WO2005066484A1 - Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (co2) a los gases de combustión - Google Patents

Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (co2) a los gases de combustión Download PDF

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Manuel MARISCAL MUÑOZ
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen

Definitions

  • the present invention relates to a new combined cycle explosion engine, which based on the basic structuring of a gasoline engine (Otto cycle) or diesel engine (diesel cycle) focuses its characteristics on the fact of that the thermodynamic cycle, which is governed in both cases, is modified by the contribution of a gas, specifically carbon dioxide (CO2), which, when in contact with hot combustion gases, experiences a strong thermal expansion, contributing thus to significantly increase the pressure inside the cylinder.
  • a gas specifically carbon dioxide (CO2)
  • the regulation of the engine can be carried out in two ways, one regulating the entry of air and fuel that burns inside the engine cylinders, as is currently the case in a conventional engine, and the other by dosing or modifying the amount of carbon dioxide supplied to the cylinder
  • the object of the invention is to achieve a combined cycle engine, from the thermodynamic point of view, in which the energy given off in combustion is better used in terms of its conversion in a useful mechanical work, precisely because of the combination of two different thermodynamic cycles, but with the special feature that, by mixing the gases that participate in it, a degree of mechanical complexity for the engine is achieved considerably less than that of the combined cycle engines in which the gases act without mixing.
  • the engine that the invention proposes is especially suitable for use in the automotive field.
  • thermodynamic engines are known, based on the combination of two different thermodynamic cycles, such as one of gas and another of steam, which results in a final flue gas temperature, that is, at the end of the thermodynamic process, considerably lower, which means that the thermal energy that is transferred to the environment has a lower temperature level.
  • these combined cycle explosion engines are designed to recover water vapor, so that it can cool and condense for reuse, which brings extraordinary mechanical complexity to the engine, which requires independent means for treatment of gases, which not only affects costs but also makes these combined cycle engines cannot be applied to the automobile field, for which the engine of the invention has been fundamentally conceived, both for reasons of space and of weight.
  • the combined cycle engine that the invention proposes solves in a fully satisfactory manner the problem set forth above.
  • a carbon dioxide (CO2) power supply consisting of a tank of appropriate capacity, where said carbon dioxide (CO2) can be in liquid or gas phase, in depending on the environmental conditions, said tank being properly connected to the engine cylinders, to which carbon dioxide (CO2) is accessed through injectors designed for that purpose, either with the same pressure with which said gas is in the tank or at a higher pressure with the collaboration of an appropriate pump, carbon dioxide (CO2) being introduced into each cylinder immediately after the piston has exceeded the top dead center, to avoid pressure overload inside the cylinder and also to allow time for combustion of the injected fuel, such as gasoline or diesel fuel, to take place so that when entering ntacto carbon dioxide (CO2) with combustion gases, at high temperature, there is a heating of said carbon dioxide (CO2) which causes an expansion thereof with the consequent increase in pressure inside the cylinder and, at
  • carbon dioxide (CO2) is injected into the periphery of the cylinder, thereby achieving a double effect: on the one hand, it does not interfere excessively with combustion gases and on the other, and this is essential, to establish a thermal insulation barrier between the mass of hot gases inside the cylinder and the wall of the cylinder, which prevents heat leakage and improves engine performance.
  • the turbulence within the ⁇ ' The cylinder guarantees at all times the gradual and progressive heating of carbon dioxide (CO2) and the transfer of heat between hot gases and the coldest gas (CO2) that is injected into the cylinders.
  • the contribution of gas to the cylinders implies an increase in engine power.
  • This increase in power can be regulated by reducing the amount of fuel in order not to exceed the limit power demanded at all times.
  • a reduction of the fuel consumption of the engine can be achieved more than remarkable for two reasons: One of them because the mere contribution of gas (CO2) to each of the engine cylinders already implies in itself an increase in pressure within them, and another because the strong expansion experienced by the injected carbon dioxide (CO2) further enhances the pressure increase.
  • CO2 carbon dioxide
  • This gas which has to be separated from petroleum and methane which is the main component of natural gas, can be channeled and transported, duly liquefied, to the corresponding distribution centers, to finally be used in explosion engines such as the invention, achieving the double advantage of decreasing energy consumption and at the same time reducing atmospheric pollution derived from the combustion of some petroleum derivatives such as diesel and gasoline.
  • Figure 1 shows a basic schematic representation of an installation of liquefied carbon dioxide (CO2) for feeding a combined cycle explosion engine made in accordance with the object of the present invention, in its specific application to a motor vehicle.
  • CO2 liquefied carbon dioxide
  • Figure 2. Shows a diagram of the engine duty cycle of the previous figure.
  • the heat exchanger (5) uses as inherent thermal energy the combustion gases produced by the engine itself (6), so that said exchanger (5) is in turn embedded in the exhaust pipe (9) which, coming from the exhaust manifold (10), it evacuates combustion gases to the outside through its terminal outlet (11), after passing through the classic silencer (12).
  • the safety valve (3) will be assisted by a conduit (13) also communicated with the exhaust pipe (9).
  • the work area (17) due to the incorporation of carbon dioxide (CO2) is a continuation or extension of the work area (16) carried out by flue gases, evidencing furthermore said figure that the invention allows, for the same engine power, a marked decrease in fuel consumption, or a sharp increase in engine power, without increasing fuel consumption and without increasing the engine limit temperature, at part of the heat of the combustion gases is absorbed by carbon dioxide (CO2) during its expansion phase.
  • CO2 carbon dioxide
  • CO2 carbon dioxide
  • Soot production is significantly reduced due to the lack of oxygen for the combustion of diesel oil burning inside the engine, since less fuel is burned and burned in better conditions, with the same amount of air in the case of the diesel engine, Soot formation is reduced and. the lubricating oil is less dirty allowing space 'more oil changes.

