WO2017179032A1 - Inyección directa de aire para motores de combustión interna - Google Patents

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WO2017179032A1
WO2017179032A1 PCT/IB2017/053954 IB2017053954W WO2017179032A1 WO 2017179032 A1 WO2017179032 A1 WO 2017179032A1 IB 2017053954 W IB2017053954 W IB 2017053954W WO 2017179032 A1 WO2017179032 A1 WO 2017179032A1
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air
combustion chamber
injector
engine
engines
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PCT/IB2017/053954
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Cesar Augusto BAUTISTA STERLING
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Bautista Sterling Cesar Augusto
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • F02B23/10—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder
    • 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
    • F02B41/00—Engines characterised by special means for improving conversion of heat or pressure energy into mechanical power
    • 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
    • F02B57/00—Internal-combustion aspects of rotary engines in which the combusted gases displace one or more reciprocating pistons
    • F02B57/04—Control of cylinder-charge admission or exhaust
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • This invention relates to the process for introducing compressed air into the internal combustion chambers of thermal engines, by direct injection of air alternately to traditional ducts and intake valves, using a compressed air injector governed by the power unit. motor control (ECU).
  • the invention also relates to an apparatus for carrying out said process.
  • a Procedure for the Direct Injection of Compressed Air into the internal combustion chamber of Thermal Motors which is characterized by the use of a set of mechanical, electrical and electronic devices, which work articulated , allow the injection of fresh air (or mixtures of oxidizers) compressed, into said combustion chamber, through an injector independent of the conventional intake system (Multiple and intake valve), powered by a compressor (Electric Turbo) through its own pressure circuit; procedure governed by the engine control unit (ECU).
  • Multiple and intake valve Multiple and intake valve
  • Electric Turbo Electric Turbo
  • the fundamental objective of this compressed fresh air injection system to the combustion chamber is to reach the ideal minimum in fuel consumption 95 and in emissions of polluting gases, optimizing the mixture for a perfect combustion in temperature, pressure and duration, as well how to achieve greater mechanical performance in torque and power, injecting the air at specific moments of piston position relative to the crankshaft (between 45 ° ⁇ 90 °
  • the present invention provides an apparatus for carrying out the compressed air injection process according to the first aspect of the invention set forth above.
  • the apparatus according to the invention is essentially characterized in that it allows controlling aspects of the combustion of the mixture, after the intake valve has been closed, which is when the maximum utility of the function of this invention can be obtained, among them, not control or correct the composition, pressure, temperature, and duration of combustion, as well as the expulsion gases and the quality of the air before and after the explosion of the air-fuel mixture, also produce and control the quality of the mixture in terms of its internal distribution (Stratified, Homogeneous, Poor Homogeneous); aspects that with the traditional lis intake system, can only be operated by the Engine Control Unit (ECU), from the beginning of the admission stage, until the closing of said intake valve or in some cases, few degrees before switching on the mixture.
  • ECU Engine Control Unit
  • the present invention provides a method and an apparatus with the ability to supply air in quality, temperature and pressure close to the ideal values, prior to the moment. ignition (depending on the need in fuel type, or characteristics such as stratified, homogeneous, homogeneous poor mixture); in addition to 125 controlling the internal temperature of the cylinders and the combustion temperature, keeping it below the risk levels (1200 ° C) of greenhouse gas (GHG) production as NOx.
  • ignition depending on the need in fuel type, or characteristics such as stratified, homogeneous, homogeneous poor mixture
  • GSG greenhouse gas
  • FIGURE 1 shows the scheme of an internal combustion engine with the Direct Air Injection apparatus at the top, which is at the moment of ignition of the air-fuel mixture.
  • FIGURE 2 shows the engine scheme, which shows the moment of the 145 air injection when the piston has dropped 60 ° in its power stroke, causing the internal pressure of the chamber to increase and the burning of the fuel is finished generating additional power for when the piston passes through the middle of the descent path (90 °), where the maximum torque is transmitted to the crankshaft.
  • FIGURE 3 shows the engine scheme, which shows the beginning of the expulsion stage with fully burned gases in the process of exiting the cylinder at a low temperature compared to the traditional system without the process and apparatus discussed in this invention.
