MX2011000092A - Aparato y metodo para operar un motor con inyeccion de fluido no combustible. - Google Patents

Abstract

Un inyector de agua tiene un extremo de conector que se adapta para la instalación en las cámaras de combustión individuales de un motor de combustión interna de tipo de encendido por chispa encendido por compresión, aunque cuya cantidad de agua u otro fluido no combustible se inyecta dentro de la cámara de combustión; la temperatura y presión de combustión para cada cámara de combustión, así como también la temperatura, presión y humedad de la atmósfera pueden ser monitoreadas y utilizadas para controlar la cantidad de agua inyectada dentro de las cámaras de combustión, de manera que el motor opera en condiciones de combustión internas equivalentes a aquellas que ocurren en las condiciones atmosféricas clasificadas ISO estándar y de esta manera entrega su salida clasificada ISO independientemente de las condiciones atmosféricas; una boquilla está adaptada al extremo de conector del inyector de agua que contiene una pluralidad de aberturas para inyectar el agua u otro fluido no combustible dentro de la cámara de combustión en un patrón de rocío espacial previamente determinado; para los motores encendidos por chispa, una cámara previa de energía alta puede ser integradas con el inyector de agua para facilitar la ignición cuando el agua es inyectada en el ciclo de compresión; para los motores de diesel, la boquilla de inyección de agua puede ser provista con un patrón de rocío espacial que complementa aquel del inyector de Diesel dentro del cilindro; la eficiencia del motor puede ser mejorada adicionalmente utilizando un tubo de escape de intercambiador de calor para calentar previamente por lo menos una parte del fluido que está siendo inyectado en el motor durante el golpe de compresión con una segunda inyección de fluido a una temperatura substancialmente superior durante el golpe de expansión para mantener una salida de clasificación superior durante las condiciones no ISO.

Description

APARATO Y MÉTODO PARA OPERAR UN MOTOR CON INYECCIÓN DE FLUIDO NO COMBUSTIBLE RECLAMO DE PRIORIDAD La presente solicitud reclama el beneficio de y la prioridad de la solicitud provisional de E.UA 61/133,176, presentada el 28 de junio de 2008.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a la estructura y modo de operación de los motores de combustión interna, y más particularmente, a la inyección de un fluido no combustible, tal como agua, dentro de la cámara de combustión.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La potencia incrementada y la ganancia en economía de combustible obtenidas mediante la inyección de agua u otro fluido no combustible dentro de los cilindros de un motor de combustión interna, se conocen desde hace mucho tiempo. El agua, agregada durante el ciclo de compresión ha demostrado reducir el NOx del motor.

Las "condiciones ISO" se utilizan cuando se especifica potencia para tomar en cuenta con los cambios en la temperatura ambiente, presión y humedad, y son 59°F (15°C), la presión atmosférica a nivel del mar (14.54378 psi ó 1.01325 bar) y 60% de humedad relativa, respectivamente. La masa predominante que opera dentro del cilindro para proporcionar fuerza motriz, ya sea con un ciclo Diesel u Otto, se proporciona mediante el aire atmosférico, calentado por el combustible agregado al motor. Debido a que la densidad de aire es una función de esta temperatura, presión y humedad, la masa dentro de los cilindros, y por consiguiente, la potencia resultante del motor puede reducirse bajo ciertas condiciones atmosféricas que se desvían de las condiciones ISO estandarizadas.

La Patente de E.U.A. No. 4,589,377 de Van Dai, describe la inyección del agua u otro material no combustible en un motor de combustión interna de ciclo Otto, la cantidad de material no combustible siendo inyectada y el tiempo de inyección siendo regido por factores tales como masa de combustible inducido, proporción de compresión del motor, calidad del combustible y temperatura de combustión pico previamente seleccionada.

La Patente de E.U.A. No. 6,112,705 de Nakayama, describe la inyección de agua dentro de un motor de combustión interna encendido por compresión (es decir, el ciclo de Diesel) para disminuir la emisión NOx. La Publicación de patente de E.U.A. de Zur Loye, et al., No. 2002/0026926 también describe la inyección de agua dentro de un motor de combustión interna encendido por compresión.

Las Patentes de E.UA Nos 6,311 ,651 ; 6,571 ,749 y 7,021 ,272 describen motores de combustión interna controlados por computadora que emplean la inyección de agua en cada cilindro del motor, particularmente durante o después de que la combustión se ha iniciado en el cilindro. Cada cilindro del motor de combustión interna es provisto con un sensor de presión y un sensor de temperatura para medir la presión y temperatura en el cilindro. Estos sensores son conectados a una computadora para controlar el índice y duración de agua inyectada dentro del cilindro con base en el "contenido de energía" del cilindro determinado por las señales recibidas desde los sensores.

La Patente de E.U.A. No. 5,125,366 de Hobbs describe la introducción de agua dentro del motor de combustión interna, en el cual, se utiliza una fuente de agua presurizada. Una computadora y varios sensores del motor son empleados para controlar la introducción de agua a los cilindros del motor. Las Patentes de E.U.A. Nos. 5,718,194 y 5,937,799 de Binion, describe los sistemas de inyección de agua en el cilindro para motores de combustión interna. El agua es inyectada a una presión alta, a temperatura baja. La Patente de E.U.A. No. 4,448,153 de Miller, describe un sistema de inyección de agua para un motor de combustión interna que inyecta agua dentro de los cilindros del motor en respuesta a la temperatura del motor. La Publicación de patente de E.U.A. No. 2006/0037563, La patente de E.U.A. de Connor No. 5,148,776 y la Patente de E.U.A. No. 6,892,680 de Lee, todas describen la inyección de agua para motores de combustión interna en los cuales, la inyección de agua es controlada mediante una computadora, en respuesta a uno o más parámetros detectados por el motor/cilindro.