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Abstract

A partir de la estructuración básica de un motor de explosión convencional, indistintamente en la modalidad de gasolina o de gasoil, con su correspondiente bloque motor (6) y cilindros (7), la invención consiste en dotar a dicho motor de inyectores comptementarios (8) para anhídrido carbónico (CO2) (2) procedente de un depósito suministrador (1) de gas licuado, de manera que dichos inyectores (8) , suministran el anhidrido carbónico (C02) debidamente dosificado a cada cilindro (7) después de que et pistón ha rebasado el punto muerto superior (15), immediatamente a continuación de haberse producido la ignición del combustibte, con lo que parte del calor generado por esta última es absorbido por et anhídrido carbónico (CO2) que sufre una fuerte expansión, con et sonsecuente y paralelo incremento de la potencia del motor. En la conducción (4) de alimentación del anhídrido carbónico (2) desde et depósito (1) hasta los citíndros (7), se establece un intercambiador térmico (5), establecido a su vez en el tubo de escape (9) del motor, para que el anhídrido carbónico (CO2) (2) a temperatura ambiente en el depósito (1), Ilegue precalentado al motor (6) .

Description

MOTOR DE EXPLOSTON DE CTC O COMBTNADO RASADO EN ET, APORTE DE ANTTÍDRTDO CARBÓNTCO (COi) A T OS GASES DE COMBUSTIÓN
D E S C R I P C I Ó N
OBJETO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un nuevo motor de explosión de ciclo combinado, que partiendo de la estructuración básica de un motor de gasolina (ciclo Otto) o de motor de gasoil (ciclo diesel) centra sus características en el hecho de que el ciclo termodinámico, por el que se rige en ambos casos, se encuentra modificado por la aportación de un gas, concretamente anhídrido carbónico (CO2), que al entrar en contacto con los gases calientes de la combustión experimenta una fuerte dilatación térmica, contribuyendo así a incrementar notablemente la presión dentro del cilindro.
Esto se traduce obviamente en un aumento del par motor y, en consecuencia, en un aumento de la potencia del motor.
La regulación del motor puede llevarse a cabo de dos maneras, una regulando la entrada de aire y combustible que se quema dentro de los cilindros del motor, como sucede actualmente en un motor convencional, y la otra dosificando o modificando la cantidad de anhídrido carbónico aportado al cilindro.
Así pues el objeto de la invención es conseguir un motor de ciclo combinado, desde el punto de vista termodinámico, en el que la energía desprendida en la combustión se aprovecha mejor en cuanto a su conversión en un trabajo mecánico útil, precisamente por la combinación de dos ciclos termodinámicos distintos, pero con la especial particularidad de que, al mezclarse los gases que participan en el mismo, se consigue un grado de complejidad mecánica para el motor considerablemente menor que el de los motores de ciclo combinado en los que los gases actúan sin mezclarse.
El motor que la invención propone resulta especialmente idóneo para ser utilizado en el ámbito de la automoción.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Son conocidos motores de ciclo combinado, basados en la combinación de dos ciclos termodinámicos distintos, como por ejemplo uno de gas y otro de vapor, lo que redunda en una temperatura final de los gases de combustión, es decir al final del proceso termodinámico, considerablemente menor, lo cual significa que la energía térmica que se cede al medioambiente tiene un nivel de temperatura más bajo. Sin embargo estos motores de explosión de ciclo combinado están concebidos para recuperar el vapor de agua, de manera que éste pueda enfriarse y condensarse para su reutilización, lo que trae consigo una extraordinaria complejidad mecánica en el motor, que requiere de medios independientes para el tratamiento de los gases, lo que no sólo repercute a nivel de costos sino que hace que estos motores de ciclo combinado no puedan ser aplicados al ámbito del automóvil, para el que se ha concebido fundamentalmente el motor de la invención, tanto por razones de espacio como de peso.
~ DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El motor de ciclo combinado que la invención propone, resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta. Para ello y de forma más concreta el motor que se preconiza, parte de una fuente de alimentación de anhídrido carbónico (CO2), consistente en un depósito de capacidad apropiada, donde dicho anhídrido carbónico (CO2) puede estar en fase líquida o gaseosa, en función de las condiciones medioambientales, estando dicho depósito debidamente conectado con los cilindros del motor, a los que el anhídrido carbónico (CO2) accede a través de inyectores diseñados al efecto, bien con la misma presión con la que dicho gas se encuentra en el depósito o bien a una presión mayor con la colaboración de una bomba apropiada, introduciéndose el anhídrido carbónico (CO2) en cada cilindro inmediatamente a continuación de que el pistón haya rebasado el punto muerto superior, para evitar la sobrecarga de presión dentro del cilindro y además para dar tiempo a que tenga lugar la combustión del combustible inyectado, como por ejemplo la gasolina o el gasoil, de manera que al entrar en contacto el anhídrido carbónico (CO2) con los gases de la combustión, a alta temperatura, se produce un calentamiento de dicho anhídrido carbónico (CO2) que origina una expansión del mismo con el consecuente incremento de presión en el interior del cilindro y, a su vez, con el consecuente incremento de potencia en la carrera de expansión.
