MXPA97001886A - Motor de inyeccion de agua en el cilindro - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un motor de inyección de agua en el cilindro, que comprende:a) un motor de combustión interna que tiene al menos una cámara de combustión, al menos una tapa o cabezal del cilindro asegurado a la cámara de combustión y al menos un pistón dispuesto dentro de la cámara de combustión;b) un múltiple de admisión de aire/combustible en comunicación de fluido con la cámara de combustión a través de la tapa del cilindro;c) al menos un inyector de agua en comunicación de fluido con la cámara de combustión;d) una fuente de suministro de agua a presión constante conectada a dicho inyector de aguamediante un conducto para aagua;y e) una válvula en dicho conducto para agua que responde a una señal electrónica para abrir y permitir el flujo de agua, hacia el inyector del agua durante todos los ciclos de comprensión de dicho pistón.

Description

MOTOR DE INYECCIÓN DE AGUA EN EL CILINDRO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con motores de combustión interna en general y motores de inyección de agua en particular. Más particularmente, la invención se relaciona con un motor de combustión interna que tiene agua inyectada directamente dentro del cilindro, durante la carrera de compresión para mejorar la eficiencia por enfriamiento de los gases de compresión. Varios fluidos tales como agua y agua en solución con otras sustancias, tales como alcohol se han inyectado comúnmente en motores con combustible de hidrocarburo para proporcionar operación del motor mejorada. Durante la carrera de compresión, las gotas de agua se vaporizan y absorben la energía calorífica producida dentro de la cámara de combustión para evitar la pre-ignición o pre-encendido. El agua vaporizada es calentada subsiguientemente por el quemado de la mezcla combustible durante la potencia de la carrera y se expande, aumentando la eficiencia mecánica del proceso de combustión. Los efectos laterales benéficos pueden incluir prevención de la formación de carbón en las paredes del cilindro del motor. Como resultado de los efectos benéficos de la inyección de agua, el motor es capaz de funcionar más uniforme y eficientemente en una mezcla más pobre en combustible. Adicionalmente, la reducción en la temperatura de combustión máxima reduce la formación de óxidos de nitrógeno y reduce al mínimo las tensiones térmicas sobre los componentes del motor. Varios tipos de dispositivos han sido desarrollados para introducir fluidos dentro del aire de admisión del motor de combustión interna. Estos dispositivos han incluido sistemas de inyección en emulsión y humidificadores del aire de admisión en el cual el aire se hace pasar a través de un volumen de agua, antes de ser introducido en el motor. La inyección directa del fluido dentro del aire de admisión ha estado limitada por la capacidad de los sistemas mecánicos para medir con precisión un volumen relativamente pequeño de agua para obtener una relación volumétrica óptima de agua en la carga de combustible/aire final. Los sistemas inyectados con agua directa o humidificados son imprácticos ya que la mayoría de la capacidad de absorción del agua se basa en la transformación de fase de líquido a gas. Los sistemas de la técnica relacionada no han sido respuestas totalmente exitosas en los requisitos del motor, debido en gran medida a la incapacidad de los dispositivos puramente mecánicos para responder en un rango amplio de condiciones. Un método para suministrar dos fluidos diferentes a una cámara de combustión común se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 4,031,864 de W.T. Crothers . El agua se utiliza para lograr la separación de fases cuando se almacenan metanol y gasolina en un tanque común, pero se bombean desde niveles diferentes dentro del tanque. El propósito principal de esta invención es el de permitir el uso de combustibles diferentes. Un método de suministrar agua durante los períodos de demanda de potencia máxima en un motor de combustión interna se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 4,351,289 de V.A. Renda. La inyección de agua se lleva a cabo con agua de un depósito presurizado por una bomba de inyección, la cual energizada solamente por arriba de niveles de momento de torsión predeterminados, bajo el control de conmutador de vacío que detecta el vacío del múltiple de admisión. Un método de suministrar agua a un motor de combustión interna para el propósito de permitir la operación con mezclas de combustible más pobres se describe por la Patente de los Estados Unidos No. 4,461,245 de M. Vinokur. La presión del múltiple de admisión se utiliza para controlar la salida de una bomba de agua, por lo que forma la velocidad de inyección de agua en respuesta a la carga del motor. Un método para proporcionar agua a los cilindros de los motores turbocargados es descrita por la Patente de los Estados Unidos No. 4,558,665 cedida a L. Sandbery. Este sistema inyecta agua en cada rueda móvil del distribuidor antes de que cada válvula de admisión y se hace funcionar independientemente del sistema combustible. Un sistema para la inyección de agua dentro de los motores de combustión interna utilizados para generadores de potencia se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 4,960,080 de J.O'Neill, E. Schisler y P. Kubo. El sistema es activado, cuando la salida del generador alcanza un nivel predeterminado, el cual está asociado con el inicio de emisiones de NOx por el motor impulsor. Un sistema para inyectar agua en los motores de combustión interna que tienen un sistema de encendido por chispa, se describe en la Patente de los Estados Unidos No. 4,096,829 de G. Spears . El sistema hace funcionar una bomba de inyección de agua a una velocidad proporcional a las RPM del motor, donde las RPM son detectadas inductivamente de uno de los alambres de encendido. La velocidad de inyección de agua es controlada por el flujo de aire a través de un atomizador. Un sistema para inyectar agua dentro de un carburador para permitir que las mezclas de combustible más pobres es descrito por la Patente de los Estados Unidos No. 4,448,153 de R. Miller. Una bomba de inyección de agua es de ciclos de encendido y apagado en respuesta a tales parámetros del motor como la temperatura del motor, la presión de aceite y la presión del distribuidor.

