ES2882726T3 - Motor rotativo y método de combustionar combustible - Google Patents

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ES2882726T3 ES18199360T ES18199360T ES2882726T3 ES 2882726 T3 ES2882726 T3 ES 2882726T3 ES 18199360 T ES18199360 T ES 18199360T ES 18199360 T ES18199360 T ES 18199360T ES 2882726 T3 ES2882726 T3 ES 2882726T3
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Jean Thomassin
Andre Julien
Serge Dussault
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Abstract

Un método de combustionar combustible (14) en un motor (12) rotativo, comprendiendo el método: inyectar una cantidad principal del combustible (14), opcionalmente combustible pesado, directamente en una cámara (40) de combustión del motor (12) rotativo para formar una primera mezcla de combustible-aire dentro de la cámara (40) de combustión, teniendo la primera mezcla de combustible-aire una primera relación de equivalencia de aire-combustible A superior a 1; inyectar una cantidad piloto del combustible (14) en una subcámara (64) piloto para formar una segunda mezcla de combustible-aire dentro de la subcámara (64) piloto, teniendo la segunda mezcla de combustible-aire una segunda relación de equivalencia de aire-combustible A menor que la primera relación de equivalencia de aire- combustible; encender la segunda mezcla de combustible-aire dentro de la subcámara (64) piloto; usar la segunda mezcla de combustible-aire encendida de la subcámara (64) piloto para encender la primera mezcla de combustible-aire; y después de encender la primera mezcla de combustible-aire, inyectar una cantidad suplementaria del combustible directamente en la cámara (40) de combustión, inyectando la cantidad suplementaria aguas arriba de un puerto (50) de escape del motor (12) rotativo con respecto a un sentido de rotación (R) de un rotor (34).

Description

DESCRIPCIÓN
Motor rotativo y método de combustionar combustible
Campo técnico
Esta solicitud se refiere en general a motores rotativos de combustión interna, más particularmente la combustión en dichos motores.
Antecedentes de la técnica
Los motores rotativos que queman gasolina son generalmente ineficientes en condiciones de mezcla pobre; la ignición por chispa requiere típicamente una mezcla homogénea de combustible y aire cerca de las condiciones estequiométricas para tener suficiente estabilidad de combustión. Normalmente, el combustible y el aire se premezclan antes de inyectarse en las cámaras de combustión.
También se conoce el uso de motores rotativos con combustible pesado. Se puede utilizar una subcámara piloto para la inyección piloto, lo que puede permitir el uso de una mezcla pobre de combustible y aire en las cámaras de combustión. Sin embargo, la potencia de salida de tales motores puede estar limitada por la presión de pico máxima permitida para la configuración particular del motor.
El documento US 9 528 434 B1 describe un motor rotativo de combustión interna de la técnica anterior con una subcámara piloto.
Compendio
En un aspecto, se proporciona un método de combustionar de combustible en un motor rotativo como se define en la reivindicación 1.
En un aspecto, se proporciona un motor rotativo como se define en la reivindicación 12.
En un aspecto, se proporciona un conjunto de motor compuesto como se define en la reivindicación 16.
Las características de las realizaciones de la invención se exponen en las reivindicaciones dependientes.
Descripción de los dibujos
Ahora se hace referencia a las figuras adjuntas en las que:
La Fig. 1 es una vista esquemática en sección transversal de un conjunto de motor de acuerdo con una realización particular;
la Fig. 2 es una vista esquemática en sección transversal de un motor rotativo que se puede usar en el conjunto de motor de la Fig. 1, de acuerdo con una realización particular;
La Fig. 3 es un diagrama de temperatura-entropía de un ciclo del motor de la Fig. 2 que muestra variaciones en el ciclo provocadas por diferentes ubicaciones de los inyectores de "combustión intermedia", de acuerdo con una realización particular; y
La Fig. 4 es un diagrama de un coeficiente de variación de la presión efectiva media indicada COVimep en función de la relación de equivalencia de combustible-aire 9 para el motor de la Fig. 2 con y sin la cantidad suplementaria de combustible proporcionada por el inyector combustible de combustión intermedia, de acuerdo con una realización particular.
Descripción detallada
La Fig. 1 ilustra un conjunto 10 de motor compuesto de acuerdo con una realización particular, que puede configurarse, por ejemplo, como un motor turbohélice, un motor turboárbol, un motor turboventilador o una unidad de potencia auxiliar (en inglés, Auxiliary Power Unit, APU). El conjunto 10 de motor incluye generalmente un compresor 20, un motor 12 de combustión interna intermitente configurado, por ejemplo, como un motor de combustión intermitente rotativo de múltiples rotores de combustible pesado y refrigerado por líquido, y una sección 18 de turbina que incluye una o más turbinas.
La salida del compresor 20 está en comunicación fluida con la entrada del motor 12; aunque no se muestra, tal comunicación se puede realizar a través de un refrigerador intermedio para reducir la temperatura del aire comprimido antes de que el aire comprimido entre en el motor 12. En una realización mostrada, el compresor 20 incluye álabes 23 de guía de entrada variable a través de los que circula el aire antes de alcanzar el o los rotores de compresor 20. El compresor 20 puede ser un dispositivo de una sola etapa o un dispositivo de múltiples etapas y puede incluir uno o más rotores que tienen palas de flujo radial, axial o mixto.
