SISTEMA DE FUMIGACIÓN PARA UN MOTOR DIESEL
Campo de la invención La presente invención se refiere en general a sistemas de motor de doble combustible. Más en particular, la presente invención se refiere a un sistema de fumigación para controlar la inyección de un combustible gaseoso en una admisión de aire de un motor diesel. Antecedentes Debido a la elevada eficiencia térmica obtenida por los motores que se encienden por compresión (por ejemplo, en comparación con los motores que se encienden por chispa), estos motores comúnmente son utilizados en aplicaciones industriales. La gran eficiencia de los motores encendidos por compresión, tales como los motores diesel, se debe en parte a la capacidad de usar proporciones de compresión más altas que las de los motores encendidos por chispa (es decir, los motores de gasolina) así como la capacidad para controlar la salida de potencia sin un estrangulador. En relación con esto último, la carencia de un estrangulador elimina las pérdidas de cargas premezcladas por estrangulamiento, típicas de los motores encendidos por chispa, lo que da por resultado una eficiencia significativamente mayor en carga parcial. Sin embargo, los motores encendidos por compresión y en particular los motores diesel, típicamente no pueden obtener bajos niveles de óxidos de nitrógeno (NOx) ni los bajos niveles de emisión de partículas que son posibles con los motores encendidos por chispa. Los motores diesel típicamente inyectan combustible diesel en la cámara de combustión del motor cuando el pistón de la cámara está cerca de la carrera de compresión. La elevada presión presente en la cámara enciende el combustible diesel. Debido a esa naturaleza de mezclado controlado de la combustión del diesel, existe una fracción grande del combustible a una proporción de equivalencia muy rica en combustible. Es decir, el combustible y el aire en la cámara de combustión no necesariamente forman una mezcla homogénea. Esto puede dar por resultado la combustión incompleta del combustible, lo que tiende a dar por resultado emisiones altas de partículas. Adicionalmente, la proporción de equivalencia rica en combustible también puede dar por resultado temperaturas de llama más altas en el proceso de combustión, lo que da por resultado emisiones incrementadas de NOx. Conforme se están poniendo en vigor normas ambientales más estrictas para las fuentes de diesel, los usuarios de los motores diesel están buscando maneras de bajas las emisiones. Una solución es reducir la cantidad de diesel inyectado en la cámara de combustión, lo que reduce la proporción de equivalencia y sirve para reducir las emisiones de partículas y de NOx; sin embargo, también reduce la potencia del motor. A fin de reducir los niveles de emisión de partículas y de NO2 de los motores diesel, dichos motores también se pueden convertir parcial o completamente para uso con combustibles gaseosos, tales como gas natural comprimido (CNG), combustibles naturales líquidos (LNG), tales como etanol y gas de petróleo líquido o licuado (LPG), tal como propano. La utilización de tales combustibles gaseosos con motores diesel no solamente provee una combustión más completa , y, por lo tanto, una economía mayor de combustible, sino que también da por resultado típicamente menores emisiones del motor. Sin embargo, los combustibles gaseosos típicamente no tienen el valor de centano requerido para permitir su ignición por medio de compresión. Consecuentemente, se deben modificar los motores diesel para usar tales combustibles. Los métodos para convertir un motor diesel para consumir combustibles gaseosos típicamente caen dentro de tres categorías. La primera es convertir el motor a un motor encendido por chispa; la segunda es convertir el motor para permitir la inyección directa de combustibles gaseosos en la cámara de combustión con el diesel inyectado, y la tercera es una tecnología de doble combustible, en la que se mezcla el combustible gaseoso con la totalidad o con una porción del aire de admisión del motor. Como se apreciará, los métodos segundo y tercero utilizan diesel inyectado (es decir, diesel piloto) para encender el combustible gaseoso. En este sentido, la combustión del combustible gaseoso da por resultado una combustión más completa del diesel. Adicionalmente, dado que el combustible gaseoso permite que el motor produzca potencia adicional, se inyecta menos diesel en los cilindros.
La conversión a un sistema de encendido por chispa y/o a un sistema de inyección directa de combustible gaseoso para utilizar combustibles gaseosos con un motor diesel, requieren, cada uno, típicamente, una modificación sustancial del motor diesel. Dichas modificaciones pueden incluir el reemplazo de las cabezas de cilindro, los pistones, el sistema de inyección de combustible, y/o la duplicación de muchos componentes del motor (por ejemplo, los sistemas de inyección). Consecuentemente, estos sistemas típicamente son costosos y frecuentemente no son confiables. Por otra parte, los sistemas de doble combustible requieren de poca modificación en los motores existentes. La operación de doble combustible, donde se mezclan combustibles gaseosos con el aire de admisión antes de la introducción de ese aire en el motor, es conocida en la técnica como fumigación. Se introduce la mezcla de combustible gaseoso y aire dentro de cada cilindro del motor durante la carrera de admisión. Durante la carrera de compresión del pistón, se incrementan la presión y la temperatura de la mezcla. Cerca del final de la carrera de compresión, una cantidad pequeña de combustible diesel piloto, procedente del sistema de inyección de combustible diesel que existe en el motor, es inyectado en el cilindro. El diesel piloto se enciende debido a la compresión y a su vez enciende la mezcla de combustible gaseoso y aire de admisión. Como se apreciará, dichos sistemas de fumigación pueden utilizarse en motores diesel existentes con poca o ninguna modificación del motor existente.