  • FIGURE 4 shows the scheme of the engine, which shows the piston about 155 finishing the expulsion stage (300 °) at which time a new injection of cold air occurs, resulting in the combustion of residual hydrocarbons and the total sweep of the burned gases, as well as the reduction of the temperature, the combustion chamber being clean, so that the new air of the subsequent intake enters a clean and relatively cold atmosphere.
  • FIGURE 5 shows the engine scheme, which represents two stages of the engine's operating cycles:
  • FIGURE 6.A shows the scheme of the apparatus with a cross-sectional cutout, showing the arrangement of the elements to perform the function of direct air injection, which is located at the injector site of a conventional diesel engine.
  • FIGURE 6.B shows the scheme of the apparatus with a cross-sectional cutout, showing the arrangement of the elements to perform the function Direct air injection, which is located at the injector site of a conventional gasoline engine. It should be noted that in this figure the drawing of a gasoline injector (22) was included, which is not necessarily integrated into the procedure and apparatus that is the subject of this invention, but which can be considered as a constructive part of said apparatus at the time of manufacture .
  • FIGURE 7 shows the complete schematic drawing of the apparatus with all the components arranged to perform the procedure of injecting air 185 directly into the internal combustion chamber of thermal engines, including electrical and pneumatic connections.
  • the number of injections as well as their moment of application (degrees of rotation of the crankshaft) during the operating cycles of the engine and the duration of said injection, is determined for each specific case or engine 205, by prior programming of the Unit Motor Control, which can be seen in its context of connections of the device in Figure 7.
  • crankshaft position sensors (17) feed this information to the electronic system control (ECU) (1 1), which instructs the injector (5) the exact time to make the first injection of air previously compressed by the electric compressor (13 ) to one
  • the new admission stage would be starting at the top dead center 270 (PMS) , after a complete turn (360 °) from the moment the mixture is turned on; said intake is completed in the 180 ° (half-turn) path until the piston (7) reaches the bottom dead center (completing 540 ° of rotation from the moment the mixture is turned on).
  • the next compression stage ( Figure 5) then ends after the next 275 180 ° upward rotation of the piston (7), until reaching the top dead center (ie 720 ° is completed (corresponding to two full turns) ; shortly before the end of said compression stage, the sensors (3) make a final measurement of air pressure and temperature inside the chamber (12); the data is sent to the engine control unit (1 1). 280 which according to the information received can intervene by making a last air injection so that the chamber (12) is in ideal conditions for the subsequent stage of ignition of mixture or explosion.
  • the air for the process described in this invention is obtained from a compressor (13) (Electric Turbo) which takes it inside the chamber of
  • FIG. 6 A cross-section of what represents the device designed for placement in the hole originally arranged for the placement of the diesel fuel injector in the corresponding engine head is shown in Figure 6. A; this includes the air injector (5), the diesel fuel injector (4.A), the sensor element (3), and the thread or extension (21) to be placed in the original site of the diesel injector as explained .
  • Figure 6.B shows a cross section of what represents the device 300 designed for placement in the hole originally arranged for the placement of the spark plug (4.B) in the cylinder head of the corresponding gasoline engine; this includes the air injector (5), the fuel injector (22), the sensor element (3), and the thread or extension (21) to be placed in the original spark plug site as explained above.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

Procedimiento que comprende las etapas de: compresión del aire, inyección del mismo de forma directa a la cámara de combustión en posiciones específicas del ciclo de funcionamiento del motor, monitoreo de variables de temperatura y presión dentro de la cámara de combustión y ejecución de acciones y correctivos para mantener el funcionamiento preestablecido en el sistema para dicho proceso, caracterizado por que el circuito de aire comprimido es independiente del sistema de admisión de dichos motores y es gobernado a través de una Unidad de Control de Motor (ECU). Aparato para la realización del procedimiento anterior que comprende: medios propios de aire comprimido que incluye un compresor (turbo eléctrico), un tanque acumulador de presión, un regulador de presión, conexiones neumáticas y eléctricas y finalmente un dispositivo inyector; un artefacto para ser ubicado en el orificio dispuesto originalmente para el inyector de combustible Diésel, para el caso de motores Diésel o dispuesto para la bujía para el caso de motores a gasolina, los cuales contienen el inyector de aire, el dispositivo contenedor de los sensores y en el caso de motor a gasolina un inyector de combustible, además del inyector de aire y la bujía; medios propios de control en una Unidad de Control de Motor (UCE) que interconecta los componentes neumáticos, eléctricos, y mecánicos arriba descritos, los cuales controlan el sistema.