Las descripciones de las Patentes de E.U.A. anteriores Nos. 4,448,153; 4,589,377; 5,125,366; 5,148,776; 5,718,194; 5,937,799; 6,311 ,651 ; 6,571 ,749; 6,892,680 y 7,021 ,272 y las publicaciones de patentes de E.U.A. Nos. 2002/0026926 y 2006/0037563 están incorporadas en la presente descripción como referencia.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Aunque los beneficios y ganancias en economía de combustible mediante la inyección de agua (u otro fluido no combustible) dentro de los cilindros de un motor de combustión interna han sido conocidos durante mucho tiempo, algunas o todas las siguientes características se consideran ser particularmente característica de las diversas modalidades de la presente invención, tanto por separado como en combinación: (a) una corrección en la cantidad de agua inyectada (u otro fluido no combustible) inyectada en respuesta a cualquier cambio en la densidad de aire externa (presión y temperatura) y/o contenido de agua (humedad) en la mezcla de aire combustible; (b) una capacidad de ajustar la cantidad de agua agregada a los cilindros en el sistema de control de inyección de agua para permitir que el motor produzca su capacidad clasificada en las condiciones ISO, independiente de las condiciones atmosféricas actuales; (c) un sistema de encendido de alta energía con la capacidad de encender mezclas iniciales del motor; (d) un sistema de medición de presión dentro del cilindro con la capacidad de dar salida a presiones de motor absolutas (ISO); (e) un diseño de cámara previa con la capacidad de tener su patrón de flama modificado para ser compatible con diferentes geometrías de motor; (f) un diseño de inyector de agua con la capacidad de tener su patrón de rocío modificado para ser compatible con geometrías de motor diferentes y patrones de flama del encendido de cámara previa para los motores de ciclo Otto, o con el patrón de rocío de inyector Diesel de un motor encendido por compresión; (g) un separador de aceite/agua para remover el agua del aceite del motor; (h) un tubo de extracción del intercambiador de calor utilizado para calentar previamente el agua que está siendo inyectada dentro del motor para reducir de esta manera la viscosidad del agua utilizada para la inyección dentro del cilindro y de otra manera promover la eficiencia del procedimiento; (i) un intercambiador de calor de condensación secundaria para recuperar el agua del tubo de extracción del motor; (j) una turbina de fase variable Rankine orgánica y un condensador para extraer la energía agregada del intercambiador de calor de condensación y el tubo de extracción; y (k) complementar una primera inyección de agua antes de la combustión de control durante el golpe de compresión con una segunda inyección de agua a una temperatura superior durante el golpe de expansión.

Ciertas modalidades de la presente invención proporcionan un sistema de operación de combustión interna que permite que el motor opere en condiciones de combustión interna (tales como presión y temperatura dentro de la cámara de combustión) que amulan aquellas que ocurren en las condiciones atmosféricas clasificadas ISO estándar y por consiguiente, tienen la capacidad de entregar su salida clasificada ISO independientemente de las condiciones atmosféricas. Un inyector de agua es provisto preferentemente teniendo un extremo conector que se ajusta a una cámara de combustión de un motor de combustión interna del tipo de encendido por chispa o encendido por compresión, aunque una cantidad de agua u otro fluido no combustible sea inyectado dentro de la cámara de combustión; una boquilla está adaptada al extremo conector del inyector de agua que contiene una pluralidad de aberturas para proporcionar el agua u otro fluido no combustible a la cámara de combustión en un patrón de rocío espacial previamente determinado. En esas modalidades, la temperatura y presión de combustión de cada cámara del motor, así como también la temperatura, presión y humedad de la atmósfera, preferentemente son monitoreadas y utilizadas para controlar el agua inyectada dentro de las cámaras de combustión. Esto puede, no únicamente compensar la masa de fluido de trabajo inferior dentro del cilindro debido a las características atmosféricas del aire, mediante la adición de masa del agua inyectada dentro del cilindro durante los ciclos de compresión y expansión cuando operan a una potencia clasificada como completa bajo otras condiciones diferentes a las condiciones ISO estándar, aunque también puede mejorar la eficiencia general del motor cuando opera a menos de la potencia clasificada como completa. En particular, las condiciones no ISO bajo potencia clasificada como máxima pueden lograrse cuando el agua es presurizada, calentada previamente e inyectada dentro del cilindro después de que el centro muerto superior sobre el cual ésta se vaporiza durante el golpe de expansión.

De acuerdo con ciertas características de otras modalidades, la inyección de agua puede utilizarse para incrementar la potencia del motor para sus condiciones clasificadas cuando las condiciones atmosféricas han reducido la densidad del aire, de manera que reducen los caballos de potencia disponibles (des-clasificar el motor). Esto puede compensar la masa de fluido de trabajo inferior dentro del cilindro debido a las características atmosféricas del aire mediante la adición de masa a partir del agua inyectada dentro del cilindro durante los ciclos de compresión y expansión. Este se considera ser el resultado de la masa agregada, y por consiguiente la presión incrementada en el interior de la cámara de combustión. Cada presión del cilindro del motor, es monitoreada preferentemente durante cada ciclo para obtener un calibre de presión relativo a las condiciones atmosféricas reales actuales, y las diferencias en temperatura, presión y humedad entre las condiciones atmosféricas actuales y las condiciones de clasificación ISO se utilizan entonces para convertir el calibre de presión medido a una presión interna absoluta ISO correspondiente en condiciones de clasificación ISO estándar. Al comparar esta presión interna absoluta ISO medida con las presiones internas absolutas conocidas que son producidas realmente cuando se opera a una salida clasificada como máximo con aquellas mismas condiciones de clasificación ISO, la inyección de agua puede controlarse para regresar el motor a su salida clasificada independientemente de las condiciones atmosféricas.

La inyección de agua dentro de la cámara de combustión, preferentemente es controlada midiendo la temperatura, presión y humedad del aire ambiente, el agua en el combustible, y el agua inyectada en el ciclo de compresión, así como también los parámetros de operación del motor dentro de la cámara de combustión, tales como presión y temperatura, con el sensor para medir la presión del cilindro siendo preferentemente integrada con el componente inyector de agua. Esto aplica a los motores, tanto de ciclo Otto (encendidos por chispa) como el ciclo Diesel (encendidos por compresión), así como también las modificaciones de estos ciclos (tales como motores de ignición Miller, de cámara separada, y de carga comprimida). El ciclo de combustión de inyección de agua controlado nuevo resultante no sólo mejora la eficiencia del motor (el grado de mejoramiento siendo afectado por la temperatura, el cronometraje y el patrón de rocío del agua inyectada) aunque también permite la producción de la potencia clasificada como máxima medida en las condiciones ISO bajo todas las condiciones atmosféricas por medio del tiempo controlado, la adición con patrón espacial del agua (u otro fluido no combustible adecuado) directamente a la cámara de combustión.