Adicionalmente, los motores que utilizan esos sistemas de fumigación típicamente pueden ser operados en un modo de doble combustible, o en un moto estrictamente de diesel (por ejemplo, cuando no está disponible un combustible gaseoso). Breve descripción de la invención Es un objetivo de la presente invención proveer un sistema de fumigación para diesel, que se puede instalar en motores diesel de diversos tamaños y configuraciones. Es otro objetivo de la presente invención proveer un sistema de fumigación para diesel, que es operativo para reducir las emisiones de NOx y partículas desde un motor diesel. Es otro objetivo proveer combustible gaseoso a un motor diesel, con base en los requerimientos y demandas variables del motor. Los inventores de la presente han reconocido que los sistemas de doble combustible han sufrido hasta ahora de dos desventajas principales, que previenen el uso amplio de tales sistemas. La primera desventaja se encuentra típicamente a condiciones de operación de alta carga, cuando la temperatura y la presión elevadas en el motor, durante las carreras de compresión, hacen que la mezcla de aire de admisión/combustible gaseoso sea susceptible a detonación prematura o cascabeleo. Adicionalmente, a dichas cargas elevadas, algunos combustibles gaseosos (por ejemplo, el gas natural), carecen de la energía térmica (es decir, de BTU) requerida para mantener una salida de potencia deseada del motor.
La segunda desventaja sé encuentra a baja carga del motor, cuando la mezcla de combustible gaseoso y aire puede ser demasiado pobre para combustión satisfactoria. En ese caso, el consumo de combustible se puede incrementar realmente, al igual que las emisiones de hidrocarburos (es decir, combustibles gaseosos sin quemar) y partículas. Cada uno de estos problemas puede denominarse ampliamente un problema de dosificación de combustible gaseoso, en un volumen de flujo de combustible gaseoso al motor. Ambas desventajas anotadas en lo que antecede son particularmente agudas en los motores diesel, que operan a niveles de carga variables durante su funcionamiento (por ejemplo, los vehículos en carretera y fuera de carretera). Dichos motores requieren que el volumen de combustible gaseoso inyectado en el flujo de aire de admisión pueda variar con la variación de requerimientos o demandas del motor, a fin de mantener las salidas deseadas de potencia y de emisiones. Los inventores de la presente invención se han dado cuenta de que esa dosificación, con base en un nivel de carga de un motor diesel provee un buen punto de arranque para una afinación fina de un flujo de combustible gaseoso, a fin de obtener emisiones mejoradas y/o economía de combustible mayor, en una amplia gama de condiciones de operación. Por ejemplo, en un método para dosificar el volumen de un flujo de combustible gaseoso, con base en los requerimientos o demandas variables del motor, un sistema de fumigación puede utilizar una válvula que es accionada en respuesta a la presión de sobrealimentación de un turbocargador interconectado con un motor diesel. En este sentido, cuando se incrementa una carga sobre el motor diesel, el turbocargador genera una presión de sobrealimentación incrementada. Una vez que esta presión de sobrealimentación alcanza un nivel predeterminado, se puede abrir parcialmente la válvula para permitir que se suministre combustible gaseoso a la admisión de aire. Conforme aumenta adicionalmente la presión de sobrealimentación, se abre adicionalmente la válvula para permitir que fluya más combustible gaseoso a la admisión.. Sin embargo, en este método, no se suministra combustible gaseoso a bajos niveles de carga (por ejemplo, sin carga) ya que no se genera presión de sobrealimentación a esos niveles bajos de carga. Adicionalmente, a niveles altos de carga, cuando la presión de sobrealimentación puede abrir totalmente la válvula, puede fluir un exceso de combustible gaseoso dentro de la corriente de aire de admisión, lo que puede dar por resultado cascabeleo y/o bajo rendimiento del motor. En este sentido, la dosificación basada en la carga, por sí misma, con frecuencia es inadecuada para motores diesel que experimentan niveles variables de carga. Consecuentemente, los inventores han reconocido que, en muchos casos, puede ser conveniente que haya medios adicionales o alternos para dosificar el volumen de flujo de combustible gaeoso, a fin de que se obtena una afinación fina de ese volumen de flujo. En este sentido, se ha determinado que, al vigilar uno o más parámetros del motor, tales como, por ejemplo, la temperatura del gas de escape, los niveles de oxígeno del escape y/o la velocidad del motor, se puede ajustar el volumen de flujo del combustible gaseoso (es decir, conjuntamente con, o independientemente de la dosificación basada en la carga) para prevenir la pérdida de potencia a cargas en el extremo elevado, al mismo tiempo que se mantienen salidas de emisión favorables, sustancialmente en toda la escala de operación del motor. De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se provee un sistema de fumigación de combustible gaseoso, para interconectarlo a un motor diesel. El sistema incluye una primera válvula dispuesta en una trayectoria de flujo entre un suministro de combustible gaseoso y una corriente de admisión de aire de un motor diesel. La primera válvula es operativa para regular el volumen de flujo del combustible gaseoso (es decir, desde el suministro de combustible gaseoso) a través de la trayectoria de flujo, con base en un nivel de carga asociado con el motor. Una segunda válvula, dispuesta en serie con la primera válvula en la trayectoria de flujo, es operativa para regular adicionalmente el volumen de flujo del combustible gaseoso a través de la trayectoria de flujo, antes que el combustible gaseoso llegue a la corriente de admisión de aire del motor La segunda válvula es operativa para regular adicionalmente el volumen de flujo basado en, por lo menos parcialmente, un contenido de oxígeno en los gases de escape, en una corriente de escapa del motor. Existen varios refinamientos de los aspectos anotados, en relación con el primer aspecto de la presente invención. Estos