula 108 va y viene para dirigir el combustible al circuito intercambiador de calor 154/132 tal y como se muestra. El motor sigue funcionando con el combustible suministrado por el acumulador 152. El combustible y cualquier otro donante de oxígeno deseado (tal como aire o las combinaciones listadas en las Tablas y) del depósito 160 es presurizado mediante una bomba adecuada 158 y calentado en el intercambiador de calor 130 mediante el líquido de refrigeración proporcionado desde la camisa de refrigeración 124 y devuelto a la camisa de refrigeración 138 a través del conducto 136 tal y como se muestra. A las combinaciones del combustible del depósito 102 y agua u otro donante de oxígeno del depósito 160 se les denomina “reactivos”. El posterior calentamiento de los reactivos se consigue mediante un intercambio a contracorriente entre 140 y 142 con el gas para el motor producido en el convertidor termoquímico 144.
El calentamiento final de los reactivos y la producción del gas para el motor resulta de una serie de procesos catalíticos que tienen lugar en el convertidor 144. Los gases de escape calientes 250 cuya temperatura oscila entre más de 593 y 316 °C (1100 °F y 600 °F), dependiendo del ciclo de trabajo, son enviados al convertidor termoquímico 144, tal y como se muestra. Los gases de escape enfriados pasan a través del conducto de escape 146. El líquido de la camisa refrigerado es devuelto al motor a través del conducto 136 para su paso a través de unos conductos de paso de refrigeración adecuados 138 y 124. Puede utilizarse otro circuito de rechazo del calor que comprende un radiador corriente y una válvula termostática en serie o en paralelo con el circuito de 130 y de 136.
El gas para el motor es enviado a la válvula de tres vías 112 y dirigido al motor a través de la tubería 114 y del inyector de combustible 116. Es preferible utilizar la combinación de inyector de combustible y encendido por chipa 40 mostrada en las Figuras 2 y 3.
En las Figuras 5 y 6 se muestran detalles de la realización preferente del convertidor termoquímico 144. La recuperación del calor residual del motor se consigue haciendo pasar los gases de escape calientes a la entrada 210 del conjunto del filtro 206. El intercambio de calor de los gases de escape calientes calienta las materias primas suministradas a través del tubo 162. El combustible-motor convertido termoquímicamente sale del reactor 144 a través del tubo 164 y se enfría preferentemente mediante un intercambio de calor regenerativo con las materias primas líquidas de los intercambiadores de calor 140/142 y 132/154 tal y como se muestra en la Figura 4.
El intercambio de calor y la conversión catalítica de las materias primas líquidas dentro de 206 lo proporciona una bobina tubular plana 208. La bobina tubular 208 está hecha preferentemente de dos tiras de metal conformadas de modo que proporcionen unas áreas superficiales extremadamente grandes para la transferencia de calor y las acciones catalíticas en las mezclas o soluciones de materias primas líquidas. Una de tales realizaciones 200 de la materia prima en forma de tira se muestra en la Figura 6. La tira 200 se forma de modo que tenga superficies corrugadas, estriadas, rayadas en espiga o sinuosas de cualquier otro modo tal y como se muestra. Queda unida de forma continua a una lámina 198 a través de unas costuras 202 tal y como se muestra. La lámina 198 puede estar formada como en 200 o como una lámina fundamentalmente lisa. Un intercambiador de calor catalítico con una gran superficie respecto al volumen se forma a partir de unas láminas 1998 y 200 en donde cada lámina está corrugada para formar unos diseños en espiga adyacentes en las áreas entre las costuras 202 cuando se montan como se muestra. Las corrugaciones en forma de espiga de cada lámina son opuestas a las de la otra lámina. Esto forma unas formas tubulares internas paralelas entre las costuras 202 que tienen unos canales internos sinuosos para forzar un flujo turbulento de los reactivos en todas las porciones de avance del fluido a través del reactor y un flujo turbulento de los gases de escape a través de los espacios corrugados formados entre unas capas conformadas o enrolladas del conjunto.
Las formas tubulares se acoplan para formar los circuitos deseados a través del reactor 144. Es preferible que haya unos intercambiadores de calor por contracorriente en donde el fluido más frío que entra en el reactor reciba calor de los gases de escape más fríos tal y como se muestra. El fluido cercano a la salida del reactor recibe calor de los gases de escape. Tras el plegado de las formas tubulares, el conjunto se enrolla en espiral sobre un tubo y el conjunto se introduce en un receptáculo 206 aislado. El conjunto enrollado en espiral se muestra en la Figura 5.
Es preferible seguir añadiendo calor a través de las superficies catalíticas para realizar las reacciones deseadas de las Ecuaciones 1-11. La realización mostrada en las Figuras 5 y 6 proporciona una alta conductividad térmica con funciones catalíticas. Los materiales laminares para el reactor 208 pueden ser los corrientes, parecidos a los listados en la Tabla 4. Tal y como se muestra, pueden utilizarse una amplia variedad de aleaciones y revestimientos superficiales para las estructuras laminares a base de hierro, aluminio y cobre. Los catalizadores elegidos pueden realizar otras funciones como, por ejemplo, actuar como agentes aglutinantes o desincrustantes en los intercambiadores de calor catalíticos. Tras la formación, soldadura de las costuras, plegado y bobinado, el conjunto se puede soldar en un horno o por inducción en las áreas de contacto de unión del interior de los tubos planos y entre las capas de tubos planos. Esto refuerza enormemente el conjunto.
Las tiras laminares seleccionadas se chapan o revisten por inmersión en caliente primero para uniformar los grosores del revestimiento mediante cualquier técnica de producción adecuada y, a continuación, se unen por laminación o se sueldan las costuras a lo largo de las zonas de las costuras 202. Es preferible unir todas las zonas de contacto entre la lámina 198 y la 200 para contrarrestar los esfuerzos por presión de los fluidos presentes dentro de los tubos planos. También está previsto que se produzcan gradientes de difusión de los agentes catalíticos deseados mediante múltiples chapados o revestimientos tras un tratamiento térmico.
Aunque ya se han mencionado el cinc y el cobre en esfuerzos anteriores para deshidrogenar los alcoholes, es importante señalar que la presente invención puede hacer uso de aleaciones catalíticas de cinc y de cobre o de revestimientos que contienen cinc y cobre en una solución sólida para que se produzca una deshidrogenación de los alcoholes, solutos orgánicos y agua de manera más o menos simultánea. Se piensa que una serie de reacciones intermedias son las responsables de las reacciones totales tal y como se muestra en las Ecuaciones 1-11. Una ayuda especialmente útil para comprender las reacciones intermedias se muestra en las páginas 535 a 586 de la Segunda Edición de la “Encyclopedia of Chemical Technology” de Kirk-Othmer.
Tal y como se indica en la Tabla 4, los catalizadores laminares de aleaciones listados poseen una ductibilidad considerable y permiten el trabajo en frío para formar patrones inductores de turbulencias tales como corrugaciones
o filas cruzadas de grabados dependiendo de la capacidad de resistencia al calor del sistema de láminas seleccionado a la temperatura de funcionamiento elegida para la aplicación. El sellado de la lámina inferior a la lámina superior se consigue mediante la unión metalúrgica a lo largo de las costuras de 2,29 mm (0,090") de anchura 202 entre unos canales de 25,4 mm (1") de anchura 204. Un grosor adecuado de la lámina original para las tiras 198 y 200 de la realización de la Figura 6 es de 0,25 mm (0,010") con una profundidad del canal corrugado de 0,38 a 1,52 mm (0,015" a 0,060"). Esto proporciona un volumen muy bajo de huelgo dentro de la bobina montada del reactor.
Las existencias de combustible-motor se minimizan por el bajo volumen de huelgo en todas las partes del sistema de acondicionamiento de combustible. Para garantizar aún más la seguridad, la presión se controla en las tuberías 106, 110, 148 y 114. Si el índice de cambio de presión sobrepasa un estrecho valor predeterminado, la bomba 104 se detiene y la válvula 170 se cierra para evitar la entrada de combustible adicional en el sistema de acondicionamiento de combustible. Dado que los intercambiadores de calor 130 y 144 se encuentran alojados en sistemas de refrigeración o escape de agua, se obtienen medidas de seguridad contra fallos adicionales. En caso de que se produzca una fuga en el intercambiador de calor 130 ó 144, la bomba 104 se parará, la válvula de solenoide que normalmente se encuentra cerrada 170 se cerrará y la pequeña existencia de combustible de escape se contendrá en agua o en el tubo de escape donde no pueda causar daño alguno. Las presiones del combustible de 680 atm a 538 °C (10.000 psi a 1.000 ° F) son prácticas con láminas catalíticas que poseen unos límites elásticos de 20.000 psi
o más dado que el conjunto espiral está fuertemente bobinado y unido. Una ayuda adicional para contrarrestar el esfuerzo es transfiriendo la precarga de compresión del depósito exterior mediante una estructura tubular 206 tal y como se muestra en la Figura 5 que preferentemente se forma dándole varias vueltas a una cinta para reducir las pérdidas de calor y proporcionar una alta resistencia.