Una fuente de combustible 14 está en comunicación fluida con los inyectores 68, 74, 86 de combustible (descritos más adelante) del motor 12. En una realización particular, la fuente de combustible 14 es una fuente de combustible pesado, por ejemplo, diésel, queroseno, combustible para aviones, biocombustible equivalente; se pueden usar alternativamente otros tipos adecuados de combustible, que incluyen, pero no se limitan a, "combustible ligero" como gasolina y nafta. En el motor 12, el aire comprimido se mezcla con el combustible y se combustiona para proporcionar potencia y una cantidad residual de gas de escape. El motor 12 acciona un árbol 16 de motor y proporciona un flujo de escape en forma de pulsos de escape de gas caliente a alta presión que sale a velocidad de pico elevada. La salida del de motor 12 está en comunicación fluida con la entrada de la sección 18 de turbina y, por consiguiente, el flujo de escape del motor 12 se suministra a la o las turbinas de la sección 18 de turbina.
La sección 18 de turbina incluye al menos un rotor de turbina acoplado en un árbol 19 de turbina. En una realización particular, la sección 18 de turbina incluye una turbina 22 de primera etapa que recibe el escape del motor 12, y una turbina 24 de segunda etapa que recibe el escape de la turbina 22 de primera etapa; cada turbina 22, 24 puede ser un dispositivo de una sola etapa o un dispositivo de múltiples etapas y puede incluir uno o más rotores que tienen palas de flujo radial, axial o mixto. En una realización particular, las turbinas 22, 24 tienen diferentes relaciones de reacción entre sí. En una realización particular, la turbina 22 de primera etapa está configurada para aprovechar la energía cinética del flujo pulsante que sale del motor 12 mientras estabiliza el flujo y la turbina 24 de segunda etapa está configurada para extraer energía de la presión restante en el flujo. En consecuencia, en una realización particular la relación de reacción de la turbina 22 de primera etapa es inferior a la relación de reacción de la turbina 24 de segunda etapa. También son posibles otras configuraciones.
La potencia del motor 12 y las turbinas 22, 24 se compone para accionar una carga 8 rotatoria, por ejemplo a través de una caja de cambios 26 que define un acoplamiento de accionamiento entre el árbol 16 de motor, el árbol 19 de turbina y la carga 8 rotatoria. La carga 8 rotatoria puede ser cualquier tipo adecuado de carga, incluidos, entre otros, uno o más generadores, hélices, mástiles de rotor de helicópteros, ventiladores, compresores o cualquier otro tipo apropiado de carga o combinación de los mismos. Se entiende que la potencia del árbol 16 de motor y el árbol 19 de turbina pueden componerse usando cualquier otro tipo de acoplamiento adecuado, incluyendo, pero no limitado a, hacer que cada árbol se acople a un motor eléctrico/generadores respectivo siendo la potencia transferible entre los motores eléctricos/generadores (composición eléctrica).
En la realización mostrada, el compresor 20 es accionado por la sección 18 de turbina, al tener el o los rotores del compresor 20 acoplados directamente al árbol 19 de turbina. Alternativamente, el o los rotores del compresor 20 pueden estar conectados a un árbol separado accionado por el árbol 19 de turbina y/o el árbol 16 de motor, por ejemplo a través de la caja de cambios 26 o mediante una caja de cambios separada.
Se entiende que el conjunto 10 de motor que se muestra se proporciona solo como un ejemplo, y que el conjunto 10 de motor puede tener cualquier otra configuración adecuada, que incluye, pero no se limita a, la configuración del sistema de motor de ciclo compuesto o motor de ciclo compuesto tal como descrito en la patente de EE. UU. n.° 7,753,036 de Lents et al. emitida el 13 de julio de 2010, o como se describe en la patente de EE. UU. n.° 7,775,044 de Julien et al. emitida el 17 de agosto de 2010, o tal como se describe en la publicación de patente de EE. UU. n.° 2015/0275749 de Thomassin et al., publicado el 1 de octubre de 2015, o tal como se describe en la publicación de patente de EE. UU. n.° 2015/0275756 de Bolduc et al. EE.UU. publicado el 1 de octubre de 2015. Por ejemplo, el conjunto 10 de motor compuesto puede configurarse como un conjunto de motor de un solo árbol. El conjunto 10 de motor de compuesto se puede usar como motor primario, como, por ejemplo, en un avión u otro vehículo, o en cualquier otra aplicación adecuada.
Además, se entiende que el conjunto 10 de motor puede tener otras configuraciones distintas a la de un conjunto de motor compuesto. Por ejemplo, la sección 18 de turbina puede omitirse o puede rotar independientemente del motor 12 de combustión interna. El compresor 20 puede omitirse. Por ejemplo, el motor 12 de combustión interna puede tener su entrada y salida en comunicación directa con el aire ambiente, es decir, ser utilizado sin estar conectado de forma fluida a un compresor y una turbina.
En la realización mostrada, el motor 12 es un motor rotativo de combustión interna intermitente que incluye dos o más conjuntos 11 de rotor acoplados de forma motriz al árbol 16 de motor. En otra realización, el motor 12 incluye un único conjunto 11 de rotor. En una realización particular, el o los rotores están configurados como motores Wankel.
Con referencia a la Fig. 2, se muestra un ejemplo de un motor Wankel que puede definir un conjunto 11 de rotor del motor 12. Se entiende que la configuración del conjunto 11 de rotor, por ejemplo, la colocación de los puertos, el número y la colocación de las juntas herméticas, número de partes de ápice, cámaras de combustión, etc., puede variar con respecto a la realización mostrada.