Description

DESCRIPCIÓN.
INYECCIÓN DIRECTA DE AIRE PARA MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA.
SECTOR TECNOLÓGICO:
Esta invención se relaciona con el proceso para introducir aire comprimido a las cámaras de combustión interna de motores térmicos, mediante la inyección directa de aire por vía alterna a los tradicionales ductos y válvulas de admisión, usando un inyector de aire comprimido gobernado por la unidad de control del motor (ECU). La invención se relaciona también con un aparato para llevar a cabo dicho procedimiento.
TECNOLOGÍA ANTERIOR O ESTADO DE LA TÉCNICA:
Se desconoce la aplicación o uso de algún tipo de Inyección Directa de Aire Comprimido a la cámara de combustión interna de motores térmicos como se describe en esta solicitud, para su utilización como alimentador o sobréalimentador de aire para motores de combustión.
Haciendo la revisión del estado de la tecnología, el problema técnico se resume en la optimización energética de los motores de combustión interna, acompañado de la reducción de consumo de combustible y de la reducción de emisión de gases contaminantes a la atmósfera; hasta ahora tal problema se ha enfrentado desde el punto de vista de la introducción eficiente de mezcla de aire y combustible dentro de la cámara de combustión, en términos de proporciones estequiometrias ideales (14.7partes de aire x 1 .0 parte de combustible).
Para el caso del aire, se hace pasar por un dispositivo compresor (Turbo Compresor, Súper Cargador, Turbo Eléctrico), el cual después de una etapa de enfriamiento (Intercooler), es conducido a través de un ducto o múltiple de admisión y finalmente a través de la válvula de admisión, hacia el interior de la cámara de combustión.
Para el caso del combustible (Gasolina o Diésel), se han desarrollado importantes avances como la "Inyección Electrónica de Combustible", en principio " indirecta", es decir que el inyector se instalaba en el múltiple de admisión (para el caso de gasolina), mezclándose dicho combustible con el aire en el trayecto hacia la cámara de combustión, a través de la válvula de admisión; más recientemente la "inyección directa de combustible" (también electrónica), es decir, mediante inyectores ubicados en la cámara de combustión, se coloca la cantidad de combustible adecuada (últimamente usando tecnología para Diésel y Gasolina, denominada Common Rail), directamente dentro de la cámara de combustión, el cual se mezcla con el aire dentro de dicha cámara; dicha mezcla se denomina acuerdo a su composición, como mezcla estratificada, mezcla homogénea y mezcla homogénea pobre.
Cualquiera que sea la forma de alimentar las cámaras de combustión ya sea en motores a Diésel o a Gasolina tienen las ventajas arriba citadas, pero también algunas desventajas que hacen que la industria esté permanentemente habiendo investigaciones y desarrollos al respecto; hasta hoy el máximo desarrollo en cuanto a combustibles se refiere, es la "Inyección Directa de Combustible" (gasolina o diésel); ésta tecnología presenta problemas por excesiva producción de gases nocivos y de efecto invernadero (GEI), especialmente óxidos de nitrógeno (NOx), debido a las altas temperaturas (superior a 1200°C) al interior de la cámara
de combustión, estas emisiones se han corregido en parte con la instalación de catalizadores en el sistema de escape, así como de sistemas de recirculación de gases de escape hacia la admisión de aire (EGR), a fin de reducir la cantidad de oxígeno y la temperatura de combustión, para favorecer la calidad de las emisiones, que es el problema a solucionar, debido a las cada vez más estrictas regulaciones ambientales para estos motores.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENSIÓN:
En el primer aspecto de la presente invención, se proporciona un Procedimiento para la Inyección Directa de Aire Comprimido a la cámara de combustión interna de Motores térmicos, que se caracteriza por la utilización de un conjunto de dispositivos mecánicos, eléctricos y electrónicos, que funcionando articuladamente, permiten la inyección de aire fresco (o mezclas de comburentes) comprimido, al interior de dicha cámara de combustión, a través de un inyector independiente del sistema de admisión convencional (Múltiple y válvula de admisión), alimentado por un compresor (Turbo Eléctrico) mediante un circuito de presión propio; procedimiento gobernado por la unidad de control del motor (ECU).