Otra característica de ciertas modalidades de la presente invención es la introducción de un fluido no combustible como agua en todas las cámaras del cilindro dentro de un patrón de rocío único diseñado para cada motor con su geometría de cilindro y pistón únicos, preferentemente controlando tanto el patrón espacial del agua inyectada dentro del cilindro, así como también el patrón espacial de la fuente de encendido del combustible dentro del cilindro.

Los inyectores, encendedores y/o sensores de presión preferentemente son combinados en un dispositivo hidrómetro único para cada cilindro, que tiene un arreglo de boquilla en su extremo conector que invade el interior de la cámara de combustión y preferentemente está diseñado para ser asegurado en su lugar utilizando las especificaciones de rosca estándar para conectores de chispa y/o inyectores Diesel, o en una modalidad alternativa, por medio de abrazaderas de sujeción de inyector Diesel convencionales. Esto permite que el equipo, tanto usado como nuevo, sea actualizado en forma conveniente en el campo para tomar ventaja de muchos beneficios de las diversas tecnologías de inyección de agua descritas en la presente descripción. Para los motores con encendido por chispa, un encendedor previo a la cámara de energía alta, es integrado preferentemente con el inyector de agua para formar in encendedor-inyector "pirohidrómetro", el cual controla independientemente tanto el encendido de la mezcla de aire combustible comprimida dentro de la cámara de combustión como la inyección de agua en un momento (o momentos) adecuado durante el ciclo de compresión/expansión. Para los motores encendidos por compresión diesel y otros motores, el agua y combustible preferentemente son inyectados en forma independiente dentro de la cámara de combustión por medio de un inyector "hidrómetro de diesel" equipado con dos grupos de chorros de boquilla, con los chorros de agua teniendo un patrón de rocío espacial que complementa aquel de los chorros de diesel.

De acuerdo con todavía otra característica importante de otras determinadas modalidades preferidas, una cámara de combustión previa puede estar incorporada dentro del diseño de inyector de agua, de manera que la fuente de ignición de energía superior existe permitiendo que las mezclas iniciales de la cámara de combustión (tal como podría ocurrir con la inyección de agua durante la compresión) sean encendidas. La cámara de combustión previa también puede utilizarse para adición de combustible especial, tal como gas hidrógeno, con el propósito de mejorar la combustión previa con chorros de velocidad superior que pasan a la cámara de combustión, así como también proporcionar emisiones de motor general menores con mezclas extremadamente delgadas de combustible, como en el caso de grandes cantidades de inyección de agua. El fluido no combustible puede ser modificado mediante la adición de peróxido, o urea, u otros aditivos o lubricantes para modificar el NOx, CO, característicos del tubo de extracción del motor o la lubricidad de las paredes del cilindro. Estos aditivos también pueden ser una función de los parámetros atmosféricos medidos, así como también de las mediciones del tubo de extracción externo.

Para los motores diesel, el gas natural licuado (LNG) o gas natural comprimido (CNG) preferentemente se sustituye por una porción sustancial (preferentemente desde aproximadamente el 60% al 98%) del combustible diesel normal por medio de una entrada de combustible agregada (ya sea CNG o LNG) al hidrómetro diese, incluyen preferentemente salidas de inyector adicionales en la boquilla del inyector para los combustibles sustitutos LNG o CNG. De manera similar, al inyectar un combustible de volatilidad baja (tal como hidrógeno o una mezcla de oxígeno hidrógeno (gas de Rodas o gas de Brown)) que serán encendidos únicamente después de que hayan ingresado a la cámara de combustión principal (preferentemente por medio de pasajes adicionales a través del hidrómetro), el NOx puede reducirse en el tubo de extracción del motor. Esto se considera se debe a la capacidad de la flama de velocidad alta a encender las mezclas de combustible extremadamente delgadas, como puede ocurrir con cantidades altas de inyección de agua. Además de estos combustibles de flama de velocidad alta dentro de la cámara de combustión, se considera concentrar el encendido más cerca del centro muerto superior, reduciendo de esta manera las pérdidas por bombeo de comprensión y mejorando adicionalmente las eficiencias del motor.

Un controlador del motor, con las entradas de sensor adecuadas, se utiliza preferentemente para monitorear todos los parámetros de operación internos del motor, la temperatura del aire externo, la presión y humedad, la temperatura de inyección del agua, el contenido de agua en el combustible y otros parámetros del combustible. Estos parámetros de entrada son utilizados entonces por el controlador para controlar el cronometraje de la inyección de agua, así como también la cantidad y temperatura del agua inyectada en cada cilindro con cada ciclo del motor, así como también el cronometraje del sistema de encendido para cada cilindro. Especialmente, cuando e combinado con un patrón de rocío de inyección de agua óptimo dentro de la cámara de combustión, este tiene como resultado una eficiencia mejorada del motor cuando opera en o menos que la potencia clasificada como completa. Debido a que los múltiples parámetros son ingresados en el controlador desde sensores diferentes en cilindros diferentes, el controlador de cronometraje de inyección/encendido de agua, preferentemente, también evalúa si cada sensor individual está operando en la forma adecuada.

La inyección de agua puede tener su viscosidad modificada antes de la inyección utilizando la extracción de calor para elevar su temperatura. Un sistema de desvío de intercambiador de calor permite un intervalo completo de temperaturas del agua. Este cambio en la viscosidad puede reducir la carga de bombeo de agua requerida para la inyección, así como también tiene un efecto sobre el patrón de rocío dentro de la cámara de combustión. La eficiencia del ciclo también puede ser mejorada recuperando de otra forma el calor utilizado del tubo de extracción del motor para calentar previamente el agua antes de ser inyectada dentro del cilindro.