El conjunto 11 de rotor que comprende una carcasa 32 que define una cavidad que tiene un perfil que define dos lóbulos, que es preferiblemente un epitrocoide. Dentro de la cavidad interna se recibe un rotor 34. El rotor 34 en esta realización define tres partes 36 de ápice separadas circunferencialmente y un perfil generalmente triangular con lados arqueados hacia fuera. Las partes 36 de ápice están en acoplamiento hermético con la superficie interior de una pared 38 periférica de la carcasa 32 para formar y separar tres cámaras 40 de combustión de volumen variable entre el rotor 34 y la carcasa 32. La pared 38 periférica se extiende entre dos paredes 54 de extremo separadas axialmente para encerrar la cavidad de rotor.
El rotor 34 esta acoplado de forma motriz con el árbol 16 de moto, al estar acoplado a la parte 42 excéntrica del árbol 16 de motor para realizar revoluciones orbitales dentro de la cavidad interna. El árbol 16 de motor realiza tres rotaciones por cada revolución orbital del rotor 34. El eje 44 geométrico del rotor 34 (y de la parte 42 excéntrica) está desplazado y está en paralelo al eje 46 central de la carcasa 32 (y del árbol 16). Durante cada rotación del rotor 34, cada cámara 40 de combustión varía en volumen y se mueve alrededor de la cavidad interna de rotor para someterse a las cuatro fases de admisión, compresión, expansión y escape.
Para un funcionamiento eficiente, las cámaras 40 de combustión se cierran herméticamente por medio de juntas herméticas 56 periféricas o de ápice accionadas por resorte que se extienden desde el rotor 34 para acoplarse con la superficie interior de la pared 38 periférica, y juntas herméticas 58 de cara o de gas accionadas por resorte y juntas herméticas 60 de extremo o esquina que se extienden desde el rotor 34 para acoplarse con la superficie interior de las paredes 54 de extremo. El rotor 34 también incluye al menos un anillo 62 de junta hermética de aceite accionado por resorte, solicitado contra la superficie interior de la pared 54 de extremo alrededor del cojinete para el rotor 34 en la parte 42 excéntrica de árbol.
Un puerto 48 de admisión se define a través de la carcasa 32, por ejemplo, a través de la pared 38 periférica. El puerto 48 de admisión está en comunicación fluida con cada una de las cámaras 40 de combustión de una forma sucesiva, para admitir aire (en la realización de la Fig. 1, aire comprimido del compresor 20) en cada una de las cámaras 40 de combustión una tras otra. El o los puertos 48 de admisión de el o los conjuntos 11 de rotor definen conjuntamente la entrada del motor 12. También se proporciona un puerto 50 de escape a través de la carcasa 32, por ejemplo a través de la pared 38 periférica. El puerto 50 de escape está en comunicación fluida con cada una de las cámaras 40 de combustión de forma sucesiva, para la descarga de los gases de escape de cada una de las cámaras 40 de combustión una tras otra (que en la realización de la Fig. 1 se hace circular luego a la sección 18 de turbina). El o los puertos 50 de escape de el o los conjuntos 11 de rotor definen de forma conjunta el escape del motor 12. De manera alternativa, se pueden proporcionar el puerto 48 de admisión y el puerto 50 de escape a través de la pared 54 de extremo o lateral de la carcasa 32.
La relación de expansión volumétrica efectiva de una cámara 40 de combustión se puede definir como la relación entre el volumen de trabajo máximo durante la parte de la fase de expansión donde la cámara 40 de combustión no se comunica con el puerto 50 de escape, y el volumen de trabajo mínimo durante la fase de expansión. La relación de compresión volumétrica efectiva de una cámara 40 de combustión se puede definir como la relación entre el volumen de trabajo máximo durante la parte de la fase de compresión donde la cámara 40 de combustión no se comunica con el puerto 48 de admisión, y el volumen de trabajo mínimo durante la fase de compresión. En una realización particular, las cámaras 40 de combustión tienen todas la misma relación de compresión volumétrica efectiva, que se considera la relación de compresión volumétrica efectiva del motor 12, y las cámaras 40 de combustión tienen todas la misma relación de expansión volumétrica efectiva, que se considera la relación de expansión volumétrica efectiva del motor 12. En una realización particular, el motor 12 opera bajo el ciclo Miller, es decir, con una relación de compresión volumétrica efectiva menor que su relación de expansión volumétrica efectiva. Esto se puede obtener, por ejemplo, colocando el puerto 48 de admisión para que esté más cerca del punto muerto superior (en inglés, Top Dead Center, TDC) que el puerto 50 de escape para reducir la relación de compresión volumétrica efectiva. Alternativamente, las relaciones de expansión y compresión volumétricas efectivas del motor 12 pueden ser similares o iguales entre sí.
El conjunto 11 de rotor incluye una subcámara 64 piloto en comunicación fluida con la cavidad interna de la carcasa 32, para estar en comunicación fluida con cada una de las cámaras 40 de combustión de forma sucesiva. En la realización mostrada, la subcámara 64 piloto tiene una sección transversal circular; también son posibles formas alternativas. La subcámara 64 piloto se comunica con la cavidad interna a través de al menos una abertura 66 definida a través de la pared 38 periférica (como se muestra) o a través de la pared 54 de extremo. La subcámara 64 piloto tiene una forma que define una sección transversal reducida adyacente a la o las aberturas, de tal manera que la o las aberturas 66 definen una restricción al flujo entre la subcámara 64 piloto y la cavidad interna. La o las aberturas 66 pueden tener cualquier forma y configuración adecuadas.
La subcámara 64 piloto puede definirse en un inserto hecho de un material que tiene una mayor resistencia al calor que la de la pared 38 periférica y la pared 54 de extremo; en una realización particular, la pared 38 periférica y la pared 54 de extremo están hechas de aluminio. Se proporcionan ejemplos no limitantes de tales insertos en la Patente de EE. UU. n.° 9,038,594.