Se busca que una vez encendida la mezcla aire-combustible al interior del cilindro, se inyecte nuevo aire fresco antes de que la llama se extinga (entre 45°~ 90° después del momento de encendido de la mezcla), a fin de mantenerla encendida un lapso de tiempo mayor para lograr la combustión total de los hidrocarburos obteniendo el máximo rendimiento térmico-mecánico; igualmente se logra bajar la temperatura (menos de 1200°C) de dicha combustión lo cual reduce la formación de gases de efecto invernadero como Óxido Nítrico (NOx), y Monóxido de Carbono entre otros, a la vez que aumenta la presión interna del cilindro. Todo lo anterior debe ocurrir antes de que el pistón alcance la mitad del recorrido descendente (90° después de Punto Muerto Superior, en tiempo de encendido), punto en el cuál se obtiene el mayor rendimiento mecánico en potencia y torque del motor.
Una vez terminada la carrera de potencia en el Punto Muerto Inferior (PMI), y simultáneamente al comenzar la carrera de expulsión de gases, poco antes de que esta termine (entre 300° ~ 360°), se realiza una nueva inyección de aire limpio, el cual en primera instancia hace que se quemen los hidrocarburos residuales; adicionalmente ayudado por el movimiento ascendente del pistón, hará un barrido total de los gases quemados, bajará drásticamente la temperatura del cilindro y de la cabeza del pistón, en consecuencia al momento de cerrarse la válvula de expulsión, la cámara interna solo tendrá aire limpio a temperatura relativamente baja (menor de 250°C); seguidamente al momento de abrirse la válvula de admisión, al entrar aire nuevo por dicho ducto y al terminar esta etapa, puede garantizar que dentro del cilindro el aire será virtualmente 100% limpio con mayor densidad y con temperatura baja, lo cual permitirá una 90 mejora sustancial en las condiciones de la nueva etapa de combustión, sea cual fuere el tipo de combustible o el procedimiento de suministro del mismo al cilindro.
El objetivo fundamental de este sistema de inyección de aire fresco comprimido a la cámara de combustión, es llegar al mínimo ideal en consumo de combustible 95 y en emisiones de gases contaminantes, optimizando la mezcla para una combustión perfecta en temperatura, presión y duración, así como lograr mayores rendimientos mecánicos en torque y potencia, inyectando el aire en momentos específicos de posición del pistón respecto del cigüeñal (entre 45° ~ 90°
loo medidos desde el momento de encendido); adicionalmente, lograr que el interior del cilindro se encuentre a baja temperatura y totalmente limpio de gases de escape (barrido de gases), al momento de recibir el aire nuevo del sistema para el nuevo ciclo de potencia.
Por otro lado, la presente invención proporciona un aparato para llevar a cabo el ios procedimiento de inyección de aire comprimido según el primer aspecto de la invención anteriormente expuesto. El aparato según la invención se caracteriza fundamentalmente porque permite controlar aspectos de la combustión de la mezcla, después de que se ha cerrado la válvula de admisión, que es cuando se puede obtener el máximo de utilidad a la función de esta invención, entre ellas, no controlar o corregir la composición, presión, temperatura, y duración de la combustión, así como de los gases de expulsión y de la calidad del aire previo y posterior a la explosión de la mezcla aire - combustible, igualmente producir y controlar la calidad de la mezcla en cuanto a su distribución interna (Estratificada, Homogénea, Homogénea Pobre); aspectos que con el sistema de admisión lis tradicional, solo pueden ser intervenidos por la Unidad de Control del Motor (ECU), desde el comienzo de la etapa de admisión, hasta el momento de cierre de dicha válvula de admisión o en algunos casos, pocos grados antes del encendido de la mezcla.