Un sistema para coordinar la inyección de agua y combustible en el distribuidor de admisión es descrita por la Patente de los Estados Unidos No. 5,148,776 de M.J. Connor.

Este sistema utiliza una computadora para calcular los requisitos de combustible/aire/agua para el motor. Nada de la técnica citada en lo anterior, describe agua inyectada directamente dentro del cilindro durante la carrera de compresión y la combinación de inyección de agua con oxígeno aumentado. Un motor turbocargado encendido por chispa, normal es una combinación del ciclo Otto de combustible-aire y el ciclo Brayton de aire. Esta disposición del ciclo compuesto es una mejora del ciclo Otto básico en que la compresión parcial (por medio del turbocargador) es eliminada del cilindro. Como también el flujo de masa y la salida de potencia anexas están aumentadas. Sin embargo, el motor compuesto encendido por chispa aún experimenta eficiencia volumétrica y de combustión debido a su cilindro común para ambas de la combustión y compresión. Idealmente, estos procesos deben ser optimizados individualmente y en cámaras separadas, tal como ocurre en el motor de turbina de gas del ciclo Brayton. El ciclo compuesto de hecho ofrece un grado de separación y optimización, pero aún está limitado a una ingeniería y por lo tanto, compromete la termodinámica dentro del cilindro. La presente invención resuelve la disparidad termodinámica optimizando los procesos termodinámicos de compresión y combustión/expansión independientemente, para toda la ganancia de eficiencia y salida de potencia. Estos procesos son implementados en un motor alternante turbocargado, compuesto, modificado con aumentos significativos mecánicos y termodinámicos. El presente ciclo del motor es en efecto un nuevo ciclo y una mejora sobre el ciclo opuesto convencional. Agrega agua y opcionalmente, oxígeno, al ciclo para las mejoras en el flujo de masa, eficiencia volumétrica, eficiencia de combustión, temperatura de combustión, estabilidad de la flama, capacidad de encendido así como también reducciones en el consumo de combustible y producción de óxidos de nitrógeno o NOx. El motor encendido por plasma o chispa convencional está limitado en la eficiencia debido a: 1) una relación de compresión menor para evitar el pre-encendido, 2) mitigación ineficaz del aumento de la temperatura dentro de la carrera de compresión, 3) mitigación ineficaz del trabajo de compresión, 4) una masa constante en la cámara por el cierre de la válvula de entrada con aumento en la temperatura durante la compresión, 5) la limitación del porcentaje de oxígeno en el aire. La limitación de la relación de compresión del motor encendido por plasma o chispa convencional, existe debido al aumento de temperatura del aire o mezcla de combustible-aire durante la carrera de compresión y la dificultad de incidencia de pre-encendido térmicamente inducido. La eficiencia en un motor es una función fuerte de la relación de compresión. Sin embargo, debido a la limitación de pre-encendido, el motor de encendido de chispa/plasma convencional es incapaz de tomar ventaja de las relaciones de compresión elevada, eficiencia elevada tal como ocurre en el ciclo diesel. Una inyección de agua atomizada y/o de baja temperatura dentro del cilindro antes y/o durante la carrera de compresión, cambiará la fase del agua a gas por medio de la absorción del flujo de calor ambiente (calor latente de vaporización del agua) , evitando el pre-encendido inducido térmicamente. El motor encendido con chispa o plasma convencional, no posee inherentemente un método efectivo para disminuir el aumento de temperatura de flujo de calor durante el ciclo de compresión. Durante la carrera de compresión, la masa gaseosa dentro del cilindro aumenta en la temperatura debido a 1) calentamiento por convección y calentamiento por radiación de las paredes del cilindro, cabezas, coronas de pistón, válvulas, etc., 2) el calentamiento adiabático o politrdpico debido a que el pistón comprime un volumen de gas. El motor encendido por chispa/plasma normal, no tiene un mecanismo efectivo para mitigar el aumento de temperatura durante la carrera de compresión o ciclo debido a los fenómenos de calentamiento mencionados en lo anterior. Una inyección dentro del cilindro de agua atomizada y/o a baja temperatura antes y/o durante la carrera de compresión, absorberá el flujo de calor que emana de la fuente del cilindro y absorbe el calor del trabajo de compresión. El agua cambiará de fase a vapor gaseoso mitigando el aumento de temperatura de la masa en el cilindro total. En otras palabras, la temperatura final de la masa comprimida (que consiste de agua/aire/combustible o agua/aire con 02 aumentado/combustible) al final de la carrera de compresión, será significativamente menor como resultado de la inyección del agua. Esta temperatura de la carrera de compresión final, estará por debajo del punto de encendido térmico de la mezcla de masa comprimida, por lo que evita el pre-encendido. Un motor, el cual directamente, o inyecta en el cilindro su combustible y también es de chispa/plasma (o encendido en cualquier otra forma sin compresión) también se beneficiará por la inyección de agua en la carrera de compresión dentro del cilindro. En este ciclo, la masa de aire/agua inyectada es mantenida por debajo de la temperatura de encendido, de tal manera que el combustible inyectado no se pre-enciende o evapora. El motor encendido con chispa o plasma convencional no posee inherentemente un método efectivo para disminuir el trabajo de compresión durante el ciclo de compresión. Una inyección en el cilindro de agua atomizada y/o baja temperatura antes y/o durante la carrera de compresión, cambiará la fase del agua a gas por medio de la absorción del flujo de calor ambiente (calor latente de vaporización del agua) , por lo que cae la temperatura o disminuye la temperatura de la masa comprimida. A medida que la temperatura de la masa en el cilindro se mitiga o disminuye, proporcionalmente, disminuye