De acuerdo con otra de las características de la invención se ha previsto que el anhídrido carbónico (CO2) se inyecte en la periferia del cilindro, con lo que se consigue un doble efecto: por un lado no interferir excesivamente en los gases de la combustión y por otro, y esto es fundamental, establecer una barrera de aislamiento térmico entre la masa de los gases calientes dentro del cilindro y la pared del mismo, lo que evita las fugas del calor y mejora el rendimiento del motor. La turbulencia dentro del ¡ ' cilindro garantiza en todo momento el calentamiento gradual y progresivo del anhídrido carbónico (CO2) y la transferencia del calor entre los gases calientes y el gas (CO2) más frío que se inyecta dentro de los cilindros. Esto supone que el incremento de la presión sea gradual y no explosivo, ya que el objetivo que se persigue es mantener lo más umformemente posible la presión dentro del cilindro durante el primer tramo de la carrera de expansión. Al final de la citada carrera de expansión, el anhídrido carbónico (CO2) inyectado es expulsado fuera del motor con el resto de los productos de combustión.
La aportación de gas a los cilindros supone un incremento de la potencia del motor. Ese aumento de potencia puede regularse reduciendo la aportación de combustible con objeto de no sobrepasar la potencia límite demandada en cada momento. Con ello se puede conseguir una reducción del consumo del combustible del motor más que notable por dos razones: Una de ellas porque la mera aportación de gas (CO2) a cada uno de los cilindros del motor ya supone de por sí un aumento de la presión dentro de los mismos, y otra porque la fuerte dilatación que experimenta el anhídrido carbónico (CO2) inyectado potencia aún más el incremento de presión.
Si el gas entra ya precalentado dentro del cilindro este efecto es aún mayor, por lo que se ha previsto que entre el depósito de anhídrido carbónico y los cilindros se establezca un intercambiador térmico que, aprovechando los gases de escape, es decir los gases residuales de la combustión, trasmita el calor de los mismos al anhídrido carbónico (CO2), para elevar la temperatura de este último.
Como materia prima para el motor que' la invención propone puede utilizarse, entre otras el anhídrido carbónico (CO2) que actualmente se desecha en los yacimientos de petróleo y gas natural, explotaciones que producen anualmente millones de toneladas de dicho gas y que en la actualidad pasan directamente a la atmósfera contribuyendo a incrementar el nivel de dióxido de carbono presente en ella. Este gas, que tiene que ser separado del petróleo y del metano que es el componente principal del gas natural, puede ser canalizado y transportado, debidamente licuado, a los centros de distribución correspondientes, para finalmente ser utilizado en motores de explosión como el de la invención, consiguiéndose la doble ventaja de disminuir el consumo de energía y al mismo tiempo disminuir la contaminación atmosférica derivada de la propia combustión de algunos derivados del petróleo tales como el gasoil y la gasolina.
DESCRIPCIÓN DE LOS DD3UJOS Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La figura 1.- Muestra una representación esquemática básica de una instalación de anhídrido carbónico (CO2) licuado para alimentación de un motor de explosión de ciclo combinado realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención, en su aplicación específica a un vehículo automóvÜ.
La figura 2.- Muestra un diagrama del ciclo de trabajo del motor de la figura anterior.
REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN A la vista de las figuras reseñadas, en especial de la figura 1, puede observarse como, a partir de un motor de explosión de cualquier tipo convencional, es decir de gasolina o de gasoil, al vehículo correspondiente se incorpora un depósito (1) para el anhídrido carbónico (CO2) (2) en fase líquida, con cualquier capacidad apropiada, depósito (1) asistido por una válvula de seguridad (3) que impide que la presión en el interior del mismo sobrepase el nivel máximo preestablecido al efecto. Del depósito (1) emerge una conducción (4) que, atravesando un intercambiador de calor (5), alcanza el bloque motor (6), y más concretamente cada uno de los cilindros (7) establecidos en el mismo, a través de respectivos inyectores (8) representados esquemáticamente en la citada figura 1.