Es preferible aislar térmicamente la bobina 208 del receptáculo 206 utilizando un manguito de fibras refractarias 214. Esto forma un cilindro de contención refrigerado por aire 206 en donde se produce una carga de tracción para producir una carga de compresión de la bobina 208. El uso del manguito aislante crea espacio para el entubado del colector en una tubería de acero inoxidable de 12 mm de diámetro exterior, 2,4 mm de pared (1/2" de diámetro exterior, 0,095" de pared) que también se utiliza para transportar el gas del motor a la sección del intercambiador de calor 130 y a los inyectores de combustible 116. En aplicaciones en las que se garantiza una seguridad adicional es preferible revestir la tubería 106, 110, 148 y 114 con una vaina de acero inoxidable de alta resistencia como 17-7 PH. Un colector de admisión y un núcleo para el conjunto en espiral se forman uniendo la bobina a un tubo de 76 mm de diámetro, 4,75 mm de pared (3" de diámetro, 0,187" de pared) que se encuentra dividido en el interior para proporcionar un flujo en serie deseado de vapores a través de A y B y, a continuación, un flujo paralelo a través de C y C seguido de un flujo paralelo a través de D y D* tal y como se muestra en la Figura 6. Los gases de escape pasan al interior del reactor desde las conexiones 210 a 212 para proporcionar una combinación modificada de un reactor endotérmico e intercambiador de calor a contracorriente.
Al agua de la camisa de refrigeración del motor a una temperatura de 82 a 121 °C (180 a 250 °F) se puede hacer circular por una sección adicional del intercambiador de calor 130 para crear una estandarización de la temperatura del gas del motor. En este caso, al agua de la camisa de refrigeración se haría circular de 124 a 138 a través del intercambiador de calor 130 tal y como se muestra en la disposición a contracorriente de flujo del gas del motor. Una disposición alternativa para proporcionar los intercambios de calor deseados para crear los intercambiadores de calor 130 y 132/154 en un conjunto con circulación controlada termoestáticamente del agua de la camisa del motor desde la entrada 124 hasta 138. En los motores emergentes con materiales que permiten que las paredes de las cámaras de combustión alcancen unas temperaturas de 260 °C (500 °F) y superiores, es preferible proporcionar una estandarización de la temperatura del combustible-motor con intercambiadores de calor con tubos de calor de fase dividida. Se contemplan la disipación final del calor al bastidor del vehículo, los requisitos térmicos de cogeneración para el acondicionamiento del aire, y el precalentamiento adicional de las fuentes de alimentación de alcoholes combustibles húmedos.
El combustible-motor a presión de 104 o un regulador adecuado se controlan mediante válvulas de tres vías, accionadas por solenoide 108 y 112. Se controlan las condiciones de presión y de temperatura del combustiblemotor presente en la sección del intercambiador de calor. La válvula 112 se utiliza “ABIERTA” para permitir el flujo de la sección del intercambiador de calor 154 al inyector de combustible 116 si la temperatura y la presión se encuentran dentro de unos límites predeterminados. La válvula 112 se “CIERRA” para el flujo desde 154 pero se “ABRE” para el flujo desde la bomba 104 y asegura el arranque el motor y el funcionamiento con inyección del combustible líquido hasta que se alcancen las temperaturas y las presiones deseadas en la sección 154. Durante el funcionamiento con un combustible líquido, se utiliza el mapa “A” del sistema de gestión de combustible. Durante el funcionamiento con un combustible-motor gaseoso se utiliza el mapa “B”. El funcionamiento entre los mapas A y B se conmuta electrónicamente en correspondencia con el funcionamiento de la válvula de solenoide 112.
El combustible que entra en la cámara de combustión se enciende con las chispas que pasan a través de capas alternas de aire-combustible-aire y el encendido queda asegurado independientemente de las existencias totales de aire y combustible en la cámara de combustión. Las relaciones totales de aire a combustible de 1.000 a 1 se encienden con toda seguridad con la invención así como las relaciones de aire a combustible de 15 a 1. Las realizaciones de la invención proporcionan un mejor ahorro de combustible y unas emisiones mínimas durante las condiciones de motor frío con inyección directa y encendido por chispa de los combustibles líquidos. Más tarde, después de alcanzar la temperatura de funcionamiento asignada al motor, las realizaciones de la invención proporcionan una recuperación útil del calor residual del motor mediante un funcionamiento con combustibles gaseosos que producen considerablemente más energía con la combustión que los combustibles líquidos. Las realizaciones de la invención facilitan estas ventajas de rendimiento del combustible sin sacrificar los índices de potencia específicos del motor en comparaciones de potencia por unidad térmica. Este es un aspecto extremadamente importante de la invención ya que normalmente resulta necesario especificar unos desplazamientos de un 30% a un 150% mayores y unas relaciones de compresión mayores (que para los combustibles de gasolina carburados) cuando se contempla el uso de combustibles gaseosos. El requisito de un motor de mayor tamaño da como resultado toda una serie de problemas de aplicación, entre los que cabe incluir:
1.
Neumáticos, amortiguadores, resortes, motores de arranque, baterías, alternadores, unidades de dirección asistida, transmisiones y frenos más grandes para un peso en vacío mayor en aplicaciones de transporte.
2.
Mayores requisitos de reservas de hierro, cromo, molibdeno, vanadio, manganeso, níquel y petróleo. Más energía requerida para extraer, laminar, refinar, alear, colar, forjar, mecanizar y construir motores más grandes. Las mayores demandas de reservas finitas de materiales críticos elevan los precios por kilo y fuerzan la inflación en la economía mundial.
Además, realizaciones de la invención solventan los difíciles problemas de deflagración de escape y titubeo, en donde el hidrógeno se quema a destiempo dentro del colector de admisión de los motores carburados o inyectados por el colector. Este problema surge del hecho de que el hidrógeno mantendrá la combustión a unas relaciones de combustible a aire extremadamente amplias y porque las velocidades de la llama durante la combustión del hidrógeno son extremadamente altas. La invención evita la deflagración de escape eliminando cualquier mezcla de hidrógeno y aire hasta que se produce la inyección de combustible dentro de la cámara de combustión.
Se facilita la producción de combustible-motor a partir de alcoholes combustibles baratos y gas natural comprimido o líquido. Un régimen con un margen más amplio utilizaría metano biocombustible y etanol y metanol húmedos. La presente invención procesa termoquímicamente y hace uso de materias primas menos refinadas y menos caras que la gasolina o los combustibles diesel incluidos el gas natural, alcoholes crudos y agua amoniacal tal y como se muestra en las Tablas 1-3. Se proporcionan mejoras en cuanto al margen y al rendimiento térmico con combustibles diesel y de gasolina.
Combustibles tales como gas natural, gas de hulla, acetona, metanol, etanol, propanol, propano, butano, amoniaco y butanol son sustitutos interesantes de los combustibles de petróleo tradicionales.
Los alcoholes combustibles y las parafinas ligeras se obtienen fácilmente del carbón, turba, pizarra bituminosa, arenas bituminosas, gas natural, desechos sólidos o biomasa cultivada recientemente.
Se facilita la utilización de hidrógeno obtenido de aguas residuales y de basuras, metano y alcoholes combustibles y la invención permite la utilización de petróleo para la producción de polímeros y productos petroquímicos.
Un problema ampliamente reconocido y perdurable de los biocombustibles es el consumo energético requerido para la producción de alcoholes combustibles a partir de carbón o de biomasa. El agua presente en el carbón o en las materias primas de biomasa, junto con el vapor utilizado en las reacciones con materias primas carbonosas para gasificar las materias primas requiere una energía considerable para alcanzar las temperaturas de reacción del proceso. Tras la generación de mezclas de hidrógeno y de monóxido de carbono (agua-gas) y la síntesis catalítica de los alcoholes combustibles, normalmente se necesita añadir una cantidad de energía considerable para eliminar los condensados de agua y producir combustible anhidro.
La producción comercial de metanol mediante el proceso Oxil, la acción de las enzimas de fermentación o la destilación destructiva de lignina y celulosa podría consumir mucha menos energía si el producto pudiera utilizarse “húmedo” (65 a 92 grados) en lugar de “seco” (100 grados). Mi proceso y aparato facilitan el uso ventajoso de gas natural, alcoholes combustibles húmedos, compuestos orgánicos solubles en agua o solubles en alcohol y calor residual del motor mediante las reacciones ilustrativas mostradas en las Tablas 1 y 2 y como sigue:
GAS NATURAL HÚMEDO más CALOR RESIDUAL da HIDRÓGENO y MONÓXIDO DE CARBONO
CH4 H2O+CALOR da 3H2 +CO Ecuación 15
Los reactivos de las Ecuaciones 1-8 de la Tabla 3, que consisten en uno o más alcoholes, uno o más productos orgánicos solubles y agua, se calientan mediante el intercambio con los gases de escape a temperaturas que oscilan entre 107 y 538 °C ó 225 y 1.000 °F. A los vapores de los compuestos orgánicos calientes y a las mezclas de vapores se les hace pasar a través de un catalizador para producir mezclas de monóxido de carbono e hidrógeno. En la Ecuación 9 se ilustra cómo hacer reaccionar gas natural o metano de biomasa con vapor para producir hidrógeno y monóxido de carbono. En las Ecuaciones 10 y 11 se tipifica la reacción de gasolina y de mezclas combustibles con oxígeno que contiene líquido para producir monóxido de carbono e hidrógeno tras una reacción endotérmica. Estas mezclas reactivas también podrían contener agentes emulsionantes para el almacenamiento a largo plazo de las mismas. El producto vaporoso o el combustible-motor se utilizan en la cámara de combustión a modo de combustible de carga estratificada y se enciende por chispa.