Para los motores de ciclo Otto turbo-cargados, la inyección de agua puede aplicarse ya sea (a) vaporizándola después del turbo-cargador, (b) vaporizándola antes de cada toma del motor, o (c) con la inyección directa dentro de la cámara de combustión durante la admisión o golpe de compresión o cualquier combinación de los anteriores. La inyección de agua puede utilizarse para incrementar adicionalmente la eficiencia del motor removiendo el calor de la compresión del turbo cargador (en lugar de utilizar un enfriador interno) así como también para controlar el golpeteó del motor (encendido previo o detonación del motor). La eficiencia del ciclo Otto puede ser mejorada incrementado la proporción de presión y evitando el golpeteo del motor al enfriar el aire del motor con inyección de agua para estar debajo de una temperatura que induce el golpeteo del motor. Un sensor de golpeteo del motor, es agregado preferentemente para asegurar que el golpeteo del motor no ocurrirá debido a la elevación de la temperatura del cilindro antes del encendido.

Un separador de agua/aceite está incluido preferentemente en el sistema de inyección de agua para remover el agua del aceite del motor. Durante la operación del motor, los gases quemados del motor se mezclan con el aceite del motor debido a los orificios en los anillos del pistón y el espacio vacío del anillo del pistón, creando el potencial para que el agua se mezcle con el aceite del motor.

De acuerdo con otra característica importante de ciertas modalidades preferidas, el tubo de extracción del motor puede utilizarse adicionalmente para producir energía y recuperar una porción principal del agua inyectada instalando un intercambiador de calor de condensación y/o un turbo generador. El intercambiador de calor puede, ya sea ser elaborado a partir de metales resistentes al ácido o metal recubierto con teflón para resistir el ataque de los gases de extracción ligeramente ácidos. Una turbina Rankine orgánica que emplea una turbina de base variable o ciclo trilateral con R245fa (1 ,1 ,1 ,3,3-pentafluoropropano) y el condensador puede utilizarse para extraer la energía del intercambiador de calor de condensación y condensar el agua para ser utilizada nuevamente por el inyector. El aire atmosférico puede ser mezclado dentro del gas de extracción del motor para proporcionar las condiciones de temperatura adecuadas para el fluido de trabajo de la turbina orgánica con el intercambiador de calor.

La presente invención encuentra utilidad en un intervalo amplio de aplicaciones técnicas, incluyendo la transportación y la generación de energía, y normalmente tendrá como resultado un incremento en la potencia y eficiencia sobre lo que hasta ahora ha sido factible. Para utilizarse en locomotoras y barcos, un turbo generador sensible a los gases de extracción, puede proporcionar una potencia adicional; el agua de inyección requerida puede ser transportada por la locomotora o puede ser producida a bordo del barco mediante osmosis inversa. Para gas de basurero (LFG) y otros biocombustibles que tienen alto contenido de agua, el agua en el combustible realiza una función de mejoramiento de masa similar que el agua que es inyectada directamente dentro de la cámara de combustión, de manera que en lugar de ser un contaminante que podría ser filtrado, ésta simplemente es medida y provista como una entrada al controlador de inyección de agua.

Para una comprensión más completa de la presente invención, ahora se hace referencia a las siguientes descripciones detalladas de unas pocas modalidades preferidas actualmente representativas y a los dibujos que la acompañan.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 , es una representación esquemática de un motor de 16 cilindros que incorpora la inyección de agua de acuerdo con la presente invención; La figura 2, es una representación esquemática de un dispositivo encendedor-inyector encendido por chispa (pirohidrómetro) para utilizarse en un motor de encendido por chispa de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

La figura 3, es una representación esquemática de un dispositivo pirohidrómetro encendido (micro piloto) Diesel para utilizarse en un motor de encendido por chispa de acuerdo con otra modalidad de la presente invención; La figura 4, es una representación esquemática de un pirohidrómetro para utilizarse en un motor de encendido por chispa que también contiene un inyector para hidrógeno o gas Brown de acuerdo con otra modalidad de la presente invención; La figura 5, es una vista aumentada del extremo conector del pirohidrómetro de la figura 2, que incluye la boquilla del encendedor-inyector; La figura 6, representa un primer arreglo de orificios de chorro para la boquilla del encendedor-inyector de la figura 2; La figura 7, representa un arreglo alternativo de orificios de chorro para la boquilla del encendedor-inyector de la figura 2; La figura 8, es una representación esquemática de un motor de 16 cilindros como el que se muestra en la figura 1 , aunque modificado para utilizarse con gas natural licuado (LNG); La figura 9, es una representación esquemática de un motor de 16 cilindros como el que se muestra en la figura 8, aunque modificado para utilizarse con gas natural comprimido (CNG); La figura 10, es un inyector de diesel con inyección de agua ("hidrómetro de diesel"); y La figura 11 , es un hidrómetro de diesel con inyección CNG o LNG; y La figura 12, muestra un modelo termodinámico para evaluar las diferentes modalidades.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Para facilitar la lectura, la siguiente descripción generalmente se refiere al uso de agua como el fluido no combustible, aunque se deberá comprender que se pueden utilizar otros fluidos no combustibles. Por lo tanto, aunque el agua es una elección evidente como el fluido no combustible para ser inyectado dentro de la cámara de combustión como la masa agregada, se pueden utilizar otros fluidos adecuados, incluyendo gases inertes, tales como argón, nitrógeno, dióxido de carbono y amoniaco, así como también combinaciones de agua oxigenada.

Haciendo referencia a la figura 1 , un motor de dieciséis cilindros 10 es provisto con los mejoramientos presentes. Un sensor de aire 12 proporciona la temperatura, presión y humedad relativa del aire ambiente. A partir de estos datos atmosféricos y a partir del índice de flujo de masa actual del aire del motor entrante, se puede determinar la densidad del aire que ingresa al motor y la masa de aire dentro de cualquier configuración de diseño de motor determinada.

El agua procesada (con o sin aditivos) es suministrada a una bomba regulada de presión alta 14. La bomba proporciona agua a presión alta a cada cilindro 16 del motor 10. El agua pasa primero a través del tubo de extracción intercambiador del 18, el cual eleva la temperatura del agua. El agua se utiliza tanto en el ciclo de compresión del motor para evitar el golpeteo, así como también en el ciclo de expansión del motor para proporcionar potencia agregada y mejorar la eficiencia de ciclo. Durante el ciclo de compresión inicial, el agua puede ser, ya sea (a) inyectada directamente dentro del cilindro, o (b) inyectado dentro del tubo de extracción del compresor del turbo cargador, o (c) inyectado dentro de la válvula de admisión, o (d) cualquier combinación de los anteriores.