Por su capacidad de intervenir en cualquier momento del ciclo de funcionamiento 120 de los motores de combustión interna, la presente invención proporciona un procedimiento y un aparato con la capacidad de suministrar aire en calidad, temperatura y presión cercanos a los valores ideales, previo al momento de encendido (según sea la necesidad en tipo de combustible, o características como mezcla estratificada, homogénea, homogénea pobre); además de 125 controlar la temperatura interna de los cilindros y la temperatura de la combustión, manteniéndola por debajo de los niveles de riesgo (1200°C) de producción de gases efecto invernadero (GEI) como NOx. Estas características descritas en la presente invención, hace posible prescindir de los elementos tradicionales para dichas tareas, como son: Turbo Cargador o Súper Cargador 130 según el caso; InterCooler y sistemas convertidores catalíticos de expulsión de gases, sistemas de recirculación de gases (EGR) y otros, elementos que resultan altamente costosos en fabricación, consumo energético y de recursos.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS: Para complementar la descripción que se está realizando y para ayudar a una 135 mejor comprensión de las características del invento, se presenta un conjunto de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado ambos aspectos de Procedimiento y Aparato para Inyectar Aire Comprimido de Forma Directa a la Cámara de Combustión Interna de Motores Térmicos, que según la invención, serán descritos a continuación haciendo referencia a los 140 citados dibujos adjuntos, en donde:
La FIGURA 1 muestra el esquema de un motor de combustión interna con el aparato de Inyección Directa de Aire en la parte superior, el cual está en el momento de encendido de la mezcla aire - combustible.
La FIGURA 2 muestra el esquema del motor, el cual muestra el momento de la 145 inyección de aire cuando el pistón ha descendido 60° en su carrera de potencia, haciendo que se incremente la presión interna de la cámara y se termine de quemar el combustible generando potencia adicional para cuando el pistón pase por la mitad del recorrido de descenso (90°), donde se transmite el máximo de torque al cigüeñal.
150 La FIGURA 3 muestra el esquema del motor, el cual muestra el comienzo de la etapa de expulsión con los gases totalmente quemados en proceso de salir del cilindro con temperatura baja respecto al sistema tradicional sin el proceso y aparato de que trata esta invención.
La FIGURA 4 muestra el esquema del motor, el cual muestra el pistón cerca de 155 terminar la etapa de expulsión (300°) momento en el cuál se produce una nueva inyección de aire frió con lo cual se produce la combustión de hidrocarburos residuales y el barrido total de los gases quemados, así como la reducción de la temperatura, quedando limpia la cámara de combustión, a fin de que el aire nuevo de la subsiguiente admisión ingrese a una atmosfera limpia y 160 relativamente fría.
La FIGURA 5 muestra el esquema del motor, el cual representa dos estadios de los ciclos de funcionamiento del motor:
En primer lugar representa el final de la etapa de expulsión, mostrando una cámara de combustión limpia de residuos de la combustión inmediatamente 165 anterior, gracias una última inyección de aire limpio, justo al momento de terminar de cerrarse la válvula de expulsión.
En segundo lugar representa el fin de la etapa de compresión (precedida por la etapa de admisión), donde el sistema de inyección directa de aire calibra y ajusta la presión interna de la cámara de combustión a niveles predeterminados, justo 170 antes de producirse la explosión en un nuevo ciclo de potencia.
La FIGURA 6.A muestra el esquema del aparato con un corte de sección transversal, que muestra la disposición de los elementos para hacer la función de inyección directa de aire, que se ubica en el sitio del inyector de un motor diésel convencional.
175 La FIGURA 6.B muestra el esquema del aparato con un corte de sección transversal, que muestra la disposición de los elementos para hacer la función de inyección directa de aire, que se ubica en el sitio del inyector de un motor de gasolina convencional. Cabe anotar que en esta figura se incluyó el dibujo de un inyector de gasolina (22) el cuál no está necesariamente integrado al 180 procedimiento y aparato motivo de esta invención, pero que puede ser considerado como parte constructiva de dicho aparato al momento de la fabricación.