Los potenciales de liberación de calor para un quemado completo de los componentes del combustible-motor superan los potenciales de quemado completo de las materias primas combustibles entre un 20% y un 40%. Los aumentos en los potenciales de liberación de calor se derivan de un intercambio del calor residual del motor a las reacciones endotérmicas generalmente mostradas en las Ecuaciones 1-14 de la Tabla 3. Igualmente importante es la oportunidad de utilizar combustibles húmedos que consumen entre un 30 y un 50% menos de energía durante una producción inicial que los alcoholes anhidros, fenol u otros compuestos orgánicos homólogos.
Otro problema que puede resolverse con la presente invención se refiere a la capacidad de ganar tanta potencia por BTU o caloría de liberación de calor del combustible-motor como la que produce la gasolina en los motores encendidos por chispa. Generalmente se reconoce que los motores alimentados con productos gaseosos requieren unos desplazamientos del motor considerablemente mayores que los motores alimentados con gasolina por unidad de desarrollo de potencia. Esto se debe a que en los intentos anteriores de utilizar combustibles gaseosos se ha mezclado el combustible con aire durante los procesos de admisión. Una capacidad aerobia considerable y la energía de los ciclos han sido desviadas para introducir los combustibles gaseosos en el motor. En la presente invención, toda la capacidad aerobia del motor se reserva para la admisión de volúmenes excedentes de aire de combustión. Las presiones medias efectivas del freno (BlvtEPs) son mayores ya que: hay más moléculas presentes en la cámara de combustión para realizar un trabajo expansivo; con más aire presente, más combustible que se puede quemar para liberar más energía; y los pistones no necesitan trabajar (frente a atmósferas del cárter en comparación con el vacío del colector).
Los requisitos de agua no satisfechos con la utilización de alcoholes húmedos o de otras combinaciones mostradas en las Tablas 2 y 3 se pueden proveer mediante la condensación del vapor de agua de los gases de escape del motor térmico que hace uso de la invención. Se produce aproximadamente un galón de agua por cada galón de combustible hidrogenado quemado por un motor térmico. A modo de ilustración, un mol de octano (o gasolina) regenerado termoquímicamente con ocho moles de agua se quema en el aire para producir diecisiete moles de agua. Sólo tienen que reciclarse ocho moles de los diecisiete:
C8H18 + 8 H2O da 8CO + 17H2 (“COMBUSTIBLE-MOTOR”") Ecuación 16
8CO+17H2 + 12.5 O2 da 8 CO2 + 17H2O Ecuación 17
De forma parecida, sólo hay que recoger un mol de agua de los tres necesarios cuando el metano se convierte en combustible-motor.
CH4 + H2O da CO + 3H2 (COMBUSTIBLE-MOTOR) Ecuación 18
CO + 3H2 + 2O2 da CO2 + 3H2O Ecuación 19 La condensación produce en último término agua líquida de las corrientes de escape del motor térmico. La conocida columna de gotas de agua condensada que se forma en las corrientes de escape de automóviles en climas fríos es un ejemplo de condensación rápida. La lluvia de las nubles y la niebla son ejemplos de condensaciones más retrasadas en las que se añaden aportes de escape de automóviles al agua evaporada de los océanos, lagos y ríos y al agua transpirada por la vegetación.
Para que aproximadamente la mitad del agua del escape del motor pueda ser recapturada para la regeneración termoquímica, la mayor parte de la corriente de escape se debe refrigerar a 13 °C (200 °F). Suponiendo unas temperaturas ambiente altas durante el día de 49 °C (120 °F), (y que en la mayoría de los sitios la alta temperatura durante el día será menor), habrá un gradiente de 27 °C (80 °F) aproximadamente para el intercambio de calor a la atmósfera. Los intercambiadores de calor mostrados en las Figuras 7 y 8 proporcionan un área superficial y una turbulencia extremadamente altas durante el proceso de intercambio de calor para conseguir la recuperación de agua líquida deseada mediante condensación.
Tal y como se muestra en la Figura 6, los componentes del intercambiador de calor de tubos planos utilizados en 144 y 256 son autorreforzantes y extremadamente conservadores en el uso de materiales resistentes a la corrosión. Con estos diseños se ha demostrado que pueden alcanzarse unas velocidades de fabricación extremadamente rápidas. El régimen de diseño de la Figura 6 es adecuado, por tanto, para los requisitos de producción en masa de las aplicaciones del sector de la automoción.
La recogida de agua de la corriente de escape se consigue preferentemente mediante el proceso ilustrado en la Figura 7. Los gases de escape 250 de las cámaras de combustión de un motor de combustión interna se utilizan en primer lugar para accionar un motor neumático adecuado 252 que a su vez acciona un compresor adecuado 254 para aumentar la cantidad de aire que entra en las cámaras de combustión del motor. Los gases de escape que salen del motor neumático 252 entran en el intercambiador de calor 144 para la producción endotérmica de combustible-motor. Los gases de escape pasan del intercambiador de calor 144 al intercambiador de calor 256 para la evacuación de calor a los reactivos del combustible-motor presentes en la bobina helicoidal del tubo de aletas 258 y a la atmósfera desde las aletas de evacuación de calor 260. Un segundo motor neumático 262, mecánicamente acoplado al motor neumático 252 y al compresor 254 mediante el eje de conexión tal y como se muestra, extrae el trabajo adicional de los gases de escape en expansión y acelera centrífugamente el agua condensada a la carcasa de recogida 266 para el suministro de agua a través del tubo 268 al depósito 102.
Tal y como se muestra, los reactivos del combustible-motor típicos a los listados en las Tablas 1 y 2 se almacenan en el depósito 102. La bomba 104 suministra los reactivos al tubo de aletas 258 del intercambiador de calor a contracorriente 256. A continuación, el líquido reactivo se sigue calentando en el intercambiador de calor regenerativo 274 conforme el combustible-motor se refrigera mediante el intercambio con los suministros entrantes de materias primas que se desplazan para entrar en la región más fría del convertidor termoquímico 144. La inyección de combustible y el encendido del combustible-motor presente en la cámara de combustión se consigue preferentemente mediante las realizaciones 40 ó 40 A tal y como se muestra.
El escape caliente 250 contiene todo el vapor de agua producido mediante el proceso de combustión. Conforme el calor es extraído, la humedad relativa alcanza el 100% y el agua líquida puede ser extraída mediante una turbina de salida 262. La turbina de salida 262 está hecha preferentemente de materias tales como polímeros de cristal líquido reforzados con fibra de carbono que no se corroen ni erosionan por las gotas de agua que se condensa. La turbina 252 está hecha preferentemente de superaleaciones a base de hierro convencionales que tradicionalmente han venido siendo elegidas por su resistencia a la oxidación y la deformación en tales aplicaciones. El compresor 254 está hecho preferentemente de aluminio, magnesio o componentes poliméricos dependiendo del tamaño del motor y de la duración de los componentes del sistema requerida.
Un aspecto especialmente ventajoso de las realizaciones de la presente invención es la recuperación de la energía residual junto con la ganancia en gases de expansión en comparación con los gases de compresión. En la mayor parte del ciclo de compresión, sólo hay aire presente. En el momento del punto muerto casi superior en el que se desea un aumento de la presión, el combustible-motor es inyectado y quemado para producir muchos más gases calientes de expansión que los que habría si los combustibles convencionales fueran utilizados como cargas homogéneas o si los combustibles convencionales fueran inyectados y quemados a modo de cargas estratificadas. Esto se ilustra mediante la comparación de los procesos de la presente invención utilizando metano y utilizando un combustible-motor derivado del metano.
CH4+2O2 da CO2 + 2H2O Ecuación 20
(un mol de CH4 da tres moles de productos de expansión)
CO + 3H2 + 2O2 da CO2 + 3H2O Ecuación 21 Las realizaciones de la presente invención proporcionan un ciclo con más moléculas de productos de expansión que moléculas de compresión. Esto da como resultado unos índices de potencia mayores para el mismo motor y aumenta el rendimiento térmico del proceso.