refinamientos y/o estos aspectos adicionales pueden existir individualmente o en cualquier combinación. Por ejemplo, el sistema de combustible gaseoso puede estar interconectado a cualquiera de entre una variedad de motores diesel de configuraciones diferentes. Es decir, dicho sistema de fumigación puede ser incorporado en aplicación industrial pesada (por ejemplo, motores de ferrocarril), sistemas de generación de energía y/o vehículos diesel para uso fuera de carretera. Adicionalmente, dicho sistema puede ser incorporado en equipo original del fabricante de equipo (OEM), o bien dicho sistema puede ajustarse en motores diesel existentes. Adicionalmente, se notará que el combustible gaseoso puede ser inyectado en la corriente de aire de un motor, de una manera apropiada. En este sentido, la trayectoria de flujo puede esta acoplada directamente a una corriente de admisión de aire, a fin de inyectar directamente combustible en esa corriente, o bien se puede disponer la salida de la trayectoria de flujo con relación a una admisión de aire de manera que el combustible gaseoso sea llevado forzadamente hacia el motor con el aire ambiental. Tal como se usa aquí, se pretende que el término válvula incluya cualquier mecanismo para variar el flujo de un fluido a través de una trayectoria de flujo. Dichas válvulas incluyen, sin limitación, válvulas mecánicas, operativas para restringir un área de sección transversal de una trayectoria de flujo, así como válvulas reguladoras de presión, que son operativas para reducir la presión y/o el volumen de un gas que pasa a través de la válvula. Consecuentemente, la presión del suministro de combustible gaseoso y/o el tamaño (es decir, el tamaño en sección transversal) de la trayectoria de flujo, se pueden seleccionar para una aplicación particular. Se notará que, aunque las válvulas primera y segunda están dispuestas en serie, el orden de esas válvulas no tiene importancia. En ese sentido, las válvulas primera y segunda pueden ser operadas independientemente, y el volumen de flujo total que pasa a través de las dos válvulas será el mismo, independientemente de su orden. Generalmente, sin embargo, la primera válvula establecerá el primer volumen de flujo y la segunda válvula actuará como una válvula de empobrecimiento, que es operativa para establecer un segundo volumen de flujo entre cero y 100 por ciento del primer volumen de flujo. Se inyecta entonces el segundo volumen de flujo en la corriente de aire de admisión. En este sentido, se puede utilizar la segunda válvula para prevenir que algún flujo de combustible gaseoso llegue al motor diesel, si las circunstancias exigen la eliminación del suministro de combustible gaseoso. Tal como se hizo notar, la primera válvula regula el volumen de flujo del combustible gaseoso en relación con un nivel de carga asociado con el motor. En una modalidad particular se determina este nivel de carga de la presión de sobrealimentacióin producida por un turbocargador conectado al motor diesel. En este sentido, se puede utilizar la presión de sobrealimentación para abrir una válvula accionada a resorte, para abrir de manera variable una trayectoria de flujo a través de la válvula. Como se apreciará, a medida que aumenta el nivel de carga del motor, también aumenta la presión de sobrealimentación. Esta presión de sobrealimentación incrementada puede abrir adicionalmente la primera válvula, de manera que el volumen de flujo incrementado del combustible gaseoso pueda pasar a través de ella. Como se apreciará, el uso de dicha válvula accionada a resorte puede permitir que se prevenga el paso de algún combustible gaseoso a través de la válvula hasta que se alcance una presión de sobrealimentación predeterminada. Adicionalmente, la válvula puede ser ajustable para permitir que un usuario establezca el nivel de carga del motor necesario para abrir inicialmente y/o por completo la válvula. Aunque se discute con relación a una válvula accionada a resorte, se apreciará que se pueden utilizar otros tipos de válvula. Por ejemplo, también se podría usar una válvula accionada electrónicamente (por ejemplo, una que utiliza un motor de velocidad gradual) operativa con relación al gobernador del motor y/o un sensor de RPM para establecer un volumen de flujo de combustible gaseoso, con base en dicho nivel de carga del motor. A fin deque la segunda válvula regule (es decir, que afine la graduación) del volumen de flujo del combustible gaseoso con base en carga, basado en el contenido de oxígeno de los gases de escape, el sistema incluirá típicamente un sensor de oxígeno dispuesto dentro de una corriente de escape dei motor. En relación con esto, un controlador puede recibir una señal de salida de un sensor y/o convertir dicha señal en un contenido de oxígeno. Este controlador puede controlar entonces el funcionamiento de la segunda válvula, a fin de aumentar o disminuir el volumen del flujo de combustible gaseoso a través de la segunda válvula y, de esa manera, el volumen de flujo que llega a la corriente de toma de aire del motor. Para afinar finamente el flujo de combustible gaseoso, el controlador puede incluir adicionalmente una programación (por ejemplo, software, hardware y/o firmware) que mantenga una o más de las condiciones de operación predeterminadas para el motor. En este sentido, el controlador puede ser operativo para el funcionamiento del motor y/o para los propósitos de las emisiones, a fin de mantener por lo menos un contenido mínimo predeterminado de oxígeno en la corriente de oxígeno. Por ejemplo, si la corriente de escapa tiene el oxígeno agotado (es decir, si se encuentra por debajo de una cantidad predeterminada deseada), están pasando hidrocarburos sin quemar a través del motor y, por consiguiente, están aumentando las salidas de emisiones. El controlador puede ser operativo para ajustar el volumen de flujo de combustible gaseoso a través de la segunda válvula (por ejemplo, de reducir el volumen), para restablecer el contenido de oxígeno deseado en la corriente de escape. Consecuentemente, el asegurar que por lo menos esté presente un contenido mínimo deseado de oxígeno dentro de los gases de escape, permite