La FIGURA 7 muestra el plano esquemático completo del aparato con todos los componentes dispuestos para hacer el procedimiento de inyectar aire de forma 185 directa a la cámara de combustión interna de motores térmicos, incluyendo conexiones eléctricas y neumáticas.
Según los esquemas de la figuras 1 , 2, 3, 4, y 5 la inyección directa de aire se produce en diferentes tiempos del ciclo de funcionamiento del motor, particularmente en la figura 2, cuando el pistón se ha desplazado 45° después 190 del encendido de la mezcla, en sentido
descendente en su carrera de potencia, optimizando la combustión, bajando la temperatura de combustión (a menos de 1200°C) y aumentando la presión interna de gases en el punto de mayor incidencia de producción de torque del motor (a 90° después del encendido de la mezcla); igualmente en la figura 4,
195 donde en se gráfica una nueva inyección de aire a unos 300° después de encendido de la mezcla, durante el ciclo de expulsión, ayudando al barrido de gases, a quemar los hidrocarburos residuales y a bajar la temperatura de la cámara; y en la figura 5, donde se gráfica una nueva inyección directa de aire a 680°, al finalizar la etapa compresión donde el aparato en su conjunto hace
200 correcciones y optimiza la presión y temperatura de la atmósfera antes del comienzo del nuevo ciclo de potencia del motor.
El número de inyecciones así como su momento de aplicación (grados de giro del cigüeñal) durante los ciclos de funcionamiento del motor y el tiempo de duración de dicha inyección, está determinado para cada caso o motor 205 específico, mediante la programación previa de la Unidad de Control del Motor, que se puede apreciar, en su contexto de conexiones del aparato en la figura 7.
MEJOR MANERA DE EJECUTAR LA INVENSIÓN
De acuerdo a nuestra secuencia de dibujos tomaremos como punto de partida el momento de explosión de la mezcla de aire-combustible.
2io Una vez encendida la mezcla (figura 1 ), el pistón (7) comienza su recorrido hacia abajo debido a la fuerza de la explosión; los gases se expanden haciendo la presión y temperatura dentro de la cámara de combustión (12), lo cual impulsa el pistón (7) en su recorrido de potencia el sentido descendente; igualmente comienza el agotamiento tanto del combustible como de oxígeno (no siempre de
215 forma equilibrada, razón por la cual en ocasiones aparecen excesos de hidrocarburos, óxidos de nitrógeno (NOx) y otros gases inconvenientes en las emisiones); entre los 45° ~ 60° antes de que el pistón (7) llegue a la mitad (90°) de su recorrido descendente por el cilindro (9) se produce la primera inyección directa de aire (20), el cuál ingresa a la cámara de combustión mediante el
220 inyector (5) en cantidad y presión determinado por la Unidad de Control del Motor (1 1 ), la hace los cálculos correspondientes con base en los datos recibidos desde el conjunto de sensores (3) ubicados en el conjunto de elementos con conexión directa a la cámara (12) de combustión de la Figura 6. A para el caso de motor Diésel y de la Figura 6.B para el caso de motor a gasolina; dicho cálculo esta 225 complementado por datos adicionales recibidos en la ECU (1 1 ) desde un conjunto de conexiones de sensores externos (17) con información pertinente para dicho cálculo.