Se prevé que en las grandes aplicaciones de motor estacionario con un funcionamiento a velocidad más o menos constante, el reactor termoquímico 144 se colocará enfrente de la turbina generadora de energía para mejorar el rendimiento térmico general del sistema. En las aplicaciones móviles en las que se desea ganar la máxima relación de potencia a peso, se prevé que la turbina generadora de energía 252 se colocará enfrente del convertidor termoquímico 144 tal y como se muestra en la Figura 7. En los casos en los que no se desee añadir el agua recuperada a las materias primas combustibles almacenadas en el depósito 102, se puede añadir agua condensada de 268 al depósito 160 tal y como se muestra en la Figura 4. Cuando la velocidad de recogida del agua sobrepasa la velocidad de almacenamiento deseada (como ocurre en climas fríos) el rechazo de calor de la aleta 260 se atenúa para reducir la velocidad de condensación a la carcasa de recogida 266.
En los casos en los que se desea reducir la señal térmica de los motores térmicos, la presente invención proporciona unas temperatura de los gases de escape que se aproximan a la temperatura ambiente. Este proceso puede acentuarse calibrando la turbina de salida 262 para la expansión de los gases de escape a la presión ambiente. Esto resulta especialmente ventajoso en las aplicaciones de motores de turbina de gas.
La creación de monóxido de carbono y de hidrógeno a partir de agua y de combustibles hidrocarburos mediante el uso regenerativo del calor residual del motor proporciona un margen al menos un 20% mayor y ahorro de combustible. Este proceso elimina prácticamente las emisiones de monóxido de carbono y de hidrocarburos sin quemar ya que la combustión del combustible-motor se caracteriza por unas características de quemado del hidrógeno extremadamente rápidas para forzar al monóxido de carbono a completar los procesos de combustión con el aire en exceso para obtener dióxido de carbono. Entre los rendimientos mejorados de los procesos del motor convertido cabe incluir:
1.
El combustible-motor produce un 20% más calor aproximadamente que el quemado del combustible de materias primas.
2.
La invención reduce las pérdidas de radiación de la combustión al convertir los combustibles de materias primas de alta radiación en combustibles-motor de baja radiación.
3.
El combustible-motor se quema unas 7,5 veces más rápido que los combustibles de materias primas. Esto permite a la invención producir un aumento de presión mucho más rápido y que ocurra sustancialmente en o después de las condiciones de punto muerto superior. Se mejoran tanto el rendimiento mecánico como el rendimiento térmico.
4.
La invención quema el combustible-motor bajo condiciones localmente ricas en combustible dentro de un exceso de aire para aumentar la alta velocidad de la llama.
5.
La invención quema el combustible-motor bajo condiciones localmente ricas en combustible dentro de un exceso de aire para reducir las pérdidas térmicas por conducción.
La combustión del combustible-motor dentro de un aire aislante en exceso asegura la finalización de los procesos de combustión y la eliminación de los hidrocarburos no quemados y del monóxido de carbono. Los óxidos de nitrógeno se reducen enormemente por la combustión rápida de las zonas ricas en combustible dentro de cubiertas con un exceso de aire bajo unas velocidades de entrada de combustible controladas y unas relaciones locales de aire a combustible que mantienen las temperaturas de combustión máximas por debajo de 1.204 °C. El control de la combustión para limitar las temperaturas máximas a 1.204 °C evita la formación de compuestos de nitrógenooxígeno tales como el NO. El quemado en base a una carga estratificada del exceso de aire total bajo condiciones de temperatura limitada elimina prácticamente la producción de óxidos de nitrógeno.
Se ha descubierto que la invención proporciona mejoras sustanciales en cuanto al rendimiento térmico y reducciones de las emisiones no deseadas incluso cuando sólo una fracción del combustible de hidrocarburos se convierte en hidrógeno y monóxido de carbono. Esto es especialmente cierto cuando se utilizan combustibles alternativos tales como metano, propano, butano y alcoholes combustibles. La conversión de parte del combustible de hidrocarburos en hidrógeno aumenta enormemente la velocidad de la llama y la finalización de los procesos de combustión en la cámara de combustión. Esto proporciona a los diseñadores un gran libertad a la hora de aplicar la invención a varios tamaños de motores y aplicaciones. En los motores de trabajo pesado que utilizan grandes cantidades de combustible como las locomotoras ferroviarias se incluirán unos convertidores termoquímicos lo suficientemente grandes (144) como para convertir prácticamente todo el combustible de hidrocarburos en monóxido de carbono para ahorrar combustible al máximo. Se prevé que los motores más pequeños como los utilizados en las cortadoras de césped y en las motocicletas tendrán que sacrificar parte del potencial de ahorro de combustible (ofrecido por la conversión total del combustible de hidrocarburos en hidrógeno y monóxido de carbono) para las reducciones necesarias de las emisiones no deseadas.
En los casos en los que la elección del combustible primario se vaporiza satisfactoriamente bajo las condiciones de entrada de temperatura y de calor del intercambiador de calor 256, es preferible modular el flujo a través de 144 para mantener unas condiciones de funcionamiento óptimas. Ejemplos de combustibles de este tipo son el metanol, etanol, butano, gasolina, propano y metano. Esto es especialmente útil en el caso de grandes motores aplicados en aplicaciones de parada y arranque como los autobuses urbanos. Una válvula de tres vías 270 proporciona el arranque del motor al pasar el combustible directamente del intercambiador de calor 256 al inyector de chispas 40. La válvula 270 proporciona preferentemente una división variable del flujo al intercambiador de calor 274 y del circuito de derivación al inyector de chispas 40 tal y como se muestra. Esto se consigue accionando la válvula 40 como un controlador del flujo digital a tiempo variable. Al fluido se le hace pasar a través de la válvula 270 hasta el intercambiador de calor 274 durante un corto período de tiempo (t1) y, a continuación, se le hace pasar a través de la válvula 270 durante un corto período de tiempo (t2). La magnitud de t1 varía de unos 30 milisegundos a un funcionamiento continuo. La magnitud de t2 varía de unos 30 milisegundos a un funcionamiento continuo. La relación de t1/t2 proporciona un control de la relación de combustible-motor a reactivos no convertidos. La relación de t1/t2 puede ajustarse en respuesta a la temperatura del convertido termoquímico 144 o en respuesta a otros algoritmos de optimización.
Generalmente es deseable proporcionar un flujo de derivación t2 de al menos un 4% cada 600 milisegundos de funcionamiento tras haber alcanzado una temperatura umbral mínima en 144 con objeto de inducir una turbulencia en los canales de 144. Después de sobrepasar la temperatura umbral mínima en el convertidor 144 es preferible operar según un flujo continuo de reactivos a través de 144. La modulación del flujo al 144 ofrece la capacidad de alcanzar la máxima conversión de reactivos en combustible-motor bajo todos los ciclos de trabajo del motor.
Un mezclador estático 272 asegura que el combustible-motor de 144 se mezcle de forma homogénea con los vapores de los reactivos que son derivados a través de la válvula 270. Válvula 270 del acumulador 296. El acumulador 296 suaviza la presión de los fluidos modulados por la válvula 270 y suaviza las variaciones de presión resultantes de unas condiciones transitorias cuando se cambian las condiciones de funcionamiento del motor. En los casos en los que no se desea utilizar un motor de salida accionado por los escapes, es preferible el uso de un motor eléctrico 292 para accionar una rejilla de mando de salida de agua 290 tal y como se muestra en la Figura 8. El combustible de hidrocarburos se añade en 266 y se mezcla con agua condensada en 102. La bomba 104 presuriza la materia prima líquida almacenada en 102 y la envía al tubo de aletas del intercambiador de calor 258. El intercambiador de calor a contracorriente 274 extrae para estandarizar la temperatura del combustible-motor mediante el intercambio en el refrigerante del motor de temperatura regulada.
El encendido del combustible estratificado y el quemado bajo condiciones localmente ricas en combustible rodeadas por un exceso de aire mejora considerablemente las velocidades de combustión frente a las condiciones de carga homogénea de mezcla pobre y reduce los óxidos de nitrógeno. Las características de la llama son típicas de un quemado transparente de hidrógeno en lugar de frentes de llamas de gasolina o diesel. Las pérdidas de radiación se minimizan. Las pérdidas de conductividad se minimizan. Los rendimientos térmicos resultantes superan la ganancia proporcionada por la conversión endotérmica de combustibles de materias primas en combustible-motor. En comparación con un funcionamiento convencional, se consigue un mayor ahorro de combustible y unas emisiones reducidas durante condiciones de motor frío con una inyección directa y un encendido por chispa. Más tarde, después de alcanzar la temperatura de funcionamiento asignada al motor, las realizaciones de la invención proporcionan una recuperación útil del calor residual del motor mediante el funcionamiento con combustibles-motor que producen considerablemente más energía con la combustión que los combustibles líquidos de materias primas. Las realizaciones de la invención facilitan estas ventajas de rendimiento del combustible sin sacrificar los índices de potencia específicos del motor en comparaciones de potencia por unidad térmica y es aplicable a las turbinas de gas, combustión rotatoria y motores de pistones con diseños de dos y cuatro tiempos.