Un inyector 68 de combustible principal está en comunicación fluida directa con cada una de las cámaras 40 de combustión de forma sucesiva, para inyectar una cantidad principal de combustible en cada una de las cámaras 40 de combustión una tras otra. El inyector 68 de combustible principal está ubicado aguas abajo del puerto 48 de admisión y aguas arriba de la subcámara 64 piloto con respecto al sentido de rotación R del rotor 34. El inyector 68 de combustible principal es un inyector de combustible directo, es decir, se comunica directamente con la cavidad interna. Una abertura 70 de inyector principal se define a través de la pared 38 periférica (como se muestra) o la pared 54 de extremo, y se extiende a través de la superficie interior de la cavidad interna. El inyector 68 de combustible principal se recibe en la abertura 70 de inyector principal con su punta 72 adyacente a la cavidad interna. En una realización particular, la abertura 70 de inyector principal está configurada para evitar interferir (por ejemplo, restringir) el flujo de combustible desde el inyector 68 de combustible principal a la cavidad interna.
Un inyector 74 de combustible piloto está en comunicación fluida con la subcámara 64 piloto, para inyectar una cantidad piloto de combustible en la subcámara 64 piloto para cada evento de combustión de las cámaras 40 de combustión. El inyector 74 de combustible piloto se comunica directamente con la subcámara 64 piloto, por ejemplo al ser recibido dentro de una abertura 76 de inyector piloto correspondiente que se extiende a través de la pared 38 periférica (como se muestra) o la pared 54 de extremo y que se comunica con la subcámara 64 piloto, y que tiene la punta 78 de inyector piloto recibida dentro de la subcámara 64 piloto o ubicada adyacente a la subcámara 64 piloto (como se muestra). El inyector 74 de combustible piloto también está en comunicación fluida con las cámaras 40 de combustión a través de la subcámara 64 piloto y la o las aberturas 66 que definen la comunicación entre la subcámara 64 piloto y la cavidad interna.
Una fuente 80 de ignición está en una relación de intercambio de calor con la subcámara 64 piloto para realizar la ignición del combustible inyectado dentro de la subcámara 64 piloto por el inyector 74 de combustible piloto. En la realización mostrada, la fuente 80 de ignición es una bujía incandescente; la bujía incandescente puede tener, por ejemplo, una punta 82 recibida dentro de la subcámara 64 piloto o en una cavidad 84 adyacente a la subcámara 64 piloto y en comunicación fluida con la misma (como se muestra). La fuente 80 de ignición también puede estar en una relación de intercambio de calor con la subcámara 64 piloto sin comunicarse de manera fluida con la subcámara 64 piloto. En una realización particular, el material que rodea la subcámara 64 piloto y que define su superficie interior incluye material resistente al calor que se calienta lo suficiente después de que el motor 12 haya arrancado para realizar la ignición del combustible inyectado dentro de la subcámara 64 piloto por el inyector 74 de combustible piloto; en este caso, la bujía incandescente se puede utilizar sólo en el arranque y se puede apagar cuando el motor 12 haya alcanzado su temperatura nominal, de modo que las paredes de la subcámara piloto se conviertan en la fuente de ignición.
Debido a la inyección y al encendido piloto, la cantidad principal de combustible inyectada por el inyector 68 de combustible principal puede dimensionarse para definir una mezcla pobre de combustible-aire en las cámaras 40 de combustión. Los inyectores 68, 74 de combustible principal y piloto juntos proporcionan una mezcla estratificada de combustible-aire, definida por una mezcla estequiométrica o rica de combustible-aire cerca de la fuente 80 de ignición tal como se proporciona por el inyector 74 de combustible piloto, y una mezcla pobre de combustible-aire en las cámaras 40 de combustión tal como se proporciona por el inyector 68 de combustible principal.
Cuando se usa una mezcla pobre de combustible-aire en la cámara 40 de combustión, una cantidad significativa de exceso de aire puede permanecer en la cámara 40 de combustión después del proceso de combustión y ser expulsado junto con los gases de escape a través del puerto 50 de escape. Para utilizar esta cantidad residual de aire, se proporciona un inyector 86 de combustible adicional en comunicación fluida con cada una de las cámaras 40 de combustión de forma sucesiva, aguas abajo de la subcámara 64 piloto y aguas arriba del puerto 50 de escape. Este inyector 86 de combustible adicional se caracteriza en esta memoria como un inyector de "combustión intermedia", ya que realiza una función de poscombustión mientras está ubicado dentro del motor 12. El inyector 86 de combustible de combustión intermedia inyecta una cantidad suplementaria de combustible en cada una de las cámaras 40 de combustión una tras otra, durante la fase de expansión del ciclo mientras la combustión de la cantidad principal de combustible aún está en curso, para usar así una parte y potencialmente la totalidad del exceso de aire restante en la cámara 40 de combustión.
El inyector 86 de combustible de combustión intermedia está en comunicación fluida directa con cada una de las cámaras 40 de combustión de forma sucesiva, para inyectar la cantidad suplementaria de combustible en cada una de las cámaras 40 de combustión una tras otra. El inyector 86 de combustible de combustión intermedia es un inyector de combustible directo, es decir, se comunica directamente con la cavidad interna. Una abertura 88 de inyector de combustión intermedia se define a través de la pared 38 periférica (como se muestra) o la pared 54 de extremo, y se extiende a través de la superficie interior de la cavidad interna. El inyector 86 de combustible de combustión intermedia se recibe en la abertura 88 de inyector de combustión intermedia con su punta 90 adyacente a la cavidad interna. En una realización particular, la abertura 88 de inyector de combustión intermedia está configurada para evitar interferir (por ejemplo, restringir) el flujo de combustible desde el inyector 86 de combustible de combustión intermedia a la cavidad interna.