garantizar la combustión completa del combustible gaseoso y/o del combustible diesel dentro del motor. De acuerdo con otro aspecto de la invención se provee un sistema de fumigación de combustible gaseoso para interconexión con un motor diesel, en el que el volumen de un flujo de combustible gaseoso a través de una trayectoria de flujo entre un suministro de combustible gaseoso y una corriente de admisión de aire, es controlado con base en el contenido de oxígeno de una corriente de escape del motor. Más en particular, el sistema incluye un sensor de oxígeno dispuesto dentro de la corriente de escape del motor, y un controlador operativo para ajustar una primera válvula dispuesta en la trayectoria de flujo, para mantener un contenido mínimo predeterminado de oxígeno en la corriente de escape. En una modalidad preferida, el controlador incluye un ajustador del contenido de oxígeno que es operativo para permitir que un usuario fije un contenido mínimo predeterminado de oxígeno. Como se apreciará, esto permite que un usuario seleccione un contenido mínimo de oxígeno, con base en uno o más parámetros específicos del motor. Esto permite hacer a la medida de las necesidades dicho sistema de fumigación, para uso con una variedad grande de motores diesel de configuraciones diferentes. Existen variaciones y refinamientos del presente aspecto. Dichas variaciones y refinamientos pueden existir en cualquier combinación. Por ejemplo, el controlador puede ser una unidad independiente, o puede estar incorporado en uno o más procesadores existentes, asociados con el motor. Lo que es importante es que el controlador sea operable para determinar un contenido de oxígeno desde la salida del sensor, y proveer una señal de salida operativa para ajustar (por ejemplo, abrir y/o restringir) una válvula dispuesta dentro de la trayectoria de flujo entre un suministro de combustible gaseoso y una corriente de admisión de aire del motor. A fin de permitir que un usuario fije un contenido mínimo predeterminado de oxígeno para la corriente de escape de un motor, el sensor de oxígeno dispuesto dentro del escape debe ser operable para leer con precisión una variación de contenidos de oxígeno para un rango amplio. En este sentido, se utiliza un sensor de oxígeno de banda ancha, que es capaz de identificar con precisión contenidos de oxígeno de entre alrededor de 1 por ciento y alrededor de 22 por ciento. Adicionalmente, el uso de dicho sensor de oxígeno permite establecer un mantener un contenido deseado de oxígeno dentro de la corriente de escape. Como se apreciará, los sensores de oxígeno utilizados para aplicaciones de convertidor catalítico para automóviles, utilizan un sensor de oxígeno que tiene un valor prefijado. Típicamente, se ajusta el funcionamiento del motor para que esté dentro de un valor porcentual del valor prefijado en el sensor de oxígeno. Esto da por resultado el funcionamiento cíclico del motor. Es decir, los gases de escape están por arriba o por debajo del punto fijo predeterminado. Pero nunca convergen necesariamente en ese punto fijo, el sensor de oxígeno de banda ancha permite una percepción más precisa del oxígeno y, por consiguiente, la capacidad de establecer y mantener un nivel de oxígeno dentro de una corriente de escape (es decir, un funcionamiento no cíclico). De acuerdo con otro aspecto de la presente invención se provee un sistema de fumigación de combustible gaseoso usado para proveer combustible gaseoso a bajos niveles de carga del motor. En este sentido se dispone una primera válvula en la trayectoria de flujo entre un suministro de combustible gaseoso y una corriente de admisión de aire de un motor diesel. Esta primera válvula es operativa para moverse de una posición cerrada a una posición por lo menos parcialmente abierta, en respuesta a una presión de sobrealimentación predeterminada desde un turbocargador asociado con el motor. Como se apreciará, hasta que la presión de sobrealimentación sobrepasa el valor mínimo predeterminado, la válvula permanece cerrada. Dichas condiciones existen frecuentemente cuando el motor diesel trabaja sin carga. Consecuentemente, el sistema utiliza un portillo de derivación que pasa a través de la primera válvula, para mantener un flujo mínimo predeterminado de combustible gaseoso a través de la válvula, mientras la válvula está en la posición cerrada. Esto permite que haya emisiones reducidas, asociadas con el uso de combustibles gaseosos, a niveles bajos de carga del motor. En una modalidad, el sistema incluye adicionalmente un ajustador que permite ajustar selectivamente el volumen de flujo del combustible gaseoso a través del portillo de derivación. Consecuentemente, el volumen de flujo de derivación a cargas bajas del motor (por ejemplo, sin carga) se puede dimensionar según la necesidad, para un motor específico. De acuerdo con otro aspecto de la presente invención se provee un método para operar un sistema de fumigación de gas, interconectado a un motor diesel. El método incluye establecer un primer flujo de fluido de combustible gaseoso, con base en un nivel de carga de un motor diesel. Se identifica un contenido de oxígeno en la corriente de escape del motor y, con base en ese contenido de oxígeno, se regula el volumen de flujo del combustible gaseoso para establecer un segundo volumen de flujo que está entre cero y 100 por ciento del primer volumen de flujo. Luego se inyecta el segundo volumen de flujo en la corriente de admisión de aire del motor diesel. Este método permite la afinación fina (es decir, la dosificación) de un flujo de combustible gaseoso basado en la carga, de tal manera que dicho funcionamiento y/o las salidas de emisiones, se puedan mantener a niveles altos y/o bajos de carga en un motor diesel. El método de la presente puede ser utilizado con motores diesel que operan a velocidades de operación constantes (es decir, motores de fuente puntual) y/o con motores diesel que tienen requerimientos variables de carga (por ejemplo, en vehículos dentro y fuera de carretera). En este último contexto, el nivel de carga del motor diesel puede fluctuar de una manera casi continua. Consecuentemente, fluctuará de igual manera el