el trabajo de compresión. El motor de chispa/plasma convencional (o en cualquier otra forma no encendido por compresión) es en general, un ciclo de masa constante. Por el cierre de las válvulas de admisión, la masa del cilindro es constante durante la carrera de compresión. Una adición de un diluyente tal como agua durante la carrera de compresión, se forma al rendimiento total de la masa total, aumentando la salida de potencia. La salida de potencia aumentada del agua de inyección de la carrera de compresión se deriva como masa de agua aumentada/momento contra el pistón durante la carrera de expansión para la salida de potencia aumentada y eficiencia. Una inyección de agua presurizada o diferencialmente presurizada durante la compresión, no solamente atenúa las temperaturas de la carrera de compresión, sino también se sumará a la salida de potencia total del motor, debido al aumento diferencia (por inyección diferencial de la masa) en el rendimiento total en el ciclo del motor. El motor encendido con chispa o plasma convencional está menos limitado en su relación de combustible/aire por el porcentaje de oxígeno en el aire. La limitación del porcentaje de oxígeno en el aire, nominalmente de 21% al nivel del mar, finalmente fija el límite deficiente menor para una relación de combustible/aire. Hasta tiempos recientes y la llegada de los generadores de oxígeno de membrana estática de eficiencia relativamente elevada, el uso de oxígeno suplementario para la combustión mejorada ha sido poco económico. Con los generadores de membrana estática, los turbocargadores impulsados por el escape y una turbina de recuperación de presión, deficiencia de energía para la producción de la corriente de aire con oxígeno aumentado se reduce al mínimo, mientras que el límite de deficiencia de la relación de combustible/aire está expandido, por lo que aumenta la eficiencia total del motor. La técnica relacionada en inyección de agua en motores encendidos con chispa o plasma, aunque notables por las mejoras en el ciclo, tienen limitaciones en 1) niveles de humedad absoluta, 2) velocidad de vaporización del agua, 3) eficiencia volumétrica. Varios tipos de dispositivos han sido desarrollados para introducir fluidos en el aire de admisión de los motores de combustión interna. Estos dispositivos tienen sistemas de inyección en emulsión incluidos, humidificadores de aire de admisión e inyectores del distribuidor de admisión. Los dispositivos los cuales inyectan agua dentro del distribuidor de admisión principalmente afecta la humidificación y densificación de la carga de aire antes de la carrera de compresión. Estos sistemas son notables para la depresión de la temperatura del aire de entrada y humidificación a cerca del 100% de niveles de humedad relativa. Sin embargo, la humedad absoluta es una función de la temperatura. La humidificación del distribuidor de admisión está limitada a un nivel menor de humidificación absoluta que en la inyección de agua atomizada y/o a baja temperatura, ya que la primera ocurre a temperatura más baja, mientras que la segunda ocurre dentro de un perfil de temperatura mayor, la temperatura aumentando a medida que aumenta la carrera de compresión su relación de compresión. Las temperaturas mayores dentro de la carrera de compresión permite que una masa mayor de agua (mayor humedad absoluta) sea transportada en la masa comprimida sin la forma de gotas o humedades relativas elevadas las cuales pueden interactuar con los lubricantes de aceite sobre las paredes del cilindro, por lo que frustran algunas de las propiedades de lubricación de la pared. La presente invención puede dirigir un rocío a alta presión ya sea de agua a baja temperatura y/o atomizada un espacio libre relativamente caliente por arriba del pistón, para producir una humedad relativamente modesta pero una humedad absoluta significativamente mayor cuando se compara con los sistemas de humidificación de distribuidores de admisión. La inyección de agua en el múltiple de admisión, ya sea por atomización, corriente directa o gotas arrastradas finalmente inducidas en el cilindro, son todas sometidas a una velocidad de evaporación proporcional a la temperatura y la humedad relativa de la masa de gas ambiente. La atomización en el múltiple de admisión, mientras que posee las velocidades de evaporación del múltiple más elevadas, es sometido a una humedad relativamente máxima de 100% más allá de la cual el agua no se evapora pero está siendo introducida en el cilindro con resultados adversos concomitantes en la interacción con los lubricantes de la pared del cilindro. La corriente directa en el distribuidor de admisión o las gotas de agua arrastradas pueden inyectar agua, pero también pueden experimentar cuatro efectos adversos: 1) interacción del lubricante de pared a pared y su compromiso sobre el sistema de lubricación; 2) cambio de fase prematura a vapor debido principalmente al impacto de conducción del cabezal sobre la válvula de admisión o el impacto sobre la pared del cilindro; 3) depósito de agua sobre el pistón con el cambio de fase consecuente a vapor debido principalmente al calor de conducción de la corona del pistón. (El vapor ahora producido será sometido al trabajo completo de compresión y no estará disponible para atenuar las temperaturas de compresión o el trabajo de compresión) ; 4) desplazamiento del agua líquida de la masa gaseosa en la eficiencia volumétrica reduciendo la carga de aire inducida por el cilindro. Por el contrario, la presente invención dirige agua a baja temperatura o agua atomizada en el espacio libre por arriba del pistón, la cual se evapora más rápidamente debido a las temperaturas de la carrera de compresión mayores (por el contrario a las temperaturas menores del múltiple de admisión) . Como también, el calor absorbido por el agua inyectada en el cilindro es casi completamente derivada de la masa de gas comprimida, por lo que afecta positivamente la termodinámica y dinámica de combustión