La posición del inyector 86 de combustible de combustión intermedia se puede variar entre la subcámara 64 piloto y el puerto 50 de escape, por ejemplo a lo largo de la región A mostrada en la Fig. 1. En una realización particular, el inyector 86 de combustible de combustión intermedia está suficientemente cerca de la subcámara 64 piloto de modo que cada una de las cámaras 40 de combustión está en comunicación fluida simultánea con la subcámara 64 piloto y el inyector 86 de combustible de combustión intermedia durante una parte respectiva de una revolución del rotor 34. En una realización alternativa, el inyector 86 de combustible de combustión intermedia está separado de la subcámara 64 piloto a una distancia suficiente para evitar que las cámaras 40 de combustión se comuniquen simultáneamente con la subcámara 64 piloto y el inyector 86 de combustible de combustión intermedia. Si es necesario, se puede proporcionar refrigeración a álabe de la tobera de la sección 18 de turbina, en particular, aunque no exclusivamente, cuando el inyector 86 de combustible de combustión intermedia se proporciona en la proximidad del puerto 50 de escape.
Como puede verse en la Fig. 3, el impacto del inyector 86 de combustible de combustión intermedia sobre el ciclo del motor difiere en función de la ubicación del inyector 86 de combustible de combustión intermedia. Se muestran ejemplos de modificaciones del diagrama de temperatura-entropía provocadas por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia para tres ubicaciones diferentes de inyectores de combustible de combustión intermedia A1, A2, A3(ver Fig.1), en comparación con el ciclo básico B sin el inyector 86 de combustible de combustión intermedia. Puede verse que cuanto más cerca está el inyector de combustible de combustión intermedia de la subcámara piloto, mayor es la temperatura de la mezcla de combustible-aire al inyectar la cantidad suplementaria de combustible y mayor es el impacto en el ciclo de combustión. En una realización particular, tener el inyector 86 de combustible de combustión intermedia ubicado más cerca de la subcámara 64 piloto permite aumentar la potencia producida por el motor, así como disminuir los hidrocarburos (HC) no quemados ya que se puede alcanzar una temperatura máxima más alta (ver, por ejemplo, la curva A1 en comparación con la curva A3), sin embargo, provoca que aumenten la carga mecánica y térmica en el motor, así como las emisiones de NOx, en comparación con un inyector 86 de combustible de combustión intermedia ubicado más lejos de la subcámara 64 piloto. Por consiguiente, en una realización particular, la ubicación del inyector 86 de combustible de combustión intermedia se selecciona para obtener el mejor intercambio posible entre potencia adicional, eficiencia de combustión, emisiones y carga adicional a la parte rotatoria del motor.
El inyector 68 de combustible principal, el inyector 74 de combustible piloto y el inyector 86 de combustible de combustión intermedia están en comunicación fluida con la fuente 14 de combustible (Fig. 1); aunque se muestra una fuente común, se entiende que podrían proporcionarse fuentes separadas alternativamente. Por consiguiente, en una realización particular, el inyector 68 de combustible principal, el inyector 74 de combustible piloto y el inyector 86 de combustible de combustión intermedia inyectan el combustible, por ejemplo, combustible pesado como diésel, queroseno, combustible para aviones, biocombustible equivalente, etc. En una realización particular los inyectores 68, 74, 86 son inyectores de combustible de conducto común, alimentados por el mismo o por diferentes conductos comunes (no mostrados).
En uso, el combustible, por ejemplo, combustible pesado, se combustiona en el motor 12 rotativo de acuerdo con lo siguiente. Volviendo a la Fig. 2, la cantidad principal de combustible se inyecta directamente en la cámara 40 de combustión mediante el inyector 68 de combustible principal para formar una primera mezcla de combustible-aire dentro de la cámara 40 de combustión, siendo pobre la primera mezcla de combustible. Se entiende que la cantidad principal de combustible se puede proporcionar en una o varias pulverizaciones, y cuando se utilizan múltiples pulverizaciones, las múltiples pulverizaciones pueden ser simultáneas o secuenciales.
En la realización mostrada, el aire comprimido del compresor 20 (Fig. 1) se alimenta a la cámara 40 de combustión a través del puerto 48 de admisión antes de inyectar la cantidad principal de combustible para crear la primera mezcla de combustible-aire. Alternativamente, se puede alimentar aire ambiente a la cámara 40 de combustión a través del puerto 48 de admisión para crear la primera mezcla de combustible-aire.
La primera mezcla de combustible-aire es pobre y, en consecuencia, tiene una relación de equivalencia de airecombustible A superior a 1. En una realización particular, la relación de equivalencia de aire-combustible A de la primera mezcla de combustible-aire formada por la cantidad principal de combustible es de al menos 1,6. En una realización particular, la relación de equivalencia de aire-combustible A de la primera mezcla de combustible-aire formada por la cantidad principal de combustible es al menos 2, por ejemplo dentro del intervalo definido de 2 a 2,3. La relación de equivalencia de aire-combustible A se define como
_ AFR
A F R ^ q m o
donde AFR se refiere a la relación aire-combustible definida como la relación entre la masa de aire y la masa de combustible en la mezcla de combustible-aire, es decir, AFR = maire/mcombustible. La masa es la masa de todos los componentes que componen el combustible y el aire, sean combustibles o no. La relación de equivalencia de airecombustible A es la relación de AFR real a AFR en estequiometría para una mezcla dada; en consecuencia, en la estequiometría A = 1,0. Para una mezcla pobre de combustible-aire la relación de equivalencia de aire-combustible A es mayor que 1, mientras que las mezclas más pobres de combustible-aire tienen un valor mayor de A, mientras que las mezclas ricas de combustible-aire tienen una relación de equivalencia de aire-combustible A inferior a 1 mientras mezclas más ricas de combustible-aire tienen un valor menor de A.