La sustitución por un tubo polimérico 61 tal como tetrafluoroetileno o la retirada del tubo de cerámica 60 mostrado en la Figura 2 permite que un dieléctrico polimérico 64 como el mostrado en la Figura 9 transmita más fuerzas desde el orificio 61 como resultado de las diferencias de presión dentro del orificio 61 y la presión ambiente fuera de la pared 76 del tubo 44. La fuerza radial transmitida a la pared 76 por el dieléctrico 64 es encontrada por una fuerza opuesta e igual transmitida por una pared de acero tubular circundante elásticamente tensada elásticamente 76 para contener el conjunto tal y como se muestra.
La retirada del tubo de cerámica 60 también permite que el dieléctrico polimérico 64 transmita una fuerza mayor al asiento de la válvula 54 como resultado de las diferencias de presión entre la cámara de compresión que se encuentra más allá del dieléctrico 72 y el asiento de la válvula 54. Mediante la colocación de un transductor de fuerza o de "presión" 63 entre el asiento de la válvula 54 y el polímero dieléctrico 64, pueden instrumentarse la inyección de combustible y otros eventos del funcionamiento del motor. Este aspecto de la invención se muestra en la Figura 9. Los transductores de presión especialmente útiles para este fin son las galgas extensométricas y piezoeléctricas incluyendo cerámicas como el cuarzo y el titanato de bario y polímeros tales como el fluoruro de polivinilideno (PVDF). La junta tórica 62A del asiento de la válvula 54 puede estar hecha de ese material para realizar las dos funciones de sellado y de transductor de presión. La deformación del material produce una señal de tensión que puede ser controlada para determinar la presión del fluido dentro del conducto de paso del asiento de la válvula 54 a la boquilla 70. La fuerza axial resultante de las variaciones de presión en la cámara de combustión también queda indicada por una junta tórica piezoeléctrica 62A en el asiento de la válvula 54.
El enmascaramiento de la junta tórica 62A y la metalización con tinta conductora o pulverizando patrones de electrodos de NiCu sobre la superficie de la junta tórica permite sacar la señal de tensión del conjunto a través de un cable eléctrico adecuado y llevarla hasta un controlador externo. Los patrones de electrodos pueden diseñarse para acentuar la señal para controlar la presión del combustible o acentuar la señal para controlar la presión de la cámara de combustión o se pueden diseñar para que controlen ambas actividades.
Para controlar la señal de la presión del combustible, es preferible colocar un electrodo metalizado alrededor del diámetro más grande o exterior de la junta tórica y colocar otro electrodo opuesto en el diámetro más pequeño o interior. La señal de la fuerza piezoeléctrica es llevada desde el electrodo exterior hasta un controlador que hay fuera del inyector de combustible 40. Es preferible que el asiento de la válvula 54 esté hecho de un material dieléctrico adecuado tal como alúmina sinterizada u otro material cerámico si bien ha sido posible revestir asientos metálicos con dieléctricos revestidos de polvo y sinterizados tales como polímeros perfluoroalcoxi para producir un revestimiento dieléctrico suficiente para aislar eléctricamente la señal del transductor de presión.
En los casos en los que se desea acentuar el control de las presiones de la cámara de combustión, es preferible enmascarar la junta tórica para la aplicación de electrodos opuestos en las áreas que entran en contacto con la superficie del dieléctrico 64 y la superficie paralela de la ranura de la junta tórica formada en el asiento de la válvula
54. Esta disposición acentúa la producción de tensión entre los electrodos para las fuerzas axiales debido a las presiones en la cámara de combustión.
Otro patrón de electrodos que se ha descubierto que es mejor para controlar tanto la presión del combustible como la presión en la cámara de combustión se forma colocando los electrodos a medio camino más o menos entre los dos lugares descritos arriba. Esto proporciona una señal sustancial para la inyección de combustible y los eventos de la cámara de combustión.
Dicho material piezoeléctrico (PVDF) también puede adquirirse en varios grosores y dimensiones en Pennwall Corporation, Valley Forge, PA 19482. Se ha descubierto que un disco de PVDF 63 que tenga la dimensión diametral exterior del orificio de la carcasa 76 en el lugar del asiento de la válvula 54, una dimensión del orifico interior del casquillo de la junta tórica como se muestra y un grosor de unos 50 micrómetros actúa bien como controlador de la presión del combustible y de la cámara de combustión. Es preferible colocar los electrodos en las superficies que entran en contacto con el asiento de la válvula 54 y el dieléctrico 64. Si el asiento de la válvula 54 es metálico y se pone a tierra mediante un contacto con la carcasa 72, un solo cable aislado al controlador exterior es suficiente para controlar los eventos de presión de interés.
En caso de que se utilice un disco piezoeléctrico 63 es preferible seleccionar el material para hacer el cuerpo dieléctrico 64 con un desplazamiento de Poisson de las fuerzas ejercidas por la presión del combustible para desarrollar una fuerza axial sustancial y la señal piezoeléctrica resultante sobre el disco transductor 63. En este caso es preferible seleccionar un material con un módulo de elasticidad relativamente bajo tal como etileno tetrafluoretileno sin rellenar en lugar de un material más rígido como el sulfuro de polifenileno relleno de vidrio.
Otra forma adecuada de sensor piezoeléctrico es un cilindro totalmente circular tal como el 65, 67 ó 69, colocado tal y como se muestra en la Figura 9. Los transductores piezoeléctricos cilíndricos se encuentran disponibles con unos diámetros exteriores de 6,35 a 25,4 mm (0,25 a 1,00 pulgadas) con unos grosores nominales de las paredes de 0,51 a 1,27 mm (0,02 a 0,05 pulgadas) y unas longitudes cilíndricas de hasta 300 mm ó 12". Tales dispositivos pueden adquirirse por encargo en Atochem Sensors, P.O. Box 799, Valley Forge, PA. 19482. La presión transmitida por el combustible que pasa a través del espacio tubular 61 y los ciclos de presión de la cámara de combustión hace que los piezoeléctricos 65, 67 ó 69 generen señales eléctricas. La subida y la bajada de presión en la cámara de combustión son transmitidas a través de un conjunto de componentes 55, 70, 72 y 64 para generar señales piezoeléctricas en los transductores 62A, 63, 65, 67 y 69. Esto permite controlar la cámara de combustión para determinar condiciones de funcionamiento tales como las de admisión, compresión, potencia y escape. La determinación del acercamiento al punto muerto superior y la tendencia en la velocidad de los pistones como resultado de las características de inyección y encendido de combustible permite la optimización rápida de la inyección de combustible y del encendido por chispa. Este enfoque para la medición de la presión y la caracterización de la velocidad de los pistones, la inyección de combustible, el encendido y la combustión proporciona un control y una optimización más rápidas y mucho más completas de los procesos de motor que los enfoques convencionales de instrumentación y control.
Durante el funcionamiento, el transductor de fuerza 63, la junta tórica detectora de las fuerzas 62A o los transductores tales como 65 se controlan conectando sus electrodos a un circuito eléctrico adecuado para determinar la ocurrencia de señales piezoeléctricas. Otros transductores de presión adecuados para determinar el estado de las cámaras de combustión que actúan por la combinación del inyector de combustible y el dispositivo de encendido por chispa de la Figura 9 incluyen:
1.
Dispositivos de fibra óptica en los que hay un resonador de la cavidad interferométrica ubicado entre la superficie final de una fibra óptica y un chip de oblea de silicio reflectora y delgada. El chip actúa a modo de diafragma y se flexiona ante una presión diferencial o por el movimiento de los materiales circundantes que se deforman como resultado de la presión dentro del conducto de combustible y la presión dentro de la cámara de combustión. Esta flexión del diafragma cambia la profundidad de la cavidad como una función del radio del diafragma y modifica la reflectancia espectral general de la luz respecto a la presión. Puede seleccionarse cualquiera de las cuatro variables básicas de intensidad, frecuencia, fase o polarización para detectar la presión con esta instrumentación de fibra óptica. La modulación de la intensidad es una ilustración sencilla en la que la intensidad total de la luz reflejada indica la presión del conducto de combustible y de la cámara de combustión. Un proveedor adecuado para adquirir uno de estos dispositivos es Fiber Optic Sensor Technologies, Ann Arbor, Michigan.
2.
Elementos indicadores piezoeléctricos de polisilicio unidos por la deposición química en fase de vapor o la adhesión por enlace molecular a un sustrato con la misma temperatura tal como el tubo 60 de la Figura 2, o a la superficie del asiento 54. Dichos dispositivos se encuentran disponibles en Rosemount, Inc., Eden Prairie, Minnesota, y en Dresser/Ashcroft, Stanford, Connecticut.
3.