del ciclo. La eficiencia volumétrica del motor está aumentada al máximo vis a vis la inyección del múltiple a medida que el ciclo inyección de agua en el cilindro recibe la carga gaseosa de máxima densidad dentro del cilindro y luego agrega masa de agua adicional a esta carga dentro del cilindro, además de aumentar su densidad. Los humidificadores de inyección de agua en el distribuidor de admisión, disminuye las temperaturas del distribuidor y densidad de la corriente de gas. Sin embargo, la humidificación del múltiple de admisión tiene algunas limitaciones, las cuales afectan la eficiencia volumétrica en las siguientes formas: 1) a una temperatura dada, el aire se tiene mayor densidad que la combinación de aire y humedad a esa misma temperatura; 2) los sistemas de humedad están limitados a temperaturas las cuales deben estar por arriba del punto de congelamiento o de hielo de la corriente de gas de entrada para evitar la ingestión de hielo en el cilindro. La presente invención utiliza enfriadores (intercambiadores de calor) para interenfriar la corriente de gas de admisión, por lo que proporciona la densidad de carga más alta para la cámara del cilindro. Esta carga además es densificada por la inyección de agua atomizada y/o a baja temperatura dentro del cilindro en el espacio libre por arriba del pistón y la carga del gas es densificada también por la compresión acompañante por el pistón. El efecto total de los intercambiadores de calor más el agua a baja presión y/o atomizada en el cilindro proporciona la carga de densidad más alta para los sistemas agua hasta la fecha y aumenta significativamente la eficiencia volumétrica. La presente invención es un ciclo de motor de combustión interna encendido con chispa/plasma, de masa no constante, de aire atmosférico opcionalmente aumentado con oxígeno, de alta compresión. Hasta la fecha no se conoce la implementación de que este ciclo exista. Por lo tanto, el ciclo representa un nuevo ciclo.

La presente invención incluye un motor de por lo menos un cilindro completo con distribuidores y válvulas de admisión/escape, un método de encender el combustible-aire o una mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire, un inyector y/o inyectores para suministrar el combustible, dos turbocargadores, una turbina/compresor de recuperación de presión de nitrógeno, tres interenfriadores, inyectores para formas atomizadas u otras formas de suministro de agua a baja temperatura y membranas separadoras de oxígeno/gas nitrógeno. El sistema de inyección de agua incluye un suministro de agua presurizada y un medio para sincronizar y dosificar la cantidad de agua que va a ser inyectada a intervalos de tiempo precisos y a presiones precisas. La presente invención funciona como sigue. La carga de aire de entrada se forma a partir de dos fuentes - una corriente de aire ambiente filtrada y una corriente de aire con contenido enriquecido de oxígeno elevado. La corriente de aire de entrada total es comprimida por una turbina/compresor de recuperación de presión de nitrógeno y descargada a una extensión del conducto del distribuidor de admisión. Ya que la corriente de aire está presurizada y calentada, debido al trabajo de la turbina/compresor, la corriente de aire debe ser enfriada para aumentar la densidad de carga y reducir el trabajo del siguiente turbocargador compresor. Para ese fin, un enfriador posterior de intercambiador de calor es suministrado, el total del cual también aumenta el flujo de masa dentro del motor. La siguiente presión del turbocargador refuerza la corriente de aire o la corriente de aire con oxígeno aumentado descargado a través de un enfriador a un conducto en te. Una pata de la te va a una segunda combinación de turbocargador/enfriador posterior y a los separadores de nitrógeno/oxígeno. En la otra pata de la te, el combustible gaseoso es inyectado y mezclado en el múltiple de admisión. Además el gas combustible frío disminuye la temperatura de carga de admisión y aumenta la densidad. El combustible-aire o combustible-mezcla de aire-oxígeno aumentado entra al cilindro a través del múltiple de admisión y la válvula de admisión. En la presente invención, las válvulas de admisión están aisladas con un recubrimiento de resistencia térmica elevada reduciendo el flujo de calor para la mezcla de combustible-aire. El resultado es que la mezcla de combustible-aire entra al cilindro a una densidad mayor por lo que aumenta la eficiencia volumétrica del motor. Por la entrada al cilindro, el aire-combustible o mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire comienza a absorber el calor rápidamente. Este aumento en la temperatura de la mezcla es indeseable. La eficiencia es sacrificada debido a los requisitos de trabajo del pistón aumentados para comprimir gases más calientes. Por lo tanto durante la carrera de compresión, un sistema de inyección de agua inyecta agua atomizada a alta presión, a baja temperatura dentro del cilindro, mitigando este flujo de calor. Como resultado, el trabajo de compresión está reducido debido a la temperatura disminuida del combustible-aire o mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire y presión. Además, la inyección del agua de enfriamiento funciona para reducir la temperatura del combustible-aire o la mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire por debajo de la temperatura de pre-encendido durante la compresión, por lo que permite una relación de compresión más alta, más eficiente. La temperatura menor de compresión junto con la capacidad de absorción de calor del agua se traduce a una temperatura de combustión menor. Las temperaturas de combustión menores se traducen en menores emisiones de NOx. El sistema de separación de membrana estática de nitrógeno/oxígeno opcional, funciona óptimamente a mayor presión. Para este fin, el segundo turbocargador y la turbina/compresor de recuperación de presión de nitrógeno son parte del ciclo, sin la corriente de aire de oxígeno aumentado va a