primer volumen de flujo. Adicionalmente, la regulación del primer flujo de combustible gaseoso fluctuará asimismo para mantener uno o más parámetros deseados incluyendo, por ejemplo, el contenido de oxígeno del escape, la velocidad del motor y/o las temperaturas de los gases de escape. En este contexto, se notará que se pueden vigilar una o más variables para proveer un sistema que pueda cerrar la inyección de gas al motor cuando se sobrepase cualquiera de entre diversas variables predeterminadas. En este sentido, un lógico dentro del controlador puede vigilar una o más de esas variables, de tal manera que se pueda ajustar en consecuencia el flujo de combustible gaseoso. Por ejemplo, si una temperatura del gas de escape sobrepasa una cantidad máxima predeterminada, se puede reducir el combustible gaseoso suministrado al motor diesel. Si la temperatura del gas de escape continúa excediendo el valor máximo predeterminado (es decir, el sistema no se estabiliza a un valor deseado)se puede cortar del todo el flujo de combustible gaseoso. Se pueden establecer sistemas similares para las RPM del motor de manera que el motor no se sobre-revolucione, lo que puede dañar al motor. Tal como se presenta, el método provee un sistema de redundancia múltiple para prevenir daos a un motor que utiliza un sistema de fumigación. En cualquiera de los diversos aspectos, las emisiones de un motor diesel pueden reducirse significativamente sin afectar la salida de potencia de ese motor. Esto se debe en parte a una combustión más completa del combustible diesel dentro del motor, debida a la inclusión del combustible gaseoso, así como a la reducción del combustible diesel utilizado por el motor. Es de notar que se puede utilizar cualquier combustible gaseoso, incluyendo, sin limitación: gas natural, metano, propano, hidrógeno, etanol vaporizado, metanol vaporizado y/o cualquier otro gas o vapor que tenga propiedades de combustión adecuadas. Adicionalmente se notará que los sistemas de fumigación anotados en lo que antecede pueden ser fijados para reducir ai mínimo el combustible diesel utilizado por un motor. Esto tiene beneficios importantes en aplicaciones de la producción de pozos de gas natural y/o de gas metano. En tales aplicaciones, frecuentemente se utilizan motores de gas natural o de diesel para bombear y/o para comprimir el gas de los pozos hacia las tuberías. Debido al bajo valor de BTU del gas natural, dichos motores de gas natural frecuentemente son considerablemente mayores y más costosos que un motor diesel que tenga un valor nominal de potencia similar. En este sentido, es aconsejable utilizar motores diesel, aunque estos motores puedan estar ubicados remotamente y requieran de servicio frecuente (por ejemplo, la reposición del combustible diesel). Al incorporar un sistema de fumigación en estos motores ubicados remotamente, de manera que utilicen combustible gaseoso, del cual hay un suministro fácil, se puede reducir significativamente el uso del diesel, disminuyendo de esa manera la necesidad de dar servicio a dichos motores. Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una vista esquemática de una primera modalidad de los sistemas de fumigación de la presente invención. La figura 2a ilustra una primera vista en sección de una válvula de presión de sobrealimentación, utilizada dentro del sistema de la figura 1 . La figura 2b ilustra una segunda vista en sección de la válvula de presión de sobrealimentación de la figura 2a. La figura 3 ilustra una modalidad de una válvula de empobrecimiento, utilizada con el sistema de la figura 1 ; y La figura 4 ilustra una segunda modalidad del sistema de fumigación. Descripción detallada Se discutirá ahora la presente invención con referencia a los dibujos anexos, que ayudarán al menos parcialmente a ilustrar sus diversos aspectos pertinentes. La figura 1 muestra una vista esquemática de una primera modalidad de un sistema 10 de fumigación de doble combustible, interconectado con un motor diesel 20 turbocargado. El sistema de fumigación 10 es aplicable a una variedad de aplicaciones de motor diesel, y se lo puede utilizar en cualquiera de entre una variedad de ambientes en los que se utilizan los motores diesel. Por ejemplo, se puede utilizar el sistema de fumigación 10 con sistemas estacionarios, generadores de energía, así como el vehículo accionados por motor diesel para carreteras y fuera de carreteras. Es decir, se puede utilizar el sistema con motores diesel para operar a un nivel de carga fijo, así como con motores diesel que tengan requerimientos de carga variables debido, por ejemplo, a las necesidades de trabajo sin carga, a las necesidades de aceleración, a las necesidades de velocidad de crucero, etc. Adicionalmente se notará que el sistema de fumigación 10 está discutido en relación con su aplicabilidad de motores diesel turbocargados; sin embargo, se apreciará que ciertos aspectos de la invención no están limitados a esas aplicaciones. Las características internas particulares del motor de combustión interna 20 turbocargado no tienen importancia particular para la invención. En este sentido se notará que el sistema de fumigación 10 puede estar interconectado con una multitud de motores diesel 20 de diferentes configuraciones. Como se muestra, el motor 20 incluye un turbocargador 30, que provee aire de admisión a presión al motor 20 durante la operación de la carga. El turbocargador 30 incluye un impulsor 32 que se interconecta con una turbina 34. El impulsor 32 está dispuesto dentro de una línea 26 de admisión de aire del motor 20, mientras que la turbina 34 está dispuesta dentro de una salida de escape 38 del motor 20. Como es convencional, la turbina 34 recibe gas de escape de un múltiple de escape 28 del motor diesel 20. El gas de escape hace girar los alabes de la turbina 34, lo que provoca que el impulsor 32 gire de igual manera, comprimiendo de esa manera el aire suministrado al impulsor 32 a través del múltiple de admisión 24, donde se suministra a portillos de admisión de entrada dentro del motor diesel 20. Por medio del turbocargador 30 se comprime el aire alimentado al motor 20, lo que incrementa el desempeño del motor 20.