En una realización particular, la primera mezcla de combustible-aire formada dentro de la cámara de combustión por la inyección de la cantidad principal de combustible tiene una relación de equivalencia de combustible-aire 9 inferior a 1, por ejemplo dentro de un intervalo definido de 0,1 a 0,6. La relación de equivalencia de combustible-aire 9 se define como la relación entre la relación real de combustible a oxidante y la relación de combustible a oxidante en la estequiometría:
relación de combustible a oxidante
é ~ ------------:--------------------------------------------------------[relación de combustible a o x id a n te ^ ^ , ,^
Las mezclas pobres de combustible-aire tienen una relación de equivalencia de combustible-aire 9 menor que 1, mientras que las mezclas más pobres de combustible-aire tienen un valor menor de 9, mientras que las mezclas ricas de combustible-aire tienen una relación de equivalencia de combustible-aire 9 mayor que 1 mientras mezclas más ricas de combustible-aire tienen un valor mayor de 9; en estequiometría, 9 = 1. La relación de equivalencia de combustible-aire 9 y la relación de equivalencia de aire-combustible A se relacionan de acuerdo con lo siguiente:
Figure imgf000007_0001
Con el fin de combustionar el combustible en el motor 12 rotativo, la cantidad piloto de combustible se inyecta en la subcámara 64 piloto mediante el inyector 74 de combustible piloto para formar una segunda mezcla de combustibleaire dentro de la subcámara 64 piloto. Se entiende que la cantidad piloto de combustible se puede proporcionar en una o varias pulverizaciones, y cuando se utilizan múltiples pulverizaciones, las múltiples pulverizaciones pueden ser simultáneas o secuenciales. Esta segunda mezcla de combustible-aire tiene una relación de equivalencia de airecombustible A que es menor que la relación de equivalencia de aire-combustible A de la cámara 40 de combustión, es decir, la mezcla de combustible-aire es más rica dentro de la subcámara 64 piloto y más pobre dentro de la cámara 40 de combustión. En una realización particular, la mezcla de combustible-aire dentro de la subcámara 64 piloto está próxima a la estequiometría; en una realización particular, la relación de equivalencia de aire-combustible A de la mezcla combustible-aire dentro de la subcámara 64 piloto es como máximo 1.
A continuación, se enciende la mezcla estequiométrica o rica de combustible-aire dentro de la subcámara 64 piloto. La mezcla de combustible-aire dentro de la subcámara 64 piloto puede encenderse, por ejemplo, mediante la bujía incandescente 80 y/o la pared de la subcámara caliente. La mezcla de combustible-aire encendida se usa entonces para encender la primera mezcla de combustible-aire en la cámara 40 de combustión; la mezcla de combustible-aire piloto encendida fluye desde la subcámara 64 piloto a través de la o las aberturas 66 y forma una llama expulsada hacia la cámara 40 de combustión y permitiendo la ignición de la mezcla pobre de combustible-aire de la cámara 40 de combustión.
A continuación, el inyector 86 de combustible de combustión intermedia inyecta la cantidad suplementaria de combustible directamente en la cámara 40 de combustión después de la ignición de la primera mezcla de combustibleaire, por ejemplo, durante la combustión de la primera mezcla de combustible-aire. Se entiende que la cantidad suplementaria de combustible se puede proporcionar en una o varias pulverizaciones, y cuando se utilizan múltiples pulverizaciones, las múltiples pulverizaciones pueden ser simultáneas o secuenciales. Dado que la combustión todavía está activa en la cámara 40 de combustión, la ignición de la cantidad suplementaria de combustible inyectado por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia es prácticamente instantánea. La cantidad suplementaria de combustible se inyecta aguas arriba del puerto 50 de escape con respecto al sentido de rotación R del rotor. Como se mencionó anteriormente, dependiendo de la ubicación del inyector 86 de combustible de combustión intermedia, la cantidad suplementaria de combustible puede inyectarse mientras la cámara 40 de combustión se comunica con la subcámara 64 piloto, o después de que se cierre la comunicación entre la cámara 40 de combustión y la subcámara 64 piloto.
En la realización mostrada y con referencia a la Fig. 1, el escape de combustión se alimenta desde el puerto 50 de escape a la sección 18 de turbina, y la potencia del árbol 19 de turbina se compone con la potencia del árbol 16 de motor. Alternativamente, la combustión puede alimentarse desde el puerto 50 de escape a una turbina sin componer la potencia entre el motor y la turbina, o puede alimentarse a otro lugar, por ejemplo, al aire ambiente en el entorno alrededor del conjunto 10 de motor.