ser utilizada. También, la eficiencia de la membrana está aumentada para reciclar la corriente de aire con oxígeno aumentado es decir, el contenido de oxígeno mayor de la corriente gaseosa aplicada a la membrana aumenta el flujo de permeación, lo cual en este caso es la corriente enriquecida con oxígeno aplicada al lado de succión de la presión accionada por nitrógeno a alta presión de la turbina de recuperación/compresor. El lado de succión del compresor de recuperación de presión del nitrógeno, funciona a un vacío parcial, por lo que reduce las retropresiones sobre la membrana estática de los generadores de nitrógeno/oxígeno y aumentan significativamente su eficiencia en general oxígeno. El objetivo de la presente invención es el de aumentar la eficiencia termodinámica operacional y reducir las emisiones de NOx, aumentando la relación de compresión y opcionalmente aumentando el contenido de oxígeno del suministro de aire. Este objetivo puede lograrse por los siguientes objetivos del proyecto: 1) permitir la operación a una relación de compresión mayor utilizando inyección de agua para mitigar las temperaturas de compresión elevadas asociadas; 2) aumentar opcionalmente el contenido de oxígeno del suministro de aire utilizando una membrana separadora de gas de nitrógeno/oxígeno. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una representación esquemática de la operación general del sistema de inyección de agua con generadores de membrana estática con oxígeno aumentado opcional . La presente invención se proporciona para mejorar la eficiencia de un motor de combustión interna por el uso de un sistema de inyección de agua dentro del cilindro y un sistema de membrana estática de oxígeno aumentado opcional. La presente invención está constituida de: (a) un motor de combustión interna que tiene por lo menos una cámara de combustión, por lo menos un cabezal de cilindro asegurada a la cámara de combustión y por lo menos un pistón colocado dentro de la cámara de combustión; (b) un distribuidor de admisión de aire/combustible en comunicación de fluido con la cámara de combustión a través del cabezal del cilindro; (c) por lo menos un inyector de agua en comunicación de fluido con la cámara de combustión; (d) una fuente de agua de presión constante conectada al inyector de agua por un conducto; (e) una válvula en el conducto sensible a una señal electrónica para abrir y dejar fluir el agua al inyector de agua durante el ciclo de compresión del pistón; (f) un conducto de admisión de aire conectado al múltiple de admisión de aire/combustible; (g) un distribuidor de escape conectado a la cámara de combustión; (h) un conducto de escape conectado al distribuidor de escape; ( i ) por lo menos un compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto de admisión de aire para comprimir el aire de admisión en el conducto de admisión de aire; (j) un banco de membranas de separación estáticas de nitrógeno/oxígeno conectadas al conducto de admisión de aire por un conducto de membrana y conectada al múltiple de admisión de aire/combustible por un conducto de aire enriquecido, para eliminar una porción del nitrógeno en el aire de admisión antes del múltiple de admisión de aire/combustible; (k) un segundo compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto de membrana para comprimir el aire que pasa al banco de las membranas de nitrógeno/oxígeno; (1) un segundo compresor turbocargador después del enfriador del intercambiador de calor entre el segundo turbocargador y el banco de membranas de nitrógeno/oxígeno; y (m) un conducto de escape de nitrógeno conectado al banco de las membranas estáticas de nitrógeno/oxígeno; y (n) una turbina de recuperación de presión conectada operativamente al conducto de escape y el conducto de escape de nitrógeno para impulsar un compresor conectado operativamente al conducto de admisión de aire y conducto de aire enriquecido, para comprimir el aire que fluye al múltiple de admisión de aire/combustible.

La presente invención es un nuevo ciclo para un motor de combustión interna de dos o cuatro carreras como se muestra en la Figura 1, la cual es una representación esquemática de la operación general del sistema de inyección de agua con los generadores de membrana estática aumentados con oxígeno, opcionales. El motor 0 incluye por lo menos un pistón 22 tratado térmicamente con un recubrimiento de itrio-zirconio para transferir calor reducido a la corona del pistón. El motor también incluye por lo menos una cabeza de cilindro 24 con por lo menos una cámara de combustión 12, la cual está equipada con hasta dos bujías 18a y 18b, por lo menos una válvula de admisión 11, por lo menos una válvula de escape 25 y un inyector de agua 17 para cada cilindro. Las válvulas de admisión y escape 11 y 25 y el cabezal del motor 24 dan de frente a la cámara de combustión 12 de cada cilindro, está recubierta con itrio-zirconio hasta, pero no incluyendo los asientos de la válvula. El múltiple de admisión 10 está adaptado con un inyector de combustible 21, mientras que el cabezal 24 está adaptado por un inyector de agua 17. La invención comprende además dos turbocargadores 7 y 30, una turbina 3 de recuperación de presión, tres postenfriadores 4, 9 y 36, una membrana 38 separadora de gas nitrógeno/oxígeno, una bomba de inyección de agua y el depósito 13 y un recipiente de combustible 19. Cada turbocargador o turbina de recuperación de presión tiene un compresor y una turbina respectivamente. Cada una de las turbinas funciona ya sea por los gases de escape o la purga de nitrógeno y acciona a los compresores por un eje común. El aire ambiente entra a la entrada 1 del compresor de recuperación de presión. La corriente de aire con contenido de oxígeno enriquecido a baja presión, entra a la entrada 40 de recuperación de presión, donde se mezcla proporcionalmente con el aire ambiente. La mezcla del aire ambiente y el aire con contenido de oxígeno enriquecido, a baja presión en el compresor 2 de recuperación