La configuración interna exacta del motor diesel 20 no tiene importancia para la presente invención, ya que el sistema de fumigación gaseosa 10 descrito aquí puede estar interconectado con una variedad de motores con diferentes configuraciones. Típicamente, el motor 20 incluirá varios ensambles de cilindro, cada uno de los cuales tiene un portillo de admisión, un portillo de escape y un inyector de combustible. Cada ensamble de cilindro incluirá adicionalmente un pistón para comprimir los gases dentro del cilindro. Se utiliza el inyector de combustible para inyectar combustible diesel en el cilindro (por ejemplo, cuando el pisón está en el centro muerto superior, o cerca de él), lo que provoca la combustión de la mezcla de combustible/aire. Independientemente de la configuración exacta del motor diesel 20, el motor 20 puede estar equipado con, o se le puede añadir, el sistema 10 de fumigación de doble combustible. Como se muestra en la figura 1 , el sistema de fumigación incluye una fuente 40 de combustible gaseoso para proveer un flujo de combustible a la admisión de aire 36 del motor a través del conducto 42 de suministro de gas. Es de notar que la salida del conducto 42 de suministro de gas puede estar dispuesta con relación a la admisión de aire 36 de tal manera que el gas emitido desde el extremo de este conducto 42 de suministro de gas se pueda llevar hacia la admisión de aire 36. En relación con esto, el combustible gaseoso puede pasar a través de un filtro asociado con la admisión de aire 36 antes de que entre en el motor 20. Como se discutirá aquí, está dispuesta una serie de tres válvulas entre la fuente de combustible gaseoso 40 y la admisión de aire 36. Se notará que no tiene importancia el orden de las válvulas para la operación del sistema 10. Las tres válvulas incluyen una válvula de cierre 46, una válvula 50 de presión de sobrealimentación, y una válvula de empobrecimiento 1 00. La válvula 50 de presión de sobrealimentación es una válvula mecánica que se abre en relación con la presión de sobrealimentación recibida del turbocargador 30, a través de un conducto 52 de presión de sobrealimentación . La válvula de cierre 46 y la válvula de empobrecimiento 1 00 están interconectadas con una unidad 80 de control electrónico, programable. La unidad de control electrónico (ECU) 80 programable está interconectada adicionalmente con un sensor 84 de oxígeno, dispuesta dentro de la salida 38 de escape del motor 20. Un sensor 88 de temperatura del gas de escape (EGT), que también está dispuesto dentro de la salida 38 de escapa, y un sensor de RPM 92, que es operativo para determinar la velocidad del motor en el volante, también están interconectados a la ECU 80, como se discutirá en la presente. La válvula de cierre 46 es operativa para prevenir cualquier flujo de gas entre la fuente 40 de combustible gaseoso y la admisión 36 de aire cuando el motor 20 no está operando. Es decir, cuando el sistema eléctrico del motor 20 está inactivo, la válvula de cierre 46 está cerrada para prevenir que se desplace el combustible gaseoso 40, típicamente a presión , a través del cond ucto 42 de suministro de gas. Es de notar que la fuente 40 de alimentación de combustible gaseoso puede incluir adicionalmente reguladores, a fin de proveer una presión de gas predeterminada al conducto 42. Adicionalmente, se notará que el tamaño del conducto 42 de suministro de gas, y/o la presión del combustible gaseoso se pueden seleccionar para proveer un caudal/volumen deseados, con base en el requerimiento o los requerimientos del motor 20. Al arrancar el motor 20, se abre la válvula de cierre 46 para permitir el flujo de combustible gaseoso entre la fuente de gas 40 y la válvula 50 de presión de sobrealimentación . La figura 2a muestra una vista en sección de la válvula 50 de presión de sobrealimentación. Como se muestra, la válvula 50 de presión de sobrealimentación incluye una entrada de gas 54 y una salida de gas 56. Entre la entrada 54 y la salida 56 está dispuesto un ensamble de válvula operado a diafragma. El ensamble de válvula incluye un cuerpo de válvula 58, un asiento de válvula 60, un resorte 62 y un ajustador de tensión de resorte 64. Como se muestra, el cuerpo de válvula 58 y el asiento de válvula 60 son generalmente cilindricos y están dispuestos en una relación cooperante cuando no está presente la presión de sobrealimentación. Es decir, el resorte 62 mantiene el cuerpo de válvula 58 contra el asiento de válvula 60 en ausencia de presión de sobrealimentación del turbocargador 30, con lo que se previene el flujo de gas a través de la porción principal de la válvula 50 de presión de sobrealimentación. La línea de conducto 62 de presión de sobrealimentación tiene un primer extremo interconectado al turbocargador 30, y un segundo extremo interconectado a la entrada 66 de presión de sobrealimentación de la válvula 50 de presión de sobrealimentación. La entrada 66 de sobrealimentación está conectada a una cámara de presión 68, que está dividida por un diafragma flexible 70. La presión dentro de la cámara de presión 68 del turbocargador 30 aplica presión ascendente al diafragma 70. El diafragma 70 está interconectado al cuerpo de válvula 58 por medio de una varilla de empuje 71 . Cuando es suficiente la presión ascendente, el diafragma 70 se mueve hacia arriba y la varilla de empuje 71 levanta el cuerpo de válvula 58 del asiento de válvula 60, abriendo de esa manera una trayectoria de fluido entre la entrada de gas 54 y la salida de gas 56. Es decir, cuando la presión de sobrealimentación en la cámara de presión 68 se sobrepone a la fuerza aplicada al cuerpo de válvula 58 por el resorte 62, el combustible gaseoso procedente de la fuente 40 de combustible gaseoso puede ser suministrado a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación y por la admisión de aire 36, a través de la válvula de empobrecimiento 100. Como se apreciará, conforme aumenta la presión de sobrealimentación se puede desplazar adicionalmente el asiento de válvula 60, incrementando así progresivamente el flujo del combustible gaseoso a través de la válvula de presión de sobrealimentación, en respuesta a los cambios en las condiciones de operación del motor. Adicionalmente, el ajustor 64 permite que se fije una presión mínima de sobrealimentación que ara la válvula 50 de presión de sobrealimentación. A niveles bajos de carga, el motor diesel 20 no produce presión de sobrealimentación y, de igual manera no puede abrir la válvula 50 de presión de sobrealimentación. En este sentido, a cargas bajas de motor, tales como el funcionamiento sin carga, el combustible gaseoso no puede pasar a través de la porción principal de la válvula 50 de presión de sobrealimentación. Sin embargo, la configuración de la presente de la válvula 50 de presión de sobrealimentación incluye un portillo 72 de derivación en situación sin carga. Como se muestra en la figura 2b, una porción del flujo de gas que pasa a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación puede pasar a través el portillo 72 de derivación en situación sin carga, a través del cuerpo de válvula principal y a través de la salida 56, mientras el cuerpo de válvula 58 está asentado sobre el asiento de válvula 60. Adicionalmente, en la modalidad mostrada, el portillo 72 de derivación en situación sin carga incluye un tornillo 74 de ajuste de la derivación en situación sin carga. Este tornillo 74 de ajuste de la derivación en situación sin carga permite que se varíe el flujo de combustible gaseoso a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación cuando la presión de sobrealimentación es insuficiente para abrir el ensamble de válvula principal. En este contexto, se pueden proveer combustibles gaseosos al motor, a niveles bajos de carga, de manera que se puedan obtener los beneficios de la inyección de combustible gaseoso (por ejemplo, reducción de NOx y/o de partículas), a reglajes de carga bajos.