El intercambiador de calor (5) utiliza como energía térmica la inherente a los gases de combustión que produce el propio motor (6), de manera que dicho intercambiador (5) queda a su vez intercalado en el tubo de escape (9) que, procedente del colector de escape (10), evacúa los gases de combustión al exterior por su salida terminal (11), tras pasar por el clásico silenciador (12).
La válvula de seguridad (3) estará asistida por una conducción (13) comunicada también con el tubo de escape (9).
De acuerdo con esta estructuración y como anteriormente se ha dicho, paralelamente a la combustión en cada uno de los cilindros (7) del combustible de que se trate, gasolina o gasóleo, una vez que el correspondiente pistón ha rebasado el punto muerto superior, se produce la apertura del inyector. (8) correspondiente, para aportar a dicho cilindro (7) la dosis preestablecida de anhídrido carbónico (CO2), precalentada en el intercambiador de calor (5), de manera que el anhídrido carbónico (CO2), al entrar en contacto con los gases generados en la explosión del combustible sufre un acusado incremento de temperatura, que se traduce a su vez en una notable expansión, que consecuentemente incrementa también la presión existente en el interior del propio cilindro (5) y, en consecuencia, la potencia generada por el correspondiente pistón.
Este efecto se observa gráficamente en el diagrama de la figura 2, correspondiente al ciclo de trabajo del motor, en el que en abscisas se ha representado el volumen de la cámara de cada cilindro y en ordenadas la presión, en el que la referencia (14) corresponde al punto muerto inferior y la referencia (15) al punto muerto superior, en el que la referencia (16) muestra el área de trabajo realizada por los gases de combustión y la referencia (17) el área de trabajo suplementaria realizada por la aportación de anhídrido carbónico (CO2), en la que la referencia (18) muestra el punto en el que comienza la inyección de combustible (ignición) poco antes de alcanzar el pistón el punto muerto superior y en la que la referencia (19) muestra el momento en el que se inicia la inyección de anhídrido carbónico una vez rebasado el punto muerto superior.
Como salta a la vista de la observación de esta figura 2, el área de trabajo (17) debida a la incorporación del anhídrido carbónico (CO2) es una continuación o ampliación del área de trabajo (16) realizada por los gases de combustión, evidenciando además dicha figura que la invención permite, para una misma potencia del motor una acusada disminución en el consumo de combustible, o bien un fuerte incremento de la potencia del motor, sin incremento del consumo de combustible y sin aumentar la temperatura límite del motor, al ser absorbido parte del calor de los gases de combustión por el anhídrido carbónico (CO2) durante la fase de expansión del mismo. Se consigue paralelamente un incremento muy importante de la elasticidad del motor, que prácticamente nunca llegaría a pararse puesto que la inyección del gas en los cilindros lo mantendría siempre en movimiento dentro un régimen de mínimas revoluciones.
Se produce también un importante aumento de la seguridad en el caso de incendio del vehículo, ya que el anhídrido carbónico (CO2) (2) existente en el depósito (1) de alimentación del motor puede usarse como agente extintor de incendios.
Ofrece además la posibilidad de arranque del motor aún en caso de fallo del sistema eléctrico de arranque, ya que basta con activar un dispositivo de entrada de gas al interior de los cilindros para ponerlos en movimiento, permitiendo que se realice la combustión.
Supone además un menor desgaste del motor por sobrecalentamiento térmico de las piezas del mismo, sobre todo las que corresponden a las válvulas de escape y zonas del colector de gases, que se traduce en una prolongación de la vida útil del motor.
Se reduce ostensiblemente la producción de hollín debido a la falta de oxígeno para la combustión del gasoil que se quema dentro del motor, ya que al quemarse menos combustible y quemarse en mejores condiciones, con la misma cantidad de aire en el caso del motor diesel, la formación de hollín se reduce y. el aceite lubricante se ensucia menos permitiendo espaciar' más los cambios de aceite.
Además, un vehículo provisto con este tipo de motor podría funcionar mejor en condiciones atmosféricas difícñes, como las que existen
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 en los puertos de montaña elevados, donde la menor presión atmosférica se traduce en falta de potencia y en sobrecalentamiento del motor.
Ofrece además la posibilidad de mantener el motor funcionando en lugares cerrados, alimentado sólo con anhídrido carbónico (CO2) en un ralentí de muy bajas revoluciones, eliminando totalmente el riesgo de envenenamiento de la sangre por monóxido de carbono.