Cada cilindro 16 está instrumentado con un sensor de golpeteo 20, un sensor de temperatura 22, y un sensor de presión 24 (como se muestra en la figura 2). Los sensores de presión son calibrados para leer la presión con base en las condiciones ISO en lugar del calibrador de presión. Los datos ISO corregidos son calculados utilizando las entradas de presión, temperatura y humedad del sensor de aire 12 (y/o los datos equivalentes derivados de un sensor de flujo de masa en la corriente de aire entrante) y también toma en cuenta la masa adicional que se puede atribuir a cualquier de agua o aditivos de agua contenidos en el combustible.

Haciendo referencia adicionalmente a las figuras 2, 3 y 4, para un motor de encendido por chispa, cada cilindro 16 está adaptado con un dispositivo de control encendedor-inyector con la capacidad de adaptarse dentro del patrón de tornillo de conector de chispa convencional. El dispositivo de control encendedor-inyector preferentemente tiene la forma de un pirohidrómetro 26 que controla el patrón de encendido y el cronometraje dentro de cada cilindro 16, el patrón de rocío de agua, y su cronometraje dentro de cada cilindro 16, y por medio del sensor de presión de combustión 24, monitorea la presión dentro de cada ciclo. El agua es provista desde una fuente de agua a presión alta a una línea de agua 25. Cada pirohidrómetro contiene un sensor de presión 24 para asegurarse de que las condiciones de clasificación ISO del fabricante no son excedidas. El sensor de presión de combustión 24 se conecta sobre una línea eléctrica 28 a un controlador maestro 30. La salida del sensor de presión es transmitida como (o es convertida por el controlador 30) una presión ISO absoluta en lugar de un calibre de presión relativo. La cantidad de agua y cronometraje son controlados por el controlador maestro 30 por medio de un solenoide de control de agua 32 para coincidir con la clasificación ISO del motor, independientemente de las condiciones atmosféricas del aire, relacionando los parámetros medidos con las condiciones ISO.

El sistema de purificación de aceite 42 está diseñado para remover cualquier agua atrapada en el sistema de aceite. El aceite entonces es devuelto a la caja del cigüeñal para la lubricación del motor.

Como se muestra en la figura 2, para un motor encendido por chispa, el diseño de pirohidrómetro 26 contiene un conector de chispa 27 inserto dentro de una cámara de combustión previa 34, el cual dirige las flamas de energía alta 36 (véase también la figura 5) de los gases quemados desde la cámara previa 34 dentro de la cámara de combustión por medio de los pasajes de gas de combustión 38. La introducción de flamas de energía alta 36 t dentro de la cámara de combustión (no mostrada) para permitir la combustión de las mezclas delgadas (y por consiguiente más eficientes de combustible) que de otra manera serían posibles. La cámara de combustión previa 34 termina en su extremo conector en una boquilla de inyector roscada 35 provistos con los pasajes 38 que se extienden dentro de la cámara de combustión previa 34 y con los chorros de agua 40 en comunicación de fluido selladas con la línea de agua 25 para proporcionar un patrón de rocío de agua que puede personalizarse para coincidir con cada geometría de pistón y cabeza, así como para ser compatible con el patrón del encendedor-chorro. Por ejemplo, como se observa mejor en la figura 5, los orificios individuales en la boquilla roscada 35 que definen los chorros de inyección de agua 40 pueden ser perforados inclinados en forma circunferencial a un ángulo oblicuo para proporcionar al agua un remolino para promover de esta forma el mejor mezclado con los gases de combustión entrantes. Los ángulos de inyección adecuados para una configuración de motor determinada pueden determinarse fácilmente en forma experimental instalando secuencialmente las boquillas de prueba diferentes, cada una con una serie diferentes de orificios perforados angulados, y seleccionando los orificios de perforación de boquilla que proporcionan el mejor desempeño.

Como se muestra en la figura 3, el diseño de pirohídrómetro 26a para un motor de encendido de micro piloto que utiliza combustible diesel, es similar a aquel mostrado en la figura 2, aunque en el cual, el inyector de diesel 39 está inserto dentro de la cámara de combustión previa 34. El extremo conectar 35 del pirohidrómetro 26a está adaptado con el patrón de tornillo del dispositivo de encendido del motor (u otro conectar adecuado).

Haciendo referencia a la figura 4, un pirohidrómetro 26 es provisto para utilizarse en un motor de encendido de chispa que es similar a aquel de la figura 2, aunque el cual, también contiene un inyector 41 para hidrógeno o gas de Brown (una "mezcla" estequiométrica estable de hidrógeno y oxígeno di-atómico y mono-atómico). El gas de Brown puede estar además de o ser un sustituto por el combustible gaseoso que ingresa a la cámara previa 24 por medio de los pasajes 38. Cuando el gas de Brown es alimentado dentro del pirohidrómetro 26b como está ilustrado, entonces la energía de la flama 36 que entra a la cámara de combustión tendrá una energía muy alta, permitiendo de esta manera que sean sometidas a combustión las mezclas caloríficas inferiores.

Haciendo referencia a la figura 6 y la figura 7, dos diseños de boquilla de pirohidrómetro 35a y 35b tienen regiones de conexión internas respectivas 37a, 37b que pueden producir dos grupos diferentes de patrones de prueba de rocío de agua. En el patrón 35a mostrado en la figura 6, los pasajes de combustible gaseoso mayores s 38a pueden ser perforados en diversos puntos y orientaciones dentro de la región 37a, con los chorros de agua menores 40a fijos, mientras en un patrón alternativo 35b, los pasajes de combustible 38b son fijos y los chorros 40b pueden ser perforados dentro de la región 37b.

Haciendo referencia a la figura 8, un motor de 16 cilindros 10a similar a aquel mostrado en la figura 1, se ha modificado para utilizarse con gas natural licuado alimentado desde una fuente 42 de LNG a una bomba LNG 44 e impulsor 46, a través de una línea de combustible LNG 48 a los cilindros del motor.

