ES2268834T3 - Motor de gas de combustion pobre. - Google Patents
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN MOTOR DE GAS DE COMBUSTION POBRE QUE RECIBE UNA POTENCIA DE ACCIONAMIENTO MEDIANTE EL SUMINISTRO Y COMBUSTION DE COMBUSTIBLE GASEOSO EN UNA CAMARA DE COMBUSTION PRINCIPAL. EL MOTOR DE COMBUSTION POBRE DE LA PRESENTE INVENCION COMPRENDE: UNA CAMARA DE COMBUSTION PRINCIPAL (1) RODEADA POR UN PISTON (3), UN CILINDRO (2) Y UNA CABEZA DE CILINDRO (4); UNA CAMARA DE PRECOMBUSTION (30) EQUIPADA CON UNA VALVULA PILOTO DE INYECCION DE COMBUSTIBLE; Y UNA BUJIA (11) QUE SIRVE COMO FUENTE DE ENCENDIDO PARA LA MEZCLA DE COMBUSTIBLE Y AIRE DENTRO DE LA CAMARA DE COMBUSTION; EN DONDE LA CHISPA Y LA CAMARA DE PRECOMBUSTION EQUIPADA CON UNA VALVULA PILOTO DE INYECCION DE COMBUSTIBLE ESTAN DISPUESTAS EN LA CABEZA DEL CILINDRO.
Description
Motor de gas de combustión pobre.
La presente invención se refiere a un motor de
gas de combustión pobre el cual se utiliza principalmente como una
fuente de accionamiento para una instalación de energía eléctrica de
tipo estacionario para uso industrial o comercial. Esta aplicación
está basada en las solicitudes de patente No, Hei
10-132371 y No. Hei 10-228416
registradas en Japón y cuyos contenidos están incorporados aquí a
modo de referen-
cia.
cia.
En los últimos años se ha prestado una mayor
atención con respecto a unos motores de gas de combustión pobre,
debido a sus propiedades de bajo nivel de contaminación. La
tendencia principal es que los motores de gas de combustión pobre
adopten la misma forma que el modelo tipo cámara de precombustión,
el cual usa unas bujías como fuente de encendido; no obstante, se
conocen unos motores de doble combustible que funcionan igual que
los motores antes mencionados. Este último tipo de motor ejecuta la
combustión del combustible gas mediante la inyección de un
combustible (líquido) piloto directamente dentro de la cámara
principal de combustión en una proporción de aproximadamente del 5
al 15% de la cantidad total de calor y usa este combustible piloto
como fuente de encendido. Más concretamente, se inyecta una pequeña
cantidad de combustible piloto desde la válvula principal de
inyección de combustible de un motor diesel estándar, a fin de
lograr el encendido antes mencionado. Esto se logra también
inyectando un combustible 100% líquido desde la válvula principal de
inyección de combustible para cambiar de un funcionamiento diesel a
un funcionamiento a gas.
No obstante, cuando se encienda una mezcla pobre
usando un motor de gas convencional, tipo cámara de precombustión
equipada con una bujía, a menos que se genere una energía potente de
encendido, entonces ocurre una fluctuación de la combustión con un
fallo de encendido del motor. Además, cuando se compara este proceso
con el realizado por el motor de diesel con un diámetro interior
del cilindro idéntico, entonces el procedimiento antes mencionado
es ventajoso desde el punto de vista de que genera una contaminación
baja con una concentración de NOx (óxido de nitrógeno) de
aproximadamente una décima parte del último; no obstante, el
procedimiento antes mencionado tiene también una desventaja desde
el punto de vista de que exhibe un bajo rendimiento térmico del
motor.
Con respecto al perfeccionamiento de la
fluctuación de la combustión, a fin de asegurar una combustión
fiable comprendida dentro de la cámara de precombustión, numerosas
investigaciones nos han llevado a unas medidas apropiadas para
optimizar la posición de la bujía dentro de la cámara de
precombustión, así como para crear una distribución uniforme de la
mezcla de aire y combustible dentro de la cámara de precombustión
antes mencionada.
No obstante, debido a que nada de lo anterior
hace que la energía de encendido se incremente, existen unos
límites con respecto al perfeccionamiento del rendimiento térmico
del motor y de la fluctuación de la combustión.