Claims

- IQ -
R E T V T N D T C A C T O N F S
Ia.- Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (CO2) a los gases de combustión, que siendo especialmente idóneo para ser utilizado en el ámbito de la automoción incorpora una estructuración básica equivalente a la de un motor de explosión convencional de gasolina o gasoil, y que se caracteriza porque en correspondencia con cada cilindro (7) de dicho motor se incorpora un inyector (8) para anhídrido carbónico (CO2) (2) procedente de un depósito (1) suministrador de dicho gas, de manera que inmediatamente después de la explosión del combustible y por efecto de la misma, se produce una fuerte dilatación térmica del anhídrido carbónico (CO2), que se traduce en un aumento del par motor. 2a.- Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (CO2) a los gases de combustión, según reivindicación Ia, caracterizado porque los inyectores (8) para el anhídrido carbónico (CO2) están comandados de manera que la apertura de la mismos, y consecuentemente la entrada de anhídrido carbónico en cada cilindro, se produce después de que el pistón haya rebasado el punto muerto superior, inmediatamente a continuación de haberse producido la combustión en el seno del cilindro (7) del combustible inyectado.
3a.- Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (CO2) a los gases de combustión, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada inyector (8) suministra al correspondiente cilindro (7) el anhídrido carbónico (CO2) cerca de la superficie interior de dicho cilindro (7)', de manera que el anhídrido carbónico genera una barrera perimetral para los gases de combustión, que absorbe para su propia dilatación parte sustancial de dicho
HOJA DE SUSTITUCIÓN REGLA 26 calor y que reduce el nivel térmico en el bloque motor (10).
4a.- Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (CO2) a los gases de combustión, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en el conducto (4) de alimentación del anhídrido carbónico (CO2) a los cilindros (7) desde el depósito (1) suministrador de dicho gas, se establece un intercambiadόr de calor (5) que eleva la temperatura del anhídrido carbónico existente en dicho depósito (1) previamente al acceso del mismo a los cilindros (7), habiéndose previsto que dicho intercambiador de calor (5) esté a su vez intercalado en el tubo de escape (9) sobre el que confluye el colector de escape (10) del motor (6).
5a.- Motor de explosión de ciclo combinado basado en el aporte de anhídrido carbónico (CO2) a los gases de combustión, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el depósito (1) contenedor del anhídrido carbónico (CO2) (2) incorpora una válvula de seguridad (3), preferentemente conectada mediante una conducción (13) con el tubo de escape (9) del motor, válvula (3) que limita la presión máxima en el interior de dicho depósito (1).
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
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