Con referencia a la Fig. 4, en una realización particular, la cantidad suplementaria de combustible inyectada en la cámara 40 de combustión aumenta la relación de equivalencia de combustible-aire 9 en la cámara 40 de combustión (y por consiguiente, reduce la relación de equivalencia de aire-combustible A); La Fig.4 muestra el coeficiente de variación de la presión efectiva media indicada OOVimep en función de la relación de equivalencia de combustible-aire 9 de la mezcla combustible-aire en la cámara 40 de combustión sin la inyección de combustible suplementaria (B) y con la inyección de combustible suplementaria (A'). En la realización mostrada, la relación de equivalencia de combustible-aire 9 dentro de la cámara 40 de combustión aumenta desde un valor dentro de un intervalo definido de 0,1 a 0,6 a un valor de al menos 0,6, o a un valor dentro de un intervalo de 0,6 a 0,85, cuando se inyecta la cantidad suplementaria de combustible. La cantidad suplementaria de combustible inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia reduce así la relación de equivalencia de aire-combustible A dentro de la cámara de combustión, por ejemplo desde un valor dentro de un intervalo definido de 2 a 2,3 (relación de equivalencia de combustible-aire 9 de 0,43 a 0,5 ), a un valor máximo de 1,67 (relación de equivalencia de combustible-aire 9 de al menos 0,6), o a un valor dentro de un intervalo definido de 1,18 a 1,67 (relación de equivalencia de combustible-aire 9 de 0,6 a 0,85). En una realización particular, esto permite proporcionar más potencia dentro del mismo tamaño de motor y así aumentar la capacidad de potencia a peso.
En una realización particular, la cantidad suplementaria de combustible inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia también aumenta ligeramente el coeficiente de variación de la presión efectiva media indicada COVimep y, en consecuencia, aumenta ligeramente la variabilidad del ciclo y, por lo tanto, disminuye ligeramente la estabilidad del proceso de combustión, mientras que sigue permitiendo que la estabilidad se mantenga dentro de límites aceptables. En una realización particular, el coeficiente de variación de la presión efectiva media indicada COVimep está dentro de un intervalo definido de 0 a 3% (por ejemplo, de 1% a 2,25% como se muestra) para relaciones de equivalencia de combustible-aire 9 de 0,1 a 0,6 en la cámara de combustión antes de la adición del inyector de combustible de combustión intermedia, y la adición del inyector de combustible de combustión intermedia aumenta el coeficiente de variación de la presión efectiva media indicada COVimep dependiendo del cambio de las relaciones de equivalencia de combustible-aire 9 en la cámara de combustión provocado por la inyección de la cantidad suplementaria de combustible; por ejemplo, en una relación de equivalencia de combustible-aire 9 de aproximadamente 0,85, la presión efectiva media indicada COVimep aumenta dentro de un intervalo definido por 2% a 5% (por ejemplo, de 2% al 3,5% como se muestra). También son posibles otros valores.
En una realización particular, la cantidad principal de combustible inyectada por el inyector 68 de combustible principal es mayor que la cantidad suplementaria de combustible inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia, y la cantidad suplementaria de combustible inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia es mayor que la cantidad piloto de combustible inyectada por el inyector 74 de combustible piloto. Por ejemplo, en una realización particular, la suma de la cantidad piloto, la cantidad principal y la cantidad suplementaria inyectada para un mismo evento de combustión define una cantidad total de combustible, que se distribuye de acuerdo con lo siguiente: la cantidad piloto inyectada por el inyector 74 de combustible piloto corresponde de 2% a 10% de la cantidad total de combustible, la cantidad suplementaria inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia corresponde de 10 a 40% de la cantidad total de combustible, y la cantidad principal de combustible inyectada por el inyector 68 de combustible principal corresponde al menos a 50% de la cantidad total de combustible, por ejemplo, del 50% al 88% de la cantidad total de combustible restante. En una realización particular, la cantidad piloto inyectada por el inyector 74 de combustible piloto corresponde a aproximadamente el 5% de la cantidad total de combustible, la cantidad suplementaria inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia corresponde a aproximadamente el 20% de la cantidad total de combustible, y la cantidad principal de combustible inyectada por el inyector 68 de combustible principal corresponde a aproximadamente el 75% de la cantidad total de combustible. También son posibles otros valores.
En una realización particular, la cantidad suplementaria inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia permite inyectar calor adicional en el sistema a una presión inferior a la de pico, lo que minimiza la carga mecánica adicional creada por el calor adicional. En una realización particular, la cantidad suplementaria inyectada por el inyector 86 de combustible de combustión intermedia corresponde a aproximadamente el 10% de la cantidad total de combustible, y esto produce un aumento en la potencia generada por el motor de aproximadamente el 20% con un aumento mínimo de la carga mecánica. Por consiguiente, en una realización particular, el inyector 86 de combustible de combustión intermedia mejora significativamente tanto la densidad de potencia como el consumo específico de combustible del motor.
La descripción anterior solo tiene la finalidad de servir como ejemplo, y un experto en la materia reconocerá que es posible hacer cambios a las realizaciones descritas sin apartarse del alcance de la invención como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Claims (16)

REIVINDICACIONES
1. Un método de combustionar combustible (14) en un motor (12) rotativo, comprendiendo el método:
inyectar una cantidad principal del combustible (14), opcionalmente combustible pesado, directamente en una cámara (40) de combustión del motor (12) rotativo para formar una primera mezcla de combustible-aire dentro de la cámara (40) de combustión, teniendo la primera mezcla de combustible-aire una primera relación de equivalencia de aire-combustible A superior a 1;
inyectar una cantidad piloto del combustible (14) en una subcámara (64) piloto para formar una segunda mezcla de combustible-aire dentro de la subcámara (64) piloto, teniendo la segunda mezcla de combustible-aire una segunda relación de equivalencia de aire-combustible A menor que la primera relación de equivalencia de airecombustible;
encender la segunda mezcla de combustible-aire dentro de la subcámara (64) piloto;
usar la segunda mezcla de combustible-aire encendida de la subcámara (64) piloto para encender la primera mezcla de combustible-aire; y
después de encender la primera mezcla de combustible-aire, inyectar una cantidad suplementaria del combustible directamente en la cámara (40) de combustión, inyectando la cantidad suplementaria aguas arriba de un puerto (50) de escape del motor (12) rotativo con respecto a un sentido de rotación (R) de un rotor (34).