de presión crea una corriente de aire aumentada en oxígeno, presurizada la cual sale por la salida 47 del compresor de recuperación de presión y entra el conducto 3. La corriente de aire de oxígeno aumentado entra en el post-enfriador 4 para ser enfriada después del trabajo de compresión de la turbina 2 de recuperación de presión que sale al conducto 5. Después del enfriamiento es necesario aumentar la eficiencia de los compresores y aumentar la densidad de la descarga del compresor. La corriente de aire con oxígeno aumentado va al turbocargador 7, donde entra en la entrada 6 del turbocargador, es comprimida y sale a través de la salida 8. La salida 8 del compresor del turbocargador 7 está conectada por medio del conducto 44 a un post-enfriador 9 para ser enfriada después del trabajo de compresión del turbocargador 7. La salida del post-enfriador 9 está conectada a la entrada 33 del compresor del turbocargador 30 por medio de la te 45 y el conducto 32 y también al múltiple de admisión 10 por medio de una te 45. La compresión adicional por el turbocargador 30 a una presión mayor se requiere para la operación eficiente del separador 38 de nitrógeno/oxígeno. La salida 34 del compresor del turbocargador 30 está conectada al post-enfriador 36 por medio de conducto 35 para ser enfriado después del trabajo de compresión del turbocargador 30. La eliminación de calor debido al trabajo de compresión es necesaria para proteger las membranas del separador. La salida del post-enfriador 36 está conectada a la entrada del separador 38 de nitrógeno/oxígeno por medio del conducto 37, donde el nitrógeno de presión elevada es extraído a través del conducto 41. El separador 38 consiste de un banco de membranas estáticas que consisten de fibras de polímero huecas, las cuales efectúan la separación de oxígeno del nitrógeno. El nitrógeno a alta presión entra a la entrada 42 de turbina de recuperación de presión y es la fuerza impulsora para la turbina 2 de recuperación de presión. Después de que el nitrógeno expande su presión y energía de flujo como el trabajo de compresión mecánica, sale a través de la salida 47 de la turbina de recuperación de presión como el escape 43. La corriente de aire de oxígeno enriquecido, a baja presión del separador 38 de nitrógeno/oxígeno está conectado por medio del conducto 39 a la entrada del compresor 40 para la turbina 2 de recuperación de presión. Esta corriente de aire enriquecida con oxígeno o con contenido de oxígeno elevado es la mencionada previamente, que fluye a través del conducto 39 y se mezcla con el aire ambiente filtrado para producir una corriente de aire aumentada en oxígeno a una salida del compresor de recuperación de presión dentro del conducto 3. El combustible gaseoso es inyectado a través del inyector 21 y mezclado con aire presurizado o aire con oxígeno aumentado en el distribuidor 10 de admisión. El combustible gaseoso frío disminuye además la temperatura de carga de admisión. El combustible-aire o la mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire comprimida entra a la cámara de combustión 12 a través de la válvula de admisión 11. La base de la válvula de admisión está aislada con un recubrimiento de itrio-zirconio de alta resistencia térmica reduciendo el flujo de calor para la mezcla de combustible-aire. El recubrimiento también preserva la duración de la válvula en una operación a alta temperatura. El resultado de las mediciones tomadas en lo anterior, es que la mezcla de combustible-aire entra al cilindro a una temperatura menor que la normal y de esta forma a mayor densidad, por lo que aumenta la eficiencia volumétrica del motor.

Al entrar a la cámara de combustión 12, la mezcla de combustible-aire comienza a aumentar en la temperatura rápidamente. Este aumento en la temperatura del combustible-aire o mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire es provocado por una combinación de calor de convección y calor de radiación de las paredes de la cámara de combustión. Por el cierre de la válvula de admisión 11, la temperatura del combustible-aire o mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire aumenta además debido al trabajo de compresión de la carrera del pistón hacia el centro muerto superior. Por lo tanto, durante la carrera de compresión la válvula 16 se abre para inyectar agua atomizada a alta presión dentro de la cámara de combustión 12 a través del inyector 17. El agua inyectada se evaporará rápidamente y mitiga el aumento de temperatura excesivo. Como resultado, el trabajo de compresión de reduce debido al combustible-aire o mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire disminuido en la temperatura y la presión. Además, la inyección de agua de enfriamiento funciona para mantener la temperatura del combustible-aire o la mezcla de combustible-oxígeno aumentado-aire por debajo de la temperatura de autoencendido durante la compresión por lo que se elimina el pre-encendido. La masa gaseosa dentro del cilindro también está aumentada por la cantidad de agua inyectada, la cual se traduce a una salida de potencia aumentada del motor. La inyección de agua presurizada o agua diferencial ente presurizada durante la compresión, aumentará la masa/momento contra el pistón durante la carrera de expansión para la salida y eficiencia de la potencia aumentada. También, la inyección de agua dentro del cilindro disminuye la temperatura de combustión adiabática debido al final de la carrera de compresión que está reducida por la inyección de agua y la absorción mayor del calor de combustión por la masa inerte aumentada de la cual el agua es un constituyente. Debido a las mediciones tomadas en lo anterior, la relación de compresión de la presente invención puede ser aumentada tan alta como aquella para un motor diesel normal. Esto es benéfico, ya que la eficiencia neta de los motores de combustión está afectada por la relación de compresión. La mezcla de cocbustible-aire en el final de la carrera de compresión es una mezcla