Dicho de otra manera, el portillo 72 de derivación en situación sin carga mantiene un flujo mínimo de gas a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación . Las figuras 2a y 2b ilustran el flujo de los combustibles gaseosos a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación. Tal como se muestra en la figura 2b, el combustible gaseoso entra en la entrada 54 de gas desde el lado izquierdo de la válvula 50 y pasa a través del ensamble de válvula principal. Se apreciará que la válvula 50 puede ser girada para acomodar el flujo en una dirección opuesta. De regreso en la figura 2a, se notará que, cuando se abre el ensamble de válvula, el combustible gaseoso pasa hacia arriba, a través de la porción central de la válvula 50, y hacia fuera a través de la salida 56. Adicionalmente se notará en la figura 2b que la válvula 50 de presión de sobrealimentación 50 incluye un tornillo 76 ajustador de la mezcla de combustible que es operativo para limitar el flujo máximo de combustible gaseoso a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación. En relación con esto, se puede utilizar la válvula 50 de presión de sobrealimentación con motores que tengan diversos requerimientos de flujo. Es decir, cuando la presión de sobrealimentación abre por completo el ensamble de válvula principal, se puede regular el tornillo 76 ajustador de la mezcla de combustible, para un motor particular, de modo que se establezca un flujo máximo deseado a través de la válvula 50 de presión de sobrealimentación . La figura 3 muestra una modalidad de la válvula de empobrecimiento 100. En la modalidad mostrada, la entrada 102 de la válvula de empobrecimiento 100 recibe el flujo de gas de la salida 56 de la válvula 50 de presión de sobrealimentación 50. Tal como se muestra, fa válvula de empobrecimiento 100 tiene una entrada 102, una salida 104, un asiento de válvula 106 y un ensamble de aguja 108. Un motor de velocidad variable 1 10 está interconectado con la válvula de aguja 108. El motor 1 10 de velocidad variable es operativo, en respuesta a las señales recibidas de la ECU 80, para ajustar la posición del ensamble de aguja 108, a fin de variar el volumen del flujo de combustible gaseoso (es decir, como se recibe de la válvula 50 de presión de sobrealimentación), a través de la válvula de empobrecimiento 100, antes de ser recibido por la admisión de aire 36. En este contexto se debe notar que, a cargas elevadas, los sistemas de fumigación de doble combustible frecuentemente sufren de falta de potencia. Esto se debe, en parte, al hecho de que la mayoría de los combustibles gaseosos contienen menos energía térmica que el combustible diesel. Consecuentemente, a cargas elevadas, el combustible gaseoso puede no proveer suficientes BTU al motor diesel 20 para una operación eficiente. Con relación a esto, se puede restringir el flujo de combustible gaseoso por medio de la válvula de empobrecimiento 100. Es decir, a cargas altas, cuando la válvula 50 de presión de sobrealimentación está totalmente abierta, se puede empobrecer el flujo de combustible gaseoso resultante para proveer funcionamiento mejorado del motor (es decir, para dar por resultado un uso mejor del diesel para mantener la salida de potencia). Adicionalmente, se puede utilizar la válvula de empobrecimiento 100 para afinar finamente el flujo de combustible gaseoso a fin de obtener las salidas de emisión deseadas. Tal como se hizo notar, la válvula de empobrecimiento 100 es operada por la ECU 80. En su forma más simple, la ECU 80 utiliza el sensor de oxígeno 84, que está dispuesto en la salida de escapa 38 del motor 20, para general señales de control para ajustar la válvula de empobrecimiento 100. En este sentido, el contenido de oxígeno de los gases de escape vigilados por el sensor 84 de oxígeno. El sensor de oxígeno 84 genera una señal basada en su contenido de oxígeno, señal que es trasmitida a la ECU 80. La ECU 80 puede comprender cualquiera de entre una computadora, un chip de computadora, un microprocesador o un tablero de circuito. En todo caso, la ECU 80 controla el funcionamiento de la válvula de empobrecimiento 100, en relación con la señal de oxígeno recibida. Consecuentemente, la ECU 80 vigila ia señal procedente del sensor de oxígeno 84, de una manera sustancialmente constante. AI recibir una señal de oxígeno que muestre una cantidad de oxígeno por debajo de una cantidad deseada en el conducto de escape 38, la ECU 80 envía una señal de control a la válvula de empobrecimiento 100, provocando de esa manera que la válvula de empobrecimiento 100 haga avanzar el ensamble de aguja 108 hacia el asiento de válvula 106, lo que provee un flujo reducido de combustible gaseoso a la admisión de aire 36. Consecuentemente, este flujo reducido de combustible gaseoso a la admisión de aire da por resultado una mezcla más pobre de combustible gaseoso/aire de admisión. Inversamente, al recibir una señal de contenido de oxígeno que muestre un exceso de oxígeno en el conducto de salida 38, la ECU 80 envía una señal de control a la válvula de