Sensores de capacitancia con transmisores bidireccionales que hacen uso de comunicaciones por fibra óptica, inteligentes o por bus de campo. Todas las versiones utilizan un sensor de microcapacitancia de silicio. Dichos dispositivos pueden adquirirse en Fuji Instruments Ltd., Tokio, Japón. Véase la Figura 9 en la que se observa el 55 como una disposición de acoplamiento por fibra óptica.
4.
En los sensores de presión capacitivos pueden utilizarse diafragmas de cerámica. Los sensores de presión de este tipo son adecuados y pueden adquirirse en Endress + Hauser Instruments, Greenwood, Indiana.
5.
La instrumentación de diapasones para determinar la presión como un cambio de frecuencia es adecuada y dichos transductores de presión miden la frecuencia natural con elementos piezoeléctricos. Dichos dispositivos pueden adquirirse en Yokogawa Corporation of America, Newman, GA.
6.
Dispositivos de fibra óptica en los que la intensidad de la luz reflejada la modifica un espejo metalizado deformable a presión. En el extremo de la fibra hay incluido un diafragma que tiene una superficie reflectora que actúa como reflector variable. El diafragma se flexiona ante la presión diferencial o por el movimiento de los materiales circundantes que se deforman como resultado de la presión dentro del conducto para el combustible y la presión dentro de la cámara de combustión. Esta flexión del diafragma cambia la cantidad de luz reflejada como una función del radio del diafragma y modifica la reflectancia espectral general de la luz respecto a la presión.
Durante el funcionamiento, el transductor 63 desarrolla una señal en respuesta a los aumentos de presión en el orificio 61 conforme el combustible pasa a la cámara de combustión. La detección y la caracterización de este flujo de combustible es un paso de diagnóstico importante para asegurar un suministro a tiempo preciso del combustible a la cámara de combustión y para optimizar el control del motor. Los eventos de la cámara de combustión incluyen la admisión, compresión, introducción del combustible de carga estratificada, encendido, combustión y expansión los controlan uno o más transductores de presión 62A, 63 y 65. Algunos motores es mejor controlarlos mediante un enfoque basado en el comportamiento como la Selección de Grupos Neuronales presentada por Wade O. Troxell en el acta "A Robotic Assembly Description Language Derived from Task-achieving Behaviors”, Manufacturing International '90. Atlanta, marzo de 1990; y por Tim Smithers y Chris Malookn en "Programming robotic assembly in terms of task achieving behavioral modules", Documento de Investigación del DIA nº 417, Universidad de Edimburgo, Departamento de Inteligencia Artificial, 1998; y por D.B. Kllielsoo, M. J. Pipho y J.L. Franklin en "Dynamic Optimization of Spark Advance and Air-Fuel Ratio for a Natural Gas Engine" Documento de la SAE 892142 en SP-798 Gaseous Fuels: Technology and Emissions, Sociedad de Ingenieros Automotrices, 1989. Estas referencias se han incorporado aquí. Los motores de alta velocidad que accionan las cortadoras de césped, las motocicletas y las herramientas manuales que se ven sometidos a rápidos cambios de velocidad y de carga son ejemplos de casos en los que sería deseable la optimización dinámica.
Las realizaciones de la invención también son beneficiosas en combinación con Técnicas de Control Adaptivo más tradicionales al proporcionar un análisis muy rápido de las operaciones y las tendencias. Esta información sobre la inyección de combustible y la cámara de combustión ofrece una imagen mucho más estrecha e instantánea del funcionamiento del motor que la instrumentación anterior. Con la información instantánea, tiene lugar la optimización del control adaptivo extremadamente rápida para los parámetros de inyección y encendido de combustible tales como el momento de suministro, presión y patrón de penetración. Estos parámetros pueden gestionarse con el controlador del motor para producir rendimientos muy altos del combustible y una cantidad mínima óxidos de nitrógeno mediante el encendido por plasma del combustible que entra en mezclas ricas en combustible seguido de la finalización de la combustión bajo condiciones de un gran exceso de aire cuyo resultado es que se reduce la temperatura máxima de combustión, se reducen los óxidos de nitrógeno y la finalización de la combustión en productos de combustión totalmente oxidados es más rápida. La aplicación de la invención con técnicas de control adaptivo es preferente en motores que operan durante largos períodos de tiempo con cambios relativamente lentos bajo condiciones de carga y de velocidad. Algunos ejemplos son las locomotoras, las embarcaciones y los aeroplanos en los que los motores funcionan con cambios relativamente lentos bajo condiciones de carga y donde puede haber dos o más motores acoplados a la misma carga y hay que sincronizar las velocidades. El flujo de combustible se compara con el flujo y los resultados de la combustión en otras cámaras de combustión y se varía para producir la presión media efectiva de frenado máxima para el menor consumo de combustible y las menores emisiones de contaminantes. Además de la optimización, las realizaciones de la invención proporcionan un control a prueba de fallos extremadamente rápido para evitar daños en el motor debidos a que la válvula de control del combustible se atasca quedándose abierta. Por ejemplo, si la válvula 48 u 82 se atasca abierta, la discrepancia en la presión del combustible en 61 se detectará inmediatamente y se caracterizará como un evento anormal y el controlador 370 parará el suministro de combustible o lo llevará a una presión reducida tal y como se muestra en la Figura 10 en una pequeña fracción del tiempo que necesitan los sistemas de control convencionales. El flujo del combustible en exceso se detectará antes de que otros instrumentos convencionales puedan detectar un cambio de velocidad en el cigüeñal. Esta es una característica de garantía de seguridad extremadamente importante.
En los sistemas de control convencionales para la inyección electrónica de combustible, una válvula de control del combustible atascada abierta de un motor de múltiples cilindros pasaría desapercibida al menos hasta que el cigüeñal o el árbol de levas cambien de velocidad y probablemente durante muchas revoluciones antes de ser detectada. En la presente invención se detectaría en la primera ocurrencia de presión del combustible anormal y el controlador podría determinar el curso de acción óptimo para lograr los deseos del operador para un mejor rendimiento y más seguro. En la siguiente cámara de combustión lista para la inyección de combustible, el encendido y la producción de potencia, tendrá lugar la acción correctiva.
La determinación de discrepancias tales como presión baja del combustible también se proporciona por las realizaciones de la presente invención. El bloqueo parcial de filtros de combustible individuales para cada realización 40 se puede compensar proporcionando tiempos de flujo de combustible más largos en tales cámaras de combustión. Este aspecto de la invención permite la compensación o corrección de subsistemas con un rendimiento parcial mucho antes de que un cambio de rendimiento del motor pueda ser detectado según los métodos convencionales. Mediante la inyección directa de combustible en cada cámara de combustión el funcionamiento correctivo y el mantenimiento de la velocidad deseada del motor y la producción del par se pueden lograr mucho más rápidamente que con los métodos anteriores de gestión del combustible en los que se preparan mezclas homogéneas de aire/combustible en el sistema de admisión del motor.
Como se muestra en las Figuras 7 y 8, el agua es recuperada de la corriente de escape de un motor de combustión. Esta agua se puede electrolizar para producir hidrógeno. Puede utilizarse cualquier electrolizador adecuado incluyendo los tipos que permiten la producción de mezclas de hidrógeno y oxígeno. Un resumen de la tecnología de la electrolisis puede encontrarse en el artículo "Intermediate Temperature Water Vapor Electrolysis" de M. Schriber,
G. Lucier, J.A. Ferrante y R.A. Muggins, Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 16, Nº. 6, págs. 373-378, 1991. Para los vehículos que necesitan un rendimiento máximo del motor mediante la utilización de la mayor cantidad de energía de escape posible durante la turbocarga, el electrolizador preferente es el presentado por J.F. McElroy en "SPE Regenerative Fuel Cells For Space and Marine Applications", págs. 282-285, Seminario de Pilas Combustibles, noviembre de 1990. Para reducir los requisitos de energía eléctrica mediante la recuperación del calor residual, es preferible la utilización de la realización mostrada en la Figura 10.
Los óxidos de nitrógeno se reducen enormemente mediante la utilización de la instrumentación descrita y el sistema de control adaptivo de las Figuras 9 y 10 para controlar la combustión rápida en las zonas ricas en combustible dentro de los recintos con un exceso de aire bajo unas velocidades de entrada de combustible controladas y unas relaciones locales de aire- combustible que mantienen las temperaturas de combustión máximas por debajo de
2.204 °C (4.000 °F). El control de la velocidad de admisión de combustible y del momento de encendido puede limitar las temperaturas máximas a 2.204 °C] (4.000 °F) y evitar la formación de compuestos de nitrógeno y oxígeno tales como NO. La invención hace que resulte posible correlacionar las características de la subida de la presión de combustión según lo detectado por unos sensores que transportan la radiación de la cámara de combustión a un fotodetector adecuado 53. Tal y como se muestra, un material conductor de luz como el cuarzo, vidrio o zafiro en forma de fibra o de manguito coaxial 55 transporta las emisiones de luz de la combustión al sensor fotoelectrónico 53 para controlar la combustión como una función de las características del combustible, de la presión de suministro, la velocidad de suministro de combustible, el momento de la inyección y el momento del encendido. Esta información puede utilizarse como parámetro de control individual o junto con otros sensores previamente presentados incluyendo los elementos 62A, 63, 65, 67 y 69.