a alta presión, de temperatura relativamente baja, enriquecida en oxígeno, mayor contenido de vapor de agua, menor contenido de nitrógeno cuando se compara con los motores encendidos por chispa/plasma convencionales. El proceso de combustión es iniciado por el encendido de las bujías 18a y 18b con descargas de pulso de alto voltaje. Con este proceso, el encendido de la mezcla de combustible-aire ultra-pobre está aumentada y evitará fallas. Durante la combustión, la concentración relativamente elevada de oxígeno de la masa gaseosa dentro del cilindro aumenta la velocidad de la flama y estabilidad con ' un aumento resultante en la eficiencia. ' El contenido de agua aumentado de la masa gaseosa resulta en menor temperatura de la flama adiabática, lo cual reduce los óxidos dé nitrógeno o producción de NOx, la cual es una fuerte función de la temperatura. El aumento en el contenido de agua disminuye el contenido de nitrógeno relativo, gaseoso dentro del cilindro, nuevamente por lo que disminuye la propensión de los ciclos del motor para formar NOx. El aumento en el contenido de oxígeno aumentará el NOx del ciclo del motor, pero debido a los efectos del agua mencionados en lo anterior, el ciclo total disminuirá en emisiones de NOx por el contrario a un motor encendido por chispa/plasma configurado similarmente con menor relación de compresión y sin inyección de agua dentro del cilindro. El ciclo de expansión o carrera de potencia está mejorado en la presente invención en parte debido al flujo de calor reducido dentro de la cámara aislada. La cámara de combustión principal 24 y el pistón 22, las válvulas 11 y 25 están recubiertas térmicamente resistivas. El flujo de calor reducido a través del pistón a las camisas de agua en el cabezal del cilindro y a las válvulas a través de la cámara de combustión mejora la eficiencia de la combustión. También con el aumento en la energía disponible de presiones mayores relacionadas con la relación de compresión mayor y el aumento en el flujo de masa de la adición de agua, el ciclo de expansión o carrera de potencia está mejorada significativamente sobre el motor convencional. La carrera de escape contiene una carga de escape de mayor presión, de alta temperatura, de masa aumentada que el motor encendido por chispa/plasma convencional. Esta carga de escape de mayor energía sale del motor por medio del múltiple de escape 26, el cual está aislado para conservar la energía y entra a las entradas 27 y 29 de la turbina a través de los conductos 26 y 28 respectivamente para impulsar las turbinas de los turbocargadores 7 y 30 respectivamente. El medio de carga de escape de mayor energía aumenta la potencia para los turbocargadores los cuales están adaptados en el exterior con impulsores de alta temperatura. Utilizando la carga de escape de alta temperatura, conserva los componentes de frecuencia elevada del pulso de escape, por lo que aumenta la eficiencia del turbocargador y el motor.

Claims (13)

1. REIVINDICACIONES 1. Un motor de inyección de agua en el cilindro, caracterizado porque comprende: (a) un motor de combustión interna que tiene por lo menos una cámara de combustión, por lo menos un cabezal de cilindro asegurada a la cámara de combustión y por lo menos un pistón colocado dentro de la cámara de combustión; (b) un distribuidor o múltiple de admisión de aire/combustible en comunicación de fluido con la cámara de combustión a través del cabezal del cilindro; (c) por lo menos un inyector de agua en comunicación de fluido con la cámara de combustión; (d) una fuente de agua de presión constante conectada al inyector de agua por un conducto de agua; (e) una válvula en el conducto de agua sensible a una señal electrónica para abrir y dejar fluir el a ua al inyector de agua durante el ciclo de compresión del pistón.
2. 2. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende un conducto de admisión de aire conectado al distribuidor de admisión de aire/combustible, un distribuidor de escape conectado a la cámara de combustión, un conducto de escape conectado al distribuidor de escape y por lo menos un compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y al conducto de admisión de aire para comprimir el aire de admisión en el conducto de admisión de aire.
3. 3. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque comprende un compresor turbocargador después del intercambiador de calor enfriador, entre el turbocargador y el distribuidor de admisión de aire/combustible.
4. 4. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende un banco de membranas estáticas de nitrógeno/oxígeno conectadas al conducto de admisión de aire por un conducto de membrana y conectadas al distribuidor de admisión de aire/combustible por un conducto de aire enriquecido, para eliminar una porción del nitrógeno en el aire de admisión antes del distribuidor de admisión de aire/combustible .
5. 5. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque comprende un segundo compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto de membrana para comprimir el aire que pasa al banco de membrana de nitrógeno/oxígeno.
6. 6. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque comprende un segundo compresor turbocargador después del intercambiador de calor enfriador, entre el segundo turbocargador y el banco de membrana de nitrógeno/oxígeno.
7. 7. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque comprende un conducto de salida de nitrógeno y una turbina de recuperación de presión conectada operativamente al conducto de escape y el conducto de escape de nitrógeno para activar un compresor conectado operativamente al conducto de admisión de aire y el conducto de aire enriquecido, para comprimir el aire que fluye al distribuidor de admisión de aire/combustible.
8. 8. En un motor de combustión interna caracterizado porque la mejora comprende inyectar agua directamente al cilindro durante el ciclo de compresión para mejorar la eficiencia disminuyendo la temperatura de compresión.