Al inyectar aire fresco a presión (20) sobre la llama instantes antes de que el pistón pase por la mitad (90°) de su recorrido (figura 2), se produce un
230 reavivamiento de la llama, debido al nuevo aire, provocando la combustión de hidrocarburos restantes dentro de la cámara (12); sensores de posición del cigüeñal (17) alimentan dicha información al control electrónico del sistema (ECU) (1 1 ), el cuál ordena al inyector(5) el momento exacto de hacer la primera inyección de aire previamente comprimido por el compresor eléctrico (13) a una
235 presión superior a la de la cámara de combustión; ese aire nuevo, además de producir el efecto antes explicado, hace que se baje sustancialmente la temperatura de la combustión, lo cual evita la excesiva formación de residuos tóxicos de óxidos nítricos (NOx); simultáneamente produce un aumento sustancial de la presión interna en la cámara de combustión (12), en momentos
240 en que el pistón pasa por la mitad de su recorrido (90°) descendente, en el cuál se produce un aprovechamiento máximo en torque y potencia, ya que en ese momento, la line del pasador biela (8) - cigüeñal y eje - cigüeñal(10), se encuentra geométricamente ortogonal (90 grados) a la línea de desplazamiento descendente del cilindro (9).
245 Puede ocurrir que para este caso sean necesarias una o más inyecciones de aire, lo cual será motivo de estudio y programación (ECU) (1 1 ), de acuerdo con los requerimientos de cada motor o cada fabricante.
Finalizado del tiempo de explosión (figura 1 y figura 2) y comienzo de expulsión (Figura 3), una vez el pistón termina su recorrido descendente y
250 simultáneamente comienza su recorrido ascendente (Figura 3), se abre la válvula de expulsión (2) de los gases de combustión lo cual permite su rápida evacuación; sensores de posición del cigüeñal (10) alimentan dicha información al control electrónico (ECU) (1 1 ) del sistema, el cuál ordena al inyector de aire (5) el momento exacto de hacer una o más inyecciones de aire (20) a una presión
255 y caudal adecuados, como se ilustra ( figura 3).
En una posición ( 270° ~ 360° ) preestablecida del pistón (7), antes de finalizar su recorrido ascendente o de expulsión de gases, ocurre una nueva (pueden ser más de una) inyección directa de aire (Figura 4) sobre la cabeza del pistón (7), obligando a los gases restantes a salir rápidamente, mediante el barrido de
260 gases programado y ejecutado electrónicamente (ECU) (1 1 ), quedando la cámara combustión (12) entre el pistón (7) y las válvulas de admisión (1 ) y expulsión (2) completamente limpia, virtualmente con la totalidad de los hidrocarburos quemados y con una temperatura sustancialmente inferior (a determinar en laboratorio) que permitirá optimizar la entrada de aire a
265 temperatura baja y con mayor densidad, para el inicio del nuevo ciclo ( admisión) de funcionamiento del motor. De acuerdo a la medición de la secuencia angular (Dos giros o 720° en total para este caso de motor de 4 tiempos) de dichos ciclos de funcionamiento del motor, la nueva etapa de admisión estaría comenzando en el punto muerto superior 270 (PMS), después de un giro completo (360°) desde el momento de encendida la mezcla; dicha admisión se completa en el recorrido de 180° (media vuelta) hasta que el pistón (7) alcanzar el punto muerto inferior (completando 540° de giro desde el momento del encendido de la mezcla).
La siguiente etapa de compresión (Figura 5) termina entonces después de los 275 siguientes 180° de giro en sentido ascendente del pistón (7), hasta alcanzar el punto muerto superior (es decir se completan los 720° (correspondientes a dos vueltas completas); poco antes de finalizar la citada etapa de compresión, los sensores(3) hacen una medición final de presión y temperatura de aire dentro de la cámara (12); los datos son enviados a la unidad de control de motor (1 1 ) la 280 cual de acuerdo a la información recibida puede intervenir haciendo una última Inyección de aire a fin de que la cámara (12) esté en condiciones ideales para la subsiguiente etapa de encendido de mezcla o explosión.
El aire para el procedimiento descrito en esta invención es obtenido de un compresor (13) (Turbo Eléctrico) el cuál lo lleva hasta el interior la cámara de
285 combustión a través del inyector de aire (5) previamente direccionado por ductos neumáticos (18) hasta un tanque acumulador de presión de aire (14), posteriormente por un regulador de presión (15) y finalmente hasta el dicho inyector de aire (5); los conectores eléctricos (19) interconectan todos los elementos y sensores con la ECU (1 1 ) a fin de llevar a cabo el funcionamiento o
290 procedimiento arriba descrito.