Con el controlador 370 como se muestra en la Figura 10 puede evitarse que la temperatura de combustión supere los 2.204 °C] (4.000 °F) utilizando la información de uno o más de los sensores 62A, 65, 53 y/o 55 de la realización de la Figura 9. En motores de alto rendimiento es suficiente determinar los parámetros de funcionamiento de cada selección de combustible en motores particulares a través de una prueba dinamométrica de las características de potencia y emisiones y el desarrollo de una curva segura de parámetros de funcionamiento que incluya la información de 62A, 63 ó 65 que se compara con los valores de la memoria del controlador electrónico como un mapa al que ya se ha hecho referencia como Mapa A, Mapa B, etcétera.
El quemado en base a una carga estratificada del aire en exceso total bajo condiciones de temperatura limitada elimina prácticamente la producción de óxidos de nitrógeno. Los motores que hacen uso de la presente invención se pueden optimizar para minimizar los óxidos de nitrógeno al tiempo que se consigue el máximo ahorro posible. El ajuste del momento de iniciación de la inyección de combustible, del caudal de combustible y del momento de encendido respecto a las características de combustión del combustible, la relación de compresión, la geometría y las dimensiones de la cámara de combustión permite la obtención de resultados óptimos tales como la cantidad mínima de óxidos de nitrógeno, potencia máxima, ahorro máximo de combustible y mínimo ruido de funcionamiento. La información de la temperatura de combustión resultante, de la velocidad del pistón, del aumento de presión y de la presencia de óxidos de nitrógeno en el escape permite la realización de controles adaptivos para controlar de manera precisa el motor. Entre los sensores fotoelectrónicos adecuados 53 para determinar la temperatura de la cámara de combustión cabe incluir los semiconductores accionados por luz como los fotodiodos, fototransistores y fotorresistores. Es el período que el electrolizador tarda en recalentarse y el acumulador en cargarse a la presión de diseño para estar listos para al menos arrancar y calentar el motor basado en hidrógeno antes de introducir un combustible que contenga carbono. Este modo de funcionamiento reduce las emisiones de escape no deseadas en hasta un 50%. Para muchos motoristas que tienen que realizar muchas paradas y arranques, el vehículo podría ser accionado con hidrógeno sin el uso de combustibles fósiles. Este modo de funcionamiento reduce las emisiones no deseadas en casi un 100%.
Es preferible accionar el motor de combustión con el turbocargador de condensación de agua especial mostrado que consiste en un compresor 302, un eje de transmisión 324, un turbomotor 326, un estator 328 y un turbomotor 330. El agua condensada es recogida en un separador centrífugo 332 y enviada al depósito 331 tal y como se muestra. Los gases de escape pasan alrededor del electrolizador 304 siguiendo una trayectoria helicoidal tal y como se muestra en la sección en 334, 336, 338, 340 y 342. Esto proporciona calor al electrolizador 304 y ayuda en el aislamiento
304. El aislamiento final (no mostrado) se coloca fuera del conjunto para conservar el calor. Lo mejor es utilizar un sistema de aislamiento con camisa al vacío como el venerado termo. Los gases de escape entran en la atmósfera a través de 376 tal y como se muestra. Se prevé que en ciertas aplicaciones, las realizaciones de las Figuras 9 y 10 se utilizarán junto con las realizaciones de las Figuras 7 u 8. La presente invención ayuda a prácticamente cualquier tipo de combustible mediante un rendimiento mejorado de la combustión. Las realizaciones de las Figuras 2-10 pueden utilizarse de forma independiente o junto con equipos de medición de combustible estándares tales como carburadores, inyectores del cuerpo del estrangulador e inyectores de los puertos. En este caso, es preferible generalmente operar bajo condiciones de “mezcla pobre” que son demasiado pobres para un encendido por chispa.
Aunque normalmente es preferible quemar todo el combustible de forma estratificada, se ha descubierto que el uso del hidrógeno producido mediante las realizaciones de las Figuras 4-10 y suministrado mediante la realización de la Figura 9 mejora enormemente el rendimiento de la combustión y los índices de potencia de los combustibles de hidrocarburos tradicionales más inertes suministrados por los sistemas estándar. Este proceso de caracterización de la combustión de combustibles convencionales más inertes mediante el efecto de inyector de encendido de hidrógeno es valioso incluso a un suministro de calor del hidrógeno de un 2 por ciento o menos. La utilización de hidrógeno para estimular la combustión de los combustibles de hidrocarburos permite una mezcla más pobre de los combustibles que podrían encenderse con bujías convencionales y aumenta la velocidad de los procesos de craqueo molecular en los que los hidrocarburos grandes se rompen en pequeños fragmentos. La aceleración de la producción de fragmentos moleculares más pequeños es beneficiosa para aumentar la relación de superficie a volumen y la exposición subsiguiente al oxígeno para la finalización del proceso de combustión. Mejoras parecidas a las mostradas en la Tabla 1 para mezclas de metano e hidrógeno son posibles cuando el hidrógeno se utiliza como un estimulador de la combustión con otros hidrocarburos como el metanol, etanol, gasolina y combustible diesel. Esto es especialmente conveniente bajo condiciones de mezcla pobre. Es preferible el uso de hidrógeno al 100% en los arranques en frío, marcha al ralentí y en ciudades contaminadas y el uso de combustible-motor o de combustibles fósiles con una mayor cantidad de hidrógeno en caso necesario para un margen mayor.
El hidrógeno se quema en el aire en exceso para producir vapor de agua y cantidades muy limitadas de NOx dependiendo de la temperatura máxima de combustión en función del control realizado por el objetivo de optimización del controlador 370. Cuando se utiliza hidrógeno como sustituto de prácticamente cualquier porción de gasolina y de combustible diesel pueden obtenerse reducciones valiosas de las emisiones de NOx, CO2, CO, HCx y SO2 y de partículas. En las Tablas 1 y 2 se muestran comparaciones de emisiones de vehículo utilizando la invención con varios porcentajes de hidrógeno y otros combustibles, se muestra que cantidades relativamente pequeñas de hidrógeno pueden reducir enormemente las emisiones de escape de contaminantes atmosféricos y
alcanzar unos límites estrictos de emisiones de escape. Tal y como se muestra en la Tabla 1, las condiciones de escape limpias pueden cumplirse en último término aumentando el porcentaje de hidrógeno o de combustible-motor. Se fomenta el uso de hidrógeno como combustible de arranque en frío y piloto para metano de vertederos, gas natural y gas cloacal. Las prácticas de eliminación de residuos convencionales con las que se liberan grandes volúmenes de gases de invernadero nocivos tales como metano y dióxido de carbono pueden ser sustituidas por procesos que recojan hidrógeno y metano renovables de las plantas de tratamiento de vertederos y de aguas cloacales para su uso en aplicaciones de cogeneración y de transporte. Las costosas prácticas de eliminación de residuos que contaminan el ambiente pueden convertirse en centros rentables mediante la recogida de hidrógeno y metano renovables de mezcla pobre y su comercialización como combustibles renovables que pueden sustituir a los combustibles diesel y de gasolina.
De este modo se comprenderá que los objetivos de esta invención se han conseguido en su totalidad y de manera eficaz. Se apreciará, no obstante que la realización específica preferente anterior ha sido mostrada y descrita con objeto de ilustrar los principios funcionales y estructurales de esta invención y puede verse sometida a modificaciones sin alejarse de dichos principios. Por lo tanto, esta invención incluye todas las modificaciones contempladas dentro del ámbito de las reivindicaciones siguientes.
TABLA 1: RESUMEN DE LAS PRUEBAS DE EMISIONES
PRUEBA O NORMA EMISIONES, GRAMOS POR MILLA
RHC1 CO NOx 5% HIDRÓGENO, 95% METANO2 0,06 1,6 0,3850% HIDRÓGENO, 50% METANO2 0,03 0,4 0,23100% HIDRÓGENO2 0,00 0,0 0,18 TLEV DE CALIFORNIA3 0,125 3,4 0,4 LEV DE CALIFORNIA4 0,075 3,4 0,2 ULEV DE CALIFORNIA5 0,040 1,7 0,2
NOTAS:
1.
RHC s= Hidrocarburos reactivos
2.
% de hidrógeno inyectado a través de un inyector por chispa 40
3.
Vehículo Transicional de Bajas Emisiones (GARB)
4.
Vehículo de Bajas Emisiones (CARB) 5, Vehículo de Emisiones Ultra Bajas (CARS) *GARB – Junta de Recursos del Aire de California
TABLA 2: CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIÓN DE LOS COMBUSTIBLES
COMBUSTIBL E
LÍMITE DE LLAMA INFERIOR LÍMITE DE LLAMA SUPERIO R LIBERACIÓN DE CALOR INFERIOR (BTUpielibra) LIBERACIÓN DE CALOR SUPERIOR (BTU/libra) RELACIÓN AIRE-COMBUSTI BLE VELOCIDA D DE LA LLAMA* (Pies/Seg.)