Haciendo referencia a la figura 9, el motor de 16 cilindros 10b de la figura 8 se han modificado adicionalmente para utilizarse con gas natural comprimido (CNG) alimentado desde una fuente 43 de LNG a una bomba LNG 44 e impulsor 46, a través de un vaporizador 47, posteriormente a través de una línea de combustible CNG 50 a los cilindros del motor. En una modalidad alternativa (no mostrada) el CNG podría ser generado fuera del sitio y almacenado y transportado en tanques presurizados, en cuyo caso, podrían entonces ser alimentado directamente en el punto 47 desde una válvula de control.

La figura 10, ilustra un hidrómetro de diesel para un motor diesel. Su propósito es tomar el lugar del inyector de diesel en un motor diesel y contienen una entrada de diesel 52 y una entrada de agua 54. El inyector en la figura 10, además de proporcionar combustible diesel al motor en un cono de rocío diesel convencional 53, también introduce agua en un patrón de rocío concéntrico 56 que rodea el cono de rocío de diesel 53, de manera que el agua inyectada rodea el combustible diesel inyectado. La cantidad de agua es controlada por el controlador para llevar el desempeño del motor a las condiciones ISO, así como también desplazar la cantidad de combustible diesel utilizado.

El hidrómetro de diesel en la figura 11 , es similar a aquel en la figura 10, aunque adicionalmente puede utilizar ya sea CNG o LNG de la tercera entrada 58 como un combustible sustituto para alguna parte o todos los combustibles diesel más pesados. Además de los conos diesel concéntricos y de rocío de agua 53 y 56, éste también proporciona un cono de rocío concéntrico exterior 60 formado mediante un anillo correspondiente de chorros CNG o LNG para introducir el combustible alternativo dentro de la cámara de combustión. Por consiguiente, la figura 11 tiene 3 patrones de rocío, mientras que la figura 10 tiene 2 patrones de rocío. En ambos casos, los chorros pueden ser localizados nuevamente para formar un grupo óptimo de patrones de rocío para una geometría de cámara de combustión particular, similar a los diseños de boquilla de pirohidrómetro mostrado en las figuras 6 y 7.

Los cuadros 1 a 4, muestran los resultados numéricos obtenidos de un modelo termodinámico computarizado de un motor reciprocante típico (en este caso, un CAT G3516C) modificado y operado de acuerdo con las diversas modalidades de la presente invención, después de la calibración con sus clasificaciones de eficiente de la hoja de datos, tanto a potencia máxima, como a condiciones ISO 3046/1 estándar y como es desclasificado en condiciones no ISO se asumió una eficiencia del generador del 96.7% y se asumieron eficiencias del compresor y expansión del turbocargador constantes. También, el índice de flujo de aire de entrada de combustión junto con la geometría del cilindro y la proporción de compresión, se utilizó para calcular la proporción de presión de turbocargador requeridas en ISO (debido a la falta de un mapa de compresor, la proporción de presión del turbocargado se mantuvo constante en el modelo). El modelo construido se mapeo a través de altitud (de 0 a 3,657.6 metros), temperatura de (10 a 54°C), y humedad (del 0% al 100%). El desempeño de adaptación se determinó y tabuló. Utilizando la hoja de datos, el modelo termodinámico se calibró (para las eficiencias del turbocargador, compresión y expansión).

Los datos del Cuadro 1 , fueron generados entonces agregando agua por inyección al modelo en el centro muerto superior y posteriormente coincidiendo la temperatura de flama calculada resultante con aquella del modelo de referencia ISO sin inyección alguna de agua (esto se logra variando el índice de flujo de fluido). La cantidad de agua determina el incremento de potencia que podría lograrse y este procedimiento se repitió hasta que la potencia y la temperatura de flama se llevaron hasta las condiciones ISO. En particular, se observa a partir del Cuadro 1 , que la cantidad de agua de inyección requerida para mantener la salida de clasificación completa se incrementa en altitudes superiores (presiones inferiores), experimentando un pico notable, aproximadamente a una temperatura de 100°F (38°C). El cuadro 1 asume un 60% de humedad relativa, el mismo procedimiento puede repetirse para otras humedades ambiente, de manera que el índice de flujo de agua de inyección requerido para una temperatura y presión atmosférica ambiente determinada se pueden ajustar para tomar en cuenta la humedad real, y también para tomar en cuenta cualquier agua ya presente en el combustible.

Una versión más refinada de ese modelo termodinámico con más variables (Cuadro 2) se mejoró entonces (Cuadro 3) para incluir los beneficios de otras modalidades de la presente invención. En particular, las cantidades variables de agua fueron inyectadas en dos momentos diferentes a dos temperaturas diferentes durante el ciclo de compresión/descompresión, no únicamente para incrementar la potencia, sino también para incrementar la eficiencia. Al inyectar una cantidad pequeña de agua a una temperatura relativamente baja (38°C) antes del encendido del combustible, fue posible incrementar la proporción de compresión de 11.3 a 14 sin el encendido automático debido a que la temperatura dentro de la cámara de combustión se reduce de esta manera. Además de la potencia incrementada y la eficiencia resultante de la proporción de compresión incrementada, la inyección de agua también es benéfica para reducir las pérdidas de dos dobleces. Al reducir la temperatura pico, se reduce la disociación, mejorando la eficiencia de combustión, y también se disminuyen las pérdidas ocasionadas por el agua cubierta y la radiación de calor. Se ha descubierto que el punto de inyección óptimo para dichos mejoramientos en la eficiencia está antes de la compresión, sin inyección de agua durante el golpe. Esto puede lograrse con la vaporización de entrada después del radiador intermedio.