Por otra parte, en el caso de una operación en
una modalidad a gas de unos motores de doble combustible,
convencionales, existen las desventajas de que la proporción de la
descarga de los gases de la concentración de NOx, de la carbonilla
y del polvo aumentan, a medida que se incrementa el combustible
piloto para mejorar el rendimiento térmico del motor y eliminar la
fluctuación de la combustión, de tal manera que las ventajas
proporcionadas por las bajas propiedades de contaminación (CO_{2}
bajo) del motor de gas no pueden ser aprovechadas. Mientras tanto,
en el caso de una reducción de la cantidad del combustible piloto, a
la velocidad de rotación del motor (aproximadamente entre 150 y 200
rpm) en el momento de arrancar el motor, no es posible elevar
suficientemente la presión de eyección de la bomba de combustible
y dicha presión es incapaz de sobrepasar la presión de apertura de
la válvula de inyección, de tal manera que no sea posible la
inyección de combustible. Consecuentemente, se requiere otro tipo
de mecanismo para arrancar el motor de gas el cual usa el
combustible piloto como la fuente de encendido.
La patente US 5.222.993, revela un motor de gas
de combustión pobre que tiene una cámara de precombustión equipada
con una bujía y con una válvula de inyección de combustible
piloto.
Los documentos DE 40 42 325 A1 y DE 196 21 297
C1, revelan unos motores de gas de combustión pobre, adicionales,
que tienen unas cámaras de precombustión equipadas con una válvula
de inyección de combustible piloto.
De igual manera, la invención proporciona un
motor de gas de combustión pobre descrito en la reivindicación 1,
adjunta.
De acuerdo con la presente invención es posible
arrancar dicho motor de gas de combustión pobre por medio de un
encendido a chispa desde una bujía. Alternativamente, de acuerdo con
el motor de gas de combustión pobre de la presente invención, la
combustión de la mezcla de aire y combustible comprendida dentro de
la cámara principal de combustión puede realizarse usando una
cámara de precombustión equipada con una bujía y una cámara de
precombustión equipada con una válvula piloto de inyección de
combustible, como fuentes de encendido por medio de operar dicha
cámara de precombustión equipada con una bujía y dicha cámara de
precombustión equipada con una válvula piloto de inyección de
combustible, aproximadamente al mismo tiempo, ligeramente antes o
ligeramente después entre sí durante el mismo ciclo de
combustión.
Además, la bujía antes mencionada puede estar
colocada dentro de una cámara de precombustión equipada con una
bujía proporcionada en dicha culata del cilindro.
Además, en el motor de gas de combustión pobre
de acuerdo con la presente invención, se puede usar una bomba
extremadamente compacta en comparación con las bombas usadas en los
motores diesel convencionales, como una bomba de inyección de
combustible, la cual se conecta a dicha válvula piloto de inyección
de combustible de dicha cámara de precombustión equipada con una
válvula piloto de inyección de combustible, dado que la cantidad de
aceite piloto es extremadamente pequeña. Por lo tanto, se puede
instalar la bomba de inyección de combustible en una puerta de
dicha cámara de la leva del cárter del cigüeñal sin tener que
rediseñarla a gran escala.
La Figura 1 es un diagrama que muestra una vista
lateral en sección transversal de los componentes esenciales de un
motor de gas de acuerdo con la realización de la presente
invención.
La Figura 2 es un diagrama de una vista
en planta que muestra el estado de instalación de una bomba de
inyección de combustible en el motor de gas, de acuerdo con una
primera realización de la presente invención.
La Figura 3 muestra una vista tomada a lo largo
de la flecha III-III de la Figura 2.
La Figura 4 es un diagrama característico para
explicar el funcionamiento del motor de gas de acuerdo con la
presente invención.
La Figura 5A es un diagrama característico para
explicar el funcionamiento del motor de acuerdo con la presente
invención y compara la tasa de liberación de calor de un modelo de
cámara de combustión y de un modelo de cámara de precombustión,
únicos.
La Figura 5B es un diagrama de una vista en
planta que muestra la disposición de la bujía en el motor usado en
la Figura 5A.
La Figura 6 es un diagrama que muestra un
ejemplo de un sistema de regulación de la presión del gas
combustible en el motor de la presente invención.