2. El método según se define en la reivindicación 1, en el que la cantidad suplementaria de combustible se inyecta mientras está activa la combustión de la primera mezcla de combustible-aire.
3. El método según se define en la reivindicación 1 o 2, que comprende además alimentar aire comprimido a la cámara (40) de combustión antes de inyectar la cantidad principal.
4. El método como se define en cualquier reivindicación precedente, que comprende además alimentar el escape desde el puerto (50) de escape del motor (12) rotativo a una turbina (22, 24), y componer la potencia de un árbol (19) de turbina de la turbina (22, 24) con la potencia de un árbol (16) de motor acoplado de forma motriz al rotor (34).
5. El método según se define en cualquier reivindicación precedente, en el que la cantidad suplementaria se inyecta mientras la cámara (40) de combustión se comunica con la subcámara (64) piloto.
6. El método según se define en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que la cantidad suplementaria se inyecta después de que se cierra una comunicación entre la cámara (40) de combustión y la subcámara (64) piloto.
7. El método según se define en cualquier reivindicación precedente, en el que la segunda relación de equivalencia de aire-combustible es como máximo 1.
8. El método según se define en cualquier reivindicación precedente, en el que la primera relación de equivalencia de aire-combustible de la primera mezcla de combustible-aire formada por la cantidad principal es al menos 1,67, opcionalmente al menos 2 y/o como máximo 2,3.
9. El método según se define en cualquier reivindicación precedente, en el que la ignición de la segunda mezcla de combustible-aire se realiza con una bujía incandescente (80) o con paredes calientes de la subcámara (64) piloto.
10. El método según se define en cualquier reivindicación precedente, en el que la cantidad principal es mayor que la cantidad suplementaria y la cantidad suplementaria es mayor que la cantidad piloto.
11. El método según se define en la reivindicación 10, en el que una suma de la cantidad piloto, la cantidad principal y la cantidad suplementaria define una cantidad total, y en el que:
inyectar la cantidad piloto incluye inyectar de 2% a 10%, y opcionalmente 5%, de la cantidad total en la subcámara (64) piloto;
inyectar la cantidad principal incluye inyectar al menos el 50%, y opcionalmente el 75%, de la cantidad total en la cámara (40) de combustión; y
inyectar la cantidad suplementaria incluye inyectar de 10 a 40%, y opcionalmente 20%, de la cantidad total en la cámara (40) de combustión.
12. Un motor (12) rotativo que comprende:
un rotor (34) recibido de forma hermética dentro de una cavidad interna de una carcasa (32) para definir una pluralidad de cámaras (40) de combustión que tiene un volumen variable;
un puerto (48) de admisión y un puerto (50) de escape definidos a través de la carcasa (32) y en comunicación fluida con cada una de las cámaras (40) de combustión de forma sucesiva;
una subcámara (64) piloto en comunicación fluida con cada una de las cámaras (40) de combustión de forma sucesiva;
un inyector (68) de combustible principal en comunicación fluida directa con cada una de las cámaras (40) de combustión de forma sucesiva, estando el inyector (68) de combustible principal ubicado aguas abajo del puerto (48) de admisión y aguas arriba de la subcámara (64) piloto con respecto a un sentido de rotación (R) del rotor (34);
un inyector (74) de combustible piloto en comunicación fluida con la subcámara (64) piloto;
una fuente (80) de ignición en relación de intercambio de calor con la subcámara (64) piloto; y
un inyector (86) de combustible de combustión intermedia en comunicación fluida directa con cada una de las cámaras (40) de combustión de forma sucesiva, estando el inyector (86) de combustible de combustión intermedia ubicado aguas abajo de la subcámara (64) piloto y aguas arriba del puerto (50) de escape, en donde el combustible se combustiona en el motor (12) rotativo según el método de cualquiera de las reivindicaciones precedentes.
13. El motor (12) rotativo como se define en la reivindicación 12, que comprende además una fuente (14) de combustible pesado en comunicación fluida con el inyector (68) de combustible principal, el inyector (74) de combustible piloto y el inyector (86) de combustible de combustión intermedia.
14. El motor (12) rotativo como se define en la reivindicación 12 o 13, en el que cada una de las cámaras (40) de combustión están en comunicación fluida simultánea con la subcámara (64) piloto y el inyector (86) de combustible de combustión intermedia durante una porción respectiva de una revolución del rotor (34), y en el que el inyector (86) de combustible de combustión intermedia está opcionalmente separado de la subcámara (64) piloto una distancia suficiente para evitar que las cámaras (40) de combustión se comuniquen simultáneamente con la subcámara (64) piloto y el inyector (86) de combustible de combustión intermedia.
15. El motor (12) rotativo según se define en cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, en el que la fuente (80) de ignición es una bujía incandescente (80) y en el que opcionalmente el motor (12) rotativo es un motor (12) Wankel, teniendo la cavidad interna un perfil que define dos lóbulos, teniendo el rotor (34) tres partes (36) de ápice separadas circunferencialmente en acoplamiento hermético con una pared (38) periférica de la carcasa (32) y que separan las cámaras (40) de combustión.
16. Un conjunto (10) de motor compuesto que comprende el motor (12) rotativo como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 12 a 15, un compresor (20) en comunicación fluida con el puerto (48) de admisión del motor (12) rotativo, y una turbina (22, 24) en comunicación fluida con el puerto (50) de escape del motor (12) rotativo, teniendo la turbina (22, 24) un árbol (19) de turbina compuesto con un árbol (16) de motor acoplado de forma motriz al rotor (34).
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