HIDRÓGENO
4% en VOL. 75% en VOL. 51.593 61.031 34,5 LBS/LB 30.200
MONÓXIDO DE CARBONO
12 74,2 4.347 4.347 2,86
METANO
53 15 21.518 23.890 17,21 4,025
ETANO
3 12,5 20.432 22.100 16,14 4.040
PROPANO
2,1 9,4 19,944 21.670 15,65 4.050
BUTANO
1,8 8,4 19.679 21.316 15,44 4.060
BENCENO
1,4 7,1 17.466 18.188 13,26 4.150
METANOL
6,7 36,5 7.658 9.758 6,46 3.900
ETANOL
3,2 19 9.620 12.770 8,99 4.030
OCTANO
19.029 20.529 15,11 4.280
HEXANO
1,18 7,4 4.200
GASOLINA
1,0 7,6 18.900 20.380 14,9 4.010
*A presión atmosférica
TABLA 3; PRODUCCIÓN DE COMBUSTIBLE-MOTOR
REACTIVOS MATERIAS PRIMAS COMBUSTIBLE-MOTOR
Metanol-Etanol: CH3OH + C2H5OH + H2O -SCO + 6H2 -Ecuación 1
Metanol-Alcohol alílico: CH3OH + C3H5OH + 2H2O - 4CO + 7H2 -Ecuación 2
Metanol-Propanol: CH3OH + CaH7OH + 2H2O -4CO + 8H2 -Ecuación 3
Metanol-Butanol: CH3OH + C4H9OH + 3H2O -5CO + 10H2 -Ecuación 4
Etanol-Alcohol amílico C2H5OH +CsH11OH +5H2O -7CO + 14H2 -Ecuación 5
Metanol-Fenol[2]: CH3OH + C6H6 O + 5H2O -7CO + 10H2 -Ecuación 6
Etanol 72°: C2H5OH + H2 O -2CO + 4H2 -Ecuación 7
Metanol “negro” (65°): C + H2O + CH3OH -2CO + 3H2 -Ecuación 8
Metano-Vapor: CH4 + H2O -CO + 3H2 -Ecuación 9
Gasolina-Metanol CgH16 + CH3OH + 8H2O -9CO+ 19H2 -
húmedo(3): Ecuación 10
Diesel-Metanol húmedo: C9H20 + CH3OH + 9H2O -10CO + 21H2 -Ecuación 11
Ácido cianoacético[4] C3H3N O 2 + H2 O -3CO + 2.5H2 + .5N2 -Ecuación 12
Amoniaco 2NH3 -N2 + 3H2 -Ecuación 13
Hidróxido amónico[5] 2NH4OH -N2+3H2 + 2H2O -Ecuación 14
NOTAS:
1. La Ecuación 1 ilustra la oportunidad de utilizar mayores cantidades de alcohol de biomasa como metanol de la
destilación destructiva de materiales lignocelulósicos y de la fermentación de almidones. Puede quedar bastante 5 agua en los alcoholes crudos para reducir los costes de refinado.
2.
Típico de la variedad de compuestos en combustibles de biomasa y de alquitrán de hulla parcialmente refinados.
3.
"Gasolina" típica de una mezcla de componentes tales como undecano, decano, nonano, octano, heptano, hexano, pentano, benceno, tolueno y (ocasionalmente) alcoholes combustibles.
4.
Típico de la variedad de compuestos cianocarbonos y cioanoorgánicos.
10 5. Típico de la variedad de compuestos de amonio. Tabla 4: sistemas catalíticos materiales
Mat. BASE
Mat. CAT. Ag* Cu* Zn* Sn* Si* Mg* Cd* AT T.S. PSI Y.S. PSI ELG. % °F fusión
-
Lámina de aleación - 95% 5% - - - - - 30000 10000 40
-
Lámina de aleación - 80% 20% - - - - - 38000 12000 52
-
Lámina de aleación - 70% 30% - - - - - 40000 11000 65
-
Lámina de aleación - 70% 28% 2% - - - - 53000 22000 83
-
Lámina de aleación - 60% 35% 1 % 1% - - 3% 58000 25000 45
Fe*2
Revestimie nto por inmersión en caliente - 57% 42% 1% - - - - - - - 1640
Cu*3
Revestimie nto por inmersión en caliente 45% 15% 16% - - - 24% - - - - 1135
A»*«
Revestimie nto por inmersión en caliente 3% 6% - 5% 60% - 25% - - - 940
Fe
Revestimie nto por inmersión en caliente 7% 48% 38% 1% 1% 1% 2% 2% 1485
Fe*1Fe
Revestimie nto por inmersión en caliente Revestimie nto por inmersión en caliente 10% 60% 22% 25% 48% 1% 27% 2% 1205 1120
NOTAS: * = Composición de los catalizadores*1 = Más 5% de fósforo *2 = Fe = Aceros de aleación pobre y de acero inoxidable *3 = Cu = Incluidas las aleaciones de latón, bronce y monel *4 = Al = Aleaciones de aluminio El procesamiento de revestimientos por inmersión en caliente puede requerir atmósferas inertes, de vacío o de horno de hidrógeno El procesamiento de revestimientos por inmersión en caliente puede requerir atmósferas inertes, de vacío o de horno de hidrógeno

Claims (13)

  1. REIVINDICACIONES
    1.
    Un dispositivo combinado de inyección de combustible y de encendido por chispa (40) adaptado para ser recibido en una abertura a una cámara de combustión de un motor de pistones de combustión interna para la inyección de combustible en dicha cámara, en donde dicho dispositivo comprende un conducto de paso a través del cual puede pasar el combustible para entrar en dicha cámara, dicho conducto de paso incluye unos elementos de válvula de resorte de solenoide accionada electromagnéticamente (48) para controlar el flujo de combustible a su través y que termina en una boquilla eléctricamente conductora (70) asociada a una válvula de resorte elástica que comprende un elemento móvil (88) conformado para suministrar el combustible inyectado a la cámara de combustión y dicho dispositivo incluye además unos puntos de chispa (82, 84), entre los cuales puede desarrollarse un plasma de chispa, para efectuar un encendido por chispa de dicho combustible sustancialmente en el lugar de su inyección en dicha cámara, en donde uno de los puntos de chispa (82) comprende parte del elemento móvil (88).
  2. 2.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en la reivindicación 1, en donde los otros puntos de chispa (84) están formados sobre una faldilla de electrodo (84) del dispositivo (40).
  3. 3.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en la reivindicación 2, en donde la faldilla de electrodo (84) forma parte de un componente roscado (86) que forma una junta de estanqueidad en la cámara de combustión.
  4. 4.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde dicha boquilla (70) y el elemento móvil asociado (88) han sido diseñados para dirigir dicho combustible hacia la corona del pistón de dicho cilindro cuando el pistón está en el punto muerto casi superior.
  5. 5.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde los puntos de chipas (82, 84) están adaptados para proporcionar chispas de encendido que se extienden prácticamente radialmente.
  6. 6.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde dicho elemento móvil (88) incluye una geometría cónica convexa o esférica que se asienta en un asiento de la válvula cónico cóncavo o esférico (90) de dicha boquilla (70).
  7. 7.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes que además incluye unos elementos (65, 66, 69) para detectar información relativa a uno o más de entre la admisión, compresión, presión del combustible, período de flujo del combustible, encendido, combustión, expansión, escape, ubicación del pistón y temperatura.
  8. 8.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en la reivindicación 7 en donde dichos elementos (65, 66, 69) para detectar la información comprenden un transductor piezoeléctrico, de fibra óptica o capacitivo.
  9. 9.
    Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde dicha abertura de la cámara de combustión es la abertura para la bujía de un motor de gasolina o la abertura del inyector de combustible de un motor diesel.
  10. 10.
    Un motor de combustión interna (100) que tiene al menos una cámara de combustión que incluye un dispositivo de inyección de combustible y de encendido por chipas (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
  11. 11.
    Un motor conforme a lo reivindicado en la reivindicación 10 adaptado para funcionar de modo que se generen chispas de encendido durante todo el período de inyección de combustible en la cámara de combustión.
  12. 12.
    Un motor conforme a lo reivindicado en la reivindicación 10 o en la reivindicación 11 en donde el dispositivo de inyección de combustible y de encendido por chispa es como lo definido en la reivindicación 7 o en la reivindicación 8 y el motor incluye un controlador adaptable para ajustar el funcionamiento del motor en respuesta a la información detectada para optimizar uno o más de entre el rendimiento térmico, la producción de potencia, la suavidad del motor, el control de la temperatura de combustión y la minimización de la formación de óxidos de nitrógeno.
  13. 13.
    Un motor conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12 en donde la admisión de aire no está estrangulada.
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