La Figura 7 es un diagrama que muestra un
ejemplo de la detención del motor en el momento de arranque del
motor.
La Figura 8 es un diagrama que muestra una vista
lateral en sección transversal de los componentes esenciales de un
motor de gas de acuerdo con una segunda realización de la presente
invención.
La Figura 9 es un diagrama que muestra un
ejemplo de un sistema de regulación de la presión del gas
combustible en el motor de la presente invención.
La Figura 10 es un diagrama de bloque que
muestra el sistema de regulación operacional en el motor de la
presente invención.
La Figura 11 es un diagrama que muestra las
condiciones de la presión del gas combustible para arrancar el
motor.
La Figura 12A es un diagrama que muestra un
ejemplo del estado en el cual el motor es puesto en funcionamiento
de acuerdo con el motor de la presente invención.
La Figura 12B es un diagrama que muestra otro
ejemplo del estado en el cual el motor es puesto en funcionamiento
de acuerdo con el motor de la presente invención.
La Figura 13 es un diagrama que muestra la
temperatura del escape de la descarga del cilindro durante la
operación de carga de acuerdo con el motor de la presente
invención.
La Figura 14 es un diagrama que compara la tasa
de liberación de calor durante la operación de carga.
A continuación, se describirán detalladamente
las realizaciones de la presente invención haciendo referencia a
las figuras.
Primera
Realización
La Figura 1 es una vista lateral en sección
transversal que muestra la parte de la culata del cilindro de un
motor de gas de acuerdo con una primera realización de la presente
invención. En la Figura, están proporcionados un cilindro 2, una
camisa interior del cilindro 2a, un pistón 3, una culata del
cilindro 4 y una cámara principal de combustión 1. La cámara
principal de combustión 1 está rodeada por el pistón 3, por la
camisa interior del cilindro 2a y por la culata del cilindro 4. Una
unidad cámara de precombustión 10 equipada con una bujía está
conformada en el centro de la culata del cilindro 4 y una unidad
cámara de precombustión 30 equipada con una válvula piloto de
inyección de combustible está provista a cada lado de la misma.
La unidad cámara de precombustión 10 equipada
con una bujía (a partir de aquí conocida simplemente como "cámara
de precombustión equipada con una bujía") está construida
combinando la culata del cilindro 4 con un cuerpo de la cámara de
precombustión 14 y con un asiento de la cámara de precombustión 13.
Una gas combustible (gas piloto) es suministrada directamente a la
cámara de precombustión 12, la cual está alojada dentro del cuerpo
de la cámara de precombustión 14 a través de un puerto (abertura) de
inyección de combustible 15. La cámara principal de combustión 1 y
la cámara de precombustión 12 se comunican a través de una
pluralidad de puertos de conexión 17, los cuales están
proporcionados en el extremo inferior de la cámara de precombustión
12 como una tobera de chorro. Además, el asiento de la cámara de
precombustión 13 está equipado con una bujía 11, la cual sirve como
una fuente de encendido para la mezcla de aire y combustible
comprendida dentro de la cámara de precombustión 12. Además, a fin
de eliminar el NOx del gas de escape hasta un nivel extremadamente
bajo, el ratio del volumen (el porcentaje del volumen entero de la
cámara de combustión en el contrapunto superior durante la
compresión) de la cámara de precombustión 12 deberá estar regulado,
aproximadamente, a un porcentaje bajo.
Con relación a la unidad cámara de precombustión
30 equipada con una válvula piloto de inyección de combustible (a
partir de aquí conocida simplemente como "cámara de precombustión
equipada con una válvula piloto de inyección de combustible", la
válvula piloto de inyección de combustible 32, la cual enciende la
mezcla de aire y combustible comprendida dentro de la cámara de
precombustión 31, mediante la inyección de un combustible piloto,
está instalada de una manera enfrentada hacia la parte interior de
la cámara de precombustión 31. Además, la cámara principal de
combustión 1 y la cámara de precombustión 31 se comunican por medio
de un solo, o de una pluralidad de puertos de conexión 33, los
cuales están proporcionados en el extremo inferior de la cámara de
precombustión.