Los cálculos adicionales que utilizan otras modificaciones para el modelo, también sugirieron que el tiempo óptimo para inyectar el agua para mejorar la potencia no fue en el centro muerto superior (como se asumió para el Cuadro 1), debido a que aparentemente tuvo como resultado que el agua sea vaporizada cuando se mezcla con los gases de combustión, apagando de esta manera la expansión que de otra forma habría ocurrido y produciendo una caída intermedia de la presión y temperatura dentro de la cámara de compresión y una reducción resultante en el desempeño de expansión. Sin embargo, si la inyección de agua que mejora la potencia ocurre después, preferentemente, una vez que los gases se han expandido por un factor de cuatro, entonces cualquier efecto de apagado tiene más peso por los mejoramientos, tanto de eficiencia como de potencia que se pueden atribuir a las pérdidas de calor reducidas en el motor, así como también a la expansión del agua. Adicionalmente, si el agua presurizada para la inyección que ocurre después durante la etapa de expansión se calienta previamente primero a una temperatura substancialmente superior (preferentemente de aproximadamente 343°C) utilizando el tubo de extracción del motor y el agua a temperatura alta es entonces lanzada a chorros sobre la cabeza del pistón y las paredes, tanto para enfriar las superficies metálicas como para vaporizarse, existe un incremento adicional en la eficiencia general, como está reflejado en el cuadro 3 (condiciones ISO) y en el Cuadro 4 (presión atmosférica reducida y temperatura elevada).

Aunque la presente invención se ha descrito en relación con las Ttemperarau modaCbi (°)t amenelidades preferidas, se comprenderá que se pueden utilizar modificaciones y variaciones sin alejarse de los principios y alcance de la presente invención, como comprenderán fácilmente aquellos expertos en la materia. Por consiguiente, dichas modificaciones pueden ser practicadas dentro del alcance de las reivindicaciones anexas.

CUADRO 1 Altitud (metros) 0 609.6 1 ,219.2 1 ,828.8 2,438.4 3,048 3,657 54 0.00 0.69 1.47 2.20 2.90 3.56 4.17 43 0.00 0.73 1.51 2.25 2.95 3.61 4.22 32 0.00 0.72 1.50 2.24 2.95 3.62 4.23 21 0.00 0.67 1.46 2.21 2.92 3.59 4.21 10 0.00 0.60 1.40 2.15 2.87 3.54 4.17 CUADRO 2 Estándar Presión Temp. Potencia kg/cm2 Flujo °C kW absolutos Kg/golpe Kg/s Salida del 211 2.56 0.0121 2.9074 -555 turbocargador Inyección de agua Entrada del 54 2.55 0.0121 2.9074 -502 pistón Comprimido 537 77.68 0.0133 3.1988 -1691 Inyección de 15.5 84.36 0.0003 0.0938 -combustible Quemado 1580 185.17 0.0137 3.2927 - Inyección de agua Expandido 732 7.24 0.0137 3.2927 3932 Salida del 499 1.06 0.0125 3.0012 555 turbocargador Potencia neta - - - - 1682 del motor CUADRO 3 Compresión incrementada con inyección de agua Presión Temp Potencia kg/cm Flujo °C kW absolutos Kg/golpe Kg/s Salida del 385 2.39 0.0121 2.9074 -522 turbocargador Inyección de 38 70.3 0.00007 0.0176 -agua Entrada del 40 2.39 0.0121 2.9250 -514 pistón Comprimido 541 98.42 0.0131 3.1675 -1788 Inyección de 15 84.36 0.0003 0.08734 -combustible Quemado 1535 226.43 0.0135 3.2550 -nyección de 343 175.75 0.0005 0.1414 -agua Expandido 607 7.29 0.0141 3.3965 4041 Salida del 487 1.06 0.0131 3.1538 522 turbocargador Potencia neta . — 1682 del motor CUADRO 4 0.89 Kg/cm2 absolutos (1.219 m) 32°C ambiente con inyección de agua Presión Temp Potencia kg/cm Flujo °C kW absolutos Kg/golpe Kg/s Salida del 224 2.26 0.0113 2.7330 -540 turbocargador Inyección de 38 70.3 0.00007 0.0176 -agua Entrada del 39 2.25 0.0114 2.7505 -514 pistón Comprimido 542 92.02 0.0124 2.9798 -1691 Inyección de 15 84.36 0.0003 0.0877 -combustible Quemado 1587 217.85 0.0127 3.0676 -Inyección de 343 175.75 0.0005 0.1414 -agua Expandido 637 7.11 0.0133 25470 3926 Salida del 508 0.94 0.0131 3.2091 540 turbocargador Potencia neta 1682 del motor

Claims (20)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un método para mejorar la potencia y eficiencia de un motor de combustión interna que tiene una capacidad clasificada conocida en las condiciones ISO, en las cuales, el agua u otro fluido no combustible se inyecta dentro de los cilindros del motor durante un ciclo de compresión/expansión que incluye un golpe de compresión y un golpe de expansión, que comprende los siguientes pasos: monitorear cualesquiera cambios en las condiciones atmosféricas actuales; determinar una cantidad del fluido no combustible inyectado, requerida para permitir que el motor produzca una capacidad clasificada en condiciones ISO en las condiciones atmosféricas reales; corregir una cantidad del fluido no combustible inyectado en respuesta a cualquier cambio en el contenido de agua de una fuente de combustible, utilizar un tubo de extracción de intercambiador de calor para calentar previamente por lo menos alguna parte del fluido no combustible que está siendo inyectado al motor; y complementar una primera inyección del fluido no combustible para controlar la combustión durante el golpe de compresión con una segunda inyección del fluido no combustible calentado previamente a una temperatura superior durante el golpe de expansión.

2 - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente uno o más de los siguientes pasos adicionales: proporcionar un hidrómetro que incorpora un sistema de encendido de energía alta con la capacidad de encender las mezclas del motor delgadas; utilizar un intercambiador de calor de condensación secundario para recubrir el agua del tubo de extracción del motor y obtener presiones internas absolutas (ISO); modificar una salida de patrón de flama de un pirohidrómetro diseñado para una geometría de la cámara de combustión específica para ser compatible con una geometría de cámara de combustión de motor diferente; modificar una salida del patrón de rocío de un hidrómetro diseñado para un diseño de motor específico para ser compatible con un diseño de motor diferente; y proporcionar un separador de aceite/agua para remover el agua del aceite del motor.

3. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el motor es un motor de ciclo Otto que tiene una cámara de combustión con una geometría específica y un pirohidrómetro que tiene salida a un patrón de flama específico personalizado para esa geometría.

4. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el motor es un motor de ciclo Diesel que tiene una cámara de combustión con una geometría especifica y un hidrómetro diesel que da salida a patrones de rocío complementarios de agua y combustible personalizados para esa geometría.

5. - Un motor de combustión interna operado según el método de la reivindicación 1 , que tiene un inyector con un arreglo de boquilla que se extiende dentro de una cámara de combustión aunque por lo menos una parte de dicha agua u otro fluido no combustible se inyecta dentro de la cámara de combustión, dicho inyector comprende: un medio de extremo de conexión para adaptar el inyector a la cámara de combustión; y medios de chorro para dirigir el fluido no combustible dentro de la cámara de combustión en un patrón de rocío espacial previamente determinado.

6. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque comprende adicionalmente una cámara previa de encendido integrada con el inyector para proporcionar un patrón de flama previamente determinado dentro de la cámara de combustión.

7. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque comprende adicionalmente grupo de chorros para inyectar un combustible diesel dentro de la cámara de combustión con un patrón de rocío previamente determinado que complementa un patrón de rocío correspondiente del medio de chorro.

8. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque comprende adicionalmente medios de suministro para proporcionar presurización y calentamiento previo de dicho fluido no combustible antes de que sea inyectado dentro de la cámara de combustión.

9. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque comprende adicionalmente un sistema de control acoplado en forma operativa al inyector y el medio de suministro para provocar que una primera cantidad de dicho fluido no combustible que tiene una primera temperatura sea inyectado durante un primer intervalo de tiempo dentro de un golpe de compresión y una segunda cantidad de dicho fluido no combustible que tiene una segunda temperatura a ser inyectada durante un segundo intervalo de tiempo subsiguiente dentro de un golpe de expansión.

10. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque dicha segunda temperatura es de por lo menos 343°C, y dicha primera temperatura es substancialmente menor que dicha segunda temperatura.

11. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque dicho primer intervalo de tiempo es anterior a la combustión y dicho segundo intervalo de tiempo es después del inicio de la expansión por un factor de tiempo de por lo menos cuatro.

12. - Un motor de combustión interna que tiene una pluralidad de cilindros, cada uno provisto con inyector de agua que tiene un arreglo de boquilla respectiva que se extiende dentro de una cámara de combustión respectiva, aunque el cual es una cantidad controlada de agua que se inyecta dentro de la cámara de combustión, que comprende: medios para determinar la temperatura y presión de combustión para cada cámara de combustión; medios para determinar la temperatura, presión y humedad de la atmósfera: y un controlador que utiliza la temperatura, presión y humedad atmosféricas determinadas para controlar la cantidad de agua a ser inyectada dentro de las cámaras de combustión.

13. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque el medio para determinar la presión de combustión de la cámara del motor tiene la capacidad de determinar las presiones de motor ISO absolutas.

14. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende adicionalmente medios para determinar el contenido de agua del combustible, en donde el controlador toma en cuenta el contenido de agua cuando calcula dicha cantidad.

15. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende adicionalmente medios para ajusfar la cantidad de agua agregada por el inyector de agua de manera que permite que el motor produzca su capacidad clasificada en condiciones ISO, independiente de las condiciones atmosféricas.

16. - El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende adicionalmente un separador de aceite/agua para remover el agua del aceite del motor.

17.- El motor de combustión interna de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque comprende adicionalmente un tubo de extracción del intercambiador de calor para calentar previamente por lo menos una parte del agua que está siendo inyectada dentro del motor.

18.- Un método para operar un motor de combustión interna del tipo de encendido por chispa o encendido por compresión que tiene una pluralidad de cámaras de combustión aunque dicha cantidad de agua u otro fluido no combustible se inyecta dentro de las cámaras de combustión, que comprende: determinar la temperatura y presión de combustión de cada cámara del motor; determinar la temperatura, presión y humedad de la atmósfera; y utilizar la temperatura, presión y humedad atmosféricas determinadas para controlar el agua inyectada dentro de las cámaras de combustión.

19.- El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque determinar la presión de combustión de la cámara del motor comprende medir las presiones del motor ISO absolutas.

20.- El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque comprende adicionalmente determinar el contenido de agua del combustible utilizado en el motor, y controlar la cantidad de agua inyectada con base en el cambio en la densidad del aire que debe a las desviaciones en las condiciones atmosféricas en relación con las condiciones ISO, así como también el contenido de agua en el combustible. RESUMEN DE LA INVENCIÓN Un inyector de agua tiene un extremo de conector que se adapta para la instalación en las cámaras de combustión individuales de un motor de combustión interna de tipo de encendido por chispa encendido por compresión, aunque cuya cantidad de agua u otro fluido no combustible se inyecta dentro de la cámara de combustión; la temperatura y presión de combustión para cada cámara de combustión, así como también la temperatura, presión y humedad de la atmósfera pueden ser monitoreadas y utilizadas para controlar la cantidad de agua inyectada dentro de las cámaras de combustión, de manera que el motor opera en condiciones de combustión internas equivalentes a aquellas que ocurren en las condiciones atmosféricas clasificadas ISO estándar y de esta manera entrega su salida clasificada ISO independientemente de las condiciones atmosféricas; una boquilla está adaptada al extremo de conector del inyector de agua que contiene una pluralidad de aberturas para inyectar el agua u otro fluido no combustible dentro de la cámara de combustión en un patrón de rocío espacial previamente determinado; para los motores encendidos por chispa, una cámara previa de energía alta puede ser integradas con el inyector de agua para facilitar la ignición cuando el agua es inyectada en el ciclo de compresión; para los motores de diesel, la boquilla de inyección de agua puede ser provista con un patrón de rocío espacial que complementa aquel del inyector de Diesel dentro del cilindro; la eficiencia del motor puede ser mejorada adicionalmente utilizando un tubo de escape de intercambiador de calor para calentar previamente por lo menos una parte del fluido que está siendo inyectado en el motor durante el golpe de compresión con una segunda inyección de fluido a una temperatura substancialmente superior durante el golpe de expansión para mantener una salida de clasificación superior durante las condiciones no ISO. 24B P10/1717F