9. 9. Un motor de inyección de agua en el cilindro, caracterizado porque comprende : (a) un motor de combustión interna que tiene por lo menos una cámara de combustión, por lo menos un cabezal de cilindro asegurada a la cámara de combustión y por lo menos un pistón colocado dentro de la cámara de combustión; (b) un distribuidor de admisión de aire/combustible en comunicación de fluido con la cámara de combustión a través del cabezal del cilindro; (c) por lo menos un inyector de agua en comunicación de fluido con la cámara de combustión; (d) una fuente de agua de presión constante conectada al inyector de agua por un conducto; (e) una válvula en el conducto sensible a una señal electrónica para abrir y dejar fluir el agua al inyector de agua durante el ciclo de compresión del pistón; (f) un conducto de admisión de aire conectado al distribuidor de admisión de aire/combustible; (g) un distribuidor de escape conectado a la cámara de combustión; (h) un conducto de escape conectado al distribuidor de escape; (i) por lo menos un compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto d* a±nisidr. de aire para comprimir el aire de admisión en el conducto de admisión de aire; y (j) un banco de membranas estáticas de nitrógeno/oxígeno conectadas al conducto de admisión de aire por un conducto de membrana y conectadas al distribuidor de admisión de aire/combustible por un conducto de aire enriquecido, para eliminar una porción del nitrógeno en el aire de admisión antes del distribuidor de admisión de aire/combustible .
10. 10. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque comprende un segundo compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto de membrana para comprimir el aire que pasa al banco de membranas de nitrógeno/oxígeno.
11. 11. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque comprende un segundo compresor turbocargador después del intercambiador de calor enfriador, entre el segundo turbocargador y el banco de membranas de nitrógeno/oxígeno.
12. 12. El motor de inyección de agua en el cilindro de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado además porque comprende un conducto de escape de nitrógeno y una turbina de recuperación de presión conectada operativamente al conducto de escape y el conducto de escape de nitrógeno para activar un compresor conectado operativamente al conducto de admisión de aire y el conducto de aire enriquecido para comprimir el aire que fluye al distribuidor de admisión de aire/combustible.
13. 13. Un motor de inyección de agua en el cilindro, caracterizado porque comprende: (a) un motor de combustión interna que tiene por lo menos una cámara de combustión, por lo menos un cabezal de cilindro asegurada a la cámara de combustión y por lo menos un pistón colocado dentro de la cámara de combustión; (b) un distribuidor de admisión de aire/combustible en comunicación de fluido con la cámara de combustión a través del cabezal del cilindro; (c) por lo menos un inyector de agua en comunicación de fluido con la cámara de combustión; (d) una fuente de agua de presión constante conectada al inyector de agua por un conducto; (e) una válvula en el conducto sensible a una señal electrónica para abrir y dejar fluir el agua al inyector de agua durante el ciclo de compresión del pistón; (f) un conducto de admisión de aire conectado al distribuidor de admisión de aire/combustible; (g) un distribuidor de escape conectado a la cámara de combustión; (h) un conducto de escape conectado al distribuidor de escape; (i) por lo menos un compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto de admisión de aire para comprimir el aire de admisión en el conducto de admisión de aire; (j) un banco de membranas estáticas de nitrógeno/oxígeno conectadas al conducto de admisión de aire por un conducto de membrana y conectada a un distribuidor de admisión de aire/combustible por un conducto de aire enriquecido, para eliminar una porción del nitrógeno en el aire de admisión antes del distribuidor de admisión de aire/combustible; (k) un segundo compresor turbocargador conectado operativamente al conducto de escape y el conducto de membrana para comprimir el aire que pasa al banco de las membranas de nitrógeno/oxígeno; (1) un segundo compresor turbocargador después del intercambiador de calor enfriador entre el segundo turbocargador y el banco de membranas de nitrógeno/oxígeno; y (m) un conducto de escape de nitrógeno conectado al banco de las membranas estáticas de nitrógeno/oxígeno; y (n) una turbina de recuperación de presión conectada operativamente al conducto de escape y el conducto de escape de nitrógeno para activar un compresor conectado operativamente al conducto de ad isión de aire y el conducto de aire enriquecido, para comprimir el flujo de aire para el distribuidor de admisión de aire/combustible. RESUMEN Un motor de combustible múltiple, alternante, encendido por chispa o plasma, con NOx reducido, ambientalmente complaciente que utiliza inyección de agua en el cilindro, directa y un suministro de aire enriquecido con oxígeno opcional, es capaz de funcionar como un motor de relación de compresión elevada, de quemado ultra-pobre para la salida de potencia notable y eficiencia aumentada. La inyección de agua a baja temperatura en el cilindro promueve numerosos efectos ventajosos. Uno, inyección de agua en el cilindro durante la carrera de compresión, disminuye significativamente las temperaturas de compresión a través del calor latente de vaporización del agua líquida a la forma gaseosa. La disminución de la temperatura de compresión permite relaciones de compresión aumentadas, mientras que evita el pre-encendido. También, la masa de aire/combustible o masa enriquecida con 02/aire/combustible de agua inyectada a baja temperatura, demanda menos trabajo en la carrera de compresión, por lo que aumenta la eficiencia del motor total. La inyección de agua a baja temperatura promueve el flujo de la masa aumentado a través del motor para la salida de potencia aumentada y eficiencia. La inyección de agua a baja temperatura también disminuye la temperatura de la combustión, por lo que disminuye la formación de emisiones de óxido de nitrógeno. El suministro de aire enriquecido con oxígeno opcional puede promover la capacidad de encendido y estabilidad de la flama de combustión en presencia de la concentración de agua diluyente elevada y/o baja o las llamadas relaciones de combustible ultra-pobre/aire. El proceso puede ser utilizado en un motor de dos o cuatro ciclos, encendido por chispa o plasma o por cualquier proceso de inyección.