En el caso, cuando se arranca el motor, la
unidad cámara de precombustión 10 equipada con una bujía se usa
como la fuente principal de encendido. En otros términos, un
arranque diesel no está conducido y, por lo tanto, es posible
disminuir el tamaño de la unidad cámara de precombustión 30 equipada
con una válvula piloto de inyección de combustible. Además, por
medio de limitar la cantidad de aceite piloto aproximadamente del
0,2 al 5% de la cantidad total de calor, es posible entonces
disminuir el porcentaje del volumen de la cámara de precombustión
31 aproximadamente del 1 al 3% del volumen total de la cámara de
combustión. Consecuentemente, una unidad cámara de precombustión 30
equipada con una válvula piloto de inyección de combustible puede
estar dispuesta a cada lado de la culata del cilindro 4. Este
aspecto difiere considerablemente del 20 al 30% del porcentaje del
volumen ocupado por las cámaras de precombustión de un motor diesel
tipo cámara de precombustión, convencional.
Adicionalmente, según se muestra en las Figuras
2 y 3, la bomba de inyección de combustible la cual se conecta a la
válvula piloto de inyección de combustible 32, está instalada en la
puerta de la cámara de la leva del cárter del cigüeñal. En las
Figuras 2 y 3, están proporcionados un cárter de cigüeñal 50, un
árbol de levas 51, la superficie superior del cárter del cigüeñal
52, la puerta del árbol de levas 53, la ventana de inspección de la
superficie de la leva 54 y la bomba de inyección de combustible 60,
estando la bomba de inyección de combustible 60 proporcionada en la
puerta del árbol de levas 53. De acuerdo con la presente
realización, se puede instalar una bomba de inyección de
combustible 60, extremadamente compacta, cuando se compara con las
bombas usadas en los motores diesel convencionales, dado que la
cantidad de aceite piloto es una cantidad extremadamente pequeña
aproximadamente del 0,2 al 5% con respecto a la cantidad de
inyección estimada cuando se asume la operación diesel. En este
diseño, la bomba de inyección de combustible 60 puede instalarse sin
ejecutar ninguna modificación especial del cárter del cigüeñal.
A continuación se describirá cada uno de los
distintos modos de funcionamiento que el motor de gas de combustión
pobre antes mencionado, es capaz de ejecutar.
Existen cuatro modos de funcionamiento,
posibles:
- (1)
- un motor de gas tipo cámara de precombustión de encendido a chispa;
- (2)
- un motor de gas de encendido a piloto;
- (3)
- un motor de gas de encendido doble, es decir de encendido a chispa y de encendido a piloto.
Los modos de funcionamiento antes mencionados se
pueden seleccionar opcionalmente. Existe una pluralidad de fuentes
y de procesos de encendido; además, las anteriores están provistas
en paralelo, aumentando así la fiabilidad de la fuente de
encendido.
De acuerdo con este modo de funcionamiento,
solamente se usa combustible gas (gas) como combustible y la cámara
de precombustión equipada con una bujía se emplea como la fuente de
encendido para la mezcla de aire y combustible que comprende aire y
el combustible gas comprendido dentro de la cámara principal de
combustión.
Más concretamente, desde la segunda mitad del
proceso de escape a la primera mitad del proceso de toma, se
suministra una gas piloto desde el puerto de inyección de
combustible 15 de la unidad cámara de precombustión 10 equipada con
una bujía hasta la cámara de precombustión 12. Se suministra esta
gas piloto por medio de la diferencia de la presión entre la
presión en el cabezal del gas piloto (no mostrado en la Figura) y la
presión comprendida dentro de la cámara principal de combustión 1;
se ajusta la cantidad del gas piloto por medio de cambiar la
diferencia de presión antes mencionada.
Adicionalmente, durante la carrera de toma se
suministra la mezcla pobre que comprende el gas combustible y el
aire, a la cámara principal de combustión 1. Esta mezcla pobre
comprendida dentro de la cámara principal de combustión 1 es
comprimida en la carrera de toma por medio de un pistón 3. Como
resultado de lo anterior, una porción de la mezcla pobre fluye
dentro de la cámara de precombustión 12 a través del puerto de
conexión 17. En este momento, el gas combustible comprendido dentro
de la cámara de precombustión 12 y la mezcla pobre se mezclan, de
tal manera que la proporción media de aire sobrante alcance
aproximadamente 1,0. En este punto, se