Comentado [D1 ]:
Comentado [D2R1 ]:
En la figura 6. A se muestra un corte transversal de lo que representa el artefacto diseñado para su colocación en el orificio dispuesto originalmente para la 295 colocación del inyector de combustible Diésel en la culata del motor correspondiente; ello incluye el inyector de aire (5), el inyector de combustible diésel (4.A), el elemento de sensores (3), y la rosca o extensión (21 ) para ser colocado en el sitio original del inyector Diésel como se explicó.
En la figura 6.B se muestra un corte transversal de lo que representa el artefacto 300 diseñado para su colocación en el orificio dispuesto originalmente para la colocación de la bujía (4.B) en la culata del motor de gasolina correspondiente; ello incluye el inyector de aire (5), el inyector de gasolina (22), el elemento de sensores (3), y la rosca o extensión (21 ) para ser colocado en el sitio original de la bujía como se explicó arriba.
305 315
320

Claims

REIVINDICACIONES. PROCEDIMIENTO Y APARATO PARA INYECTAR AIRE COMPRIMIDO DE FORMA DIRECTA A LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN INTERNA DE MOTORES TÉRMICOS.
1 . Procedimiento para inyectar aire Comprimido de forma directa a la cámara de combustión interna de motores térmicos, cuyo proceso comprende las etapas de compresión del aire, inyección del mismo de forma directa a la cámara de combustión en posiciones específicas del ciclo de funcionamiento del motor, monitoreo de variables de temperatura y presión dentro de la cámara, y ejecución de acciones y correctivos para mantener el funcionamiento preestablecido en el sistema para dicho proceso, caracterizado por que el circuito de aire comprimido es independiente del sistema de admisión de dichos motores y gobernado a través de una Unidad de Control de Motor (1 1 ).
2. Procedimiento según la reivindicación 1 caracterizado por que el aire inyectado actúa como refrigerante, reductor de la temperatura de combustión, como proveedor de oxígeno para quemar la totalidad de los hidrocarburos residuales y como elemento para incrementar la presión interna de la cámara de combustión.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la inyección del aire es realizada según la programación y parámetros de la unidad de control de motor (1 1 ).
4. Procedimiento según la reivindicación 1 , 2 y 3 caracterizado por que los datos de las variables como presión y temperatura de la cámara de combustión recibidos desde los sensores (3) y conducidos hacia la unidad de control de motor (1 1 ), determinan los valores o características de la inyección en cuanto a cantidad, duración, tiempo (en grados de giro del cigüeñal) de inyección y presión de la cámara.
5. Procedimiento según la reivindicación 1 , 2, 3 y 4 caracterizado por que la inyección de aire se puede realizar de manera continua o intermitente, de acuerdo a requerimientos técnicos de cada máquina y/o fabricante.
6. Aparato (F.7) para la realización del procedimiento según las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque comprende:
. Medios propios de aire comprimido que incluye un compresor (turbo eléctrico), un tanque acumulador de presión, un regulador de presión, conexiones neumáticas y eléctricas y finalmente un dispositivo inyector.
. Un artefacto para ser ubicado en el orificio dispuesto originalmente para el inyector de combustible Diésel (F.6.A) para el caso de motores Diésel y/o dispuesto para la bujía (F.6.B) para el caso de motores a gasolina, los cuales contienen el inyector de aire (5), el dispositivo contenedor de los sensores (3) y en el caso de motor a gasolina un inyector de combustible (22), además del inyector Diésel o la bujía.
. Medios propios de control en una Unidad de Control de Motor (1 1 ) que interconecta los componentes neumáticos, eléctricos, y mecánicos arriba descritos, los cuales gobierna el sistema.
7. Aparato según la reivindicación 6 caracterizado porque cuando se emplea el aire comprimido directo a la cámara de combustión, están previstos medios para que el proceso de combustión se seleccione entre estratificado, homogéneo y homogéneo pobre.
8. Aparato según la reivindicación 6 caracterizado porque dicho aparato sirve también para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) al inyectar aire frió y hacer que la combustión ocurra a una temperatura menor a 1200°C, en la cual se empiezan a generar óxidos de nitrógeno (NOx).
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