empobrecimiento 100, lo que hace que se abra el ensamble de aguja 108 con relación al asiento de válvula 106. Esto provoca un flujo incrementado de combustible gaseoso y, de esa manera, que se provea al motor 20 una mezcla más rica de combustible gaseoso/aire de admisión. Es de importancia particular para el sistema de fumigación 10 de la presente invención la capacidad para que un usuario controle selectivamente un punto fijo de oxígeno para la ECU 80. Es decir, un usuario puede controlar el contenido de oxígeno del gas de escape para incrementar la potencia del motor y/o las emisiones. En relación con esto, la ECU 80 incluye un ajustador 82 del contenido de oxígeno del escape, que se pueda fijar por un usuario para establecer un contenido deseado de oxígeno en los gases de escape. Como se apreciará, los motores de diferentes fabricantes pueden operar a diferentes niveles. Esto se aplica incluso para motores que tengan el mismo valor nominal de potencia (por ejemplo, de caballaje). Por ejemplo, un motor con valor nominal de 300 hp puede operar a 707.9 m3/seg (25 pie3/seg) de aire de admisión, mientras que otro motor con valor nominal de 300 hp puede utilizar 1415.8 m3/seg (50 pie3/seg) de aire. De igual manera, estos motores pueden tener niveles variables de presión de sobrecarga.
Adicionalmente, puede haber también variaciones en la energía térmica del combustible gaseoso utilizado con estos motores. Por ejemplo, puede haber diferencias en la energía térmica y/o la combustión entre el propano y el gas natural. En relación con esto, ia capacidad de seleccionar un nivel de oxígeno para los gases de escape de un motor particular, permite ajustar el sistema 10 de fumigación de acuerdo con una serie particular de condiciones de operación. El sensor de oxígeno 84 permite que la ECU 80 asgure que el combustible provisto al motor 20 (es decir, combustible diesel y combustible gaseoso) sea quemada más completamente. Es decir, si el nivel de oxígeno en el conducto de escape 38 cae por debajo de un mínimo predeterminado, se sabe que no hay suficiente oxígeno dentro de la mezcla de aire de admisión/combustible gaseoso, para quemar completamente el combustible. En ese caso, el combustible está siendo utilizado de manera ineficiente y están pasando hidrocarburos sin quemar a través del motor 20, lo que da por resultado emisiones incrementadas. Consecuentemente, al ajustar el flujo del combustible gaseoso de manera que se mantenga un nivel mínimo predeterminado de oxígeno dentro de la salida 38 de escape, se obtiene una combustión más completa de la mezcla de combustible diesel y combustible gaseoso, y se pueden reducir las emisiones. Aun cuando es operable la ECU 80 para controlar el sistema de fumigación 10 con sólo una entrada de sensor del sensor de oxígeno 84, se pueden utilizar sensores adicionales para incrementar el funcionamiento del motor. Por ejemplo, se puede incorporar en el sistema 10 un calibrador de temperatura 88 del gas de escape y un sensor 92 de RPM, para afinar más finamente el funcionamiento del sistema 10 de fumigación. La figura 4 muestra una segunda modalidad del sistema 10 de fumigación de combustible gaseoso. Tal como se muestra, la segunda modalidad no utiliza la válvula de cierre 46 ni la válvula 50 de presión de sobrealimentación. En lugar de ello, el sistema de la figura 4 se basa únicamente en la válvula 100 de empobrecimiento controlada por la ECU para regular el flujo entre la fuente de gas 40 y la admisión de aire 36. Es de notar particularmente en la figura 4, que el suministro de gas 40 es recibido de un pozo 44 de gas. En este contexto se apreciará que en la producción de gas natural y metano, los motores diesel son usados comúnmente para bombear y comprimir gas desde los pozos a los gasoductos. Con respecto a esto, los motores diesel tienen una fuente lista de gas natural que puede ser utilizada con los sistemas anotados en lo que antecede. Sin embargo, se apreciará que el gas recibido desde el pozo 44 puede requerir de deshidratación y/o de compresión antes de usarlo con el motor diesel 20. Se ha presentado la descripción precedente de la presente invención con files ilustrativos y de descripción. Adicionalmente, no está destinada la descripción a limitar la invención a la forma aquí descrita. Consecuentemente, hay variaciones y modificaciones que se ciñen a las enseñanzas anteriores, y con la experiencia y los conocimientos en la técnica relevante, pero que quedan dentro del alcance de la presente invención. Las modalidades descritas en lo que antecede están destinadas adicionalmente a explicar las maneras mejores, conocidas ahora, de poner en práctica la invención, y para permitir que otros expertos en la materia utilicen la invención en dichas modalidades u otras modalidades y con diversas modificaciones requeridas por la(s) aplicación(es) y uso(s) particular(es) de la presente invención. Se pretende que las reivindicaciones que vienen a continuación se consideren incluyendo las modalidades alternativas en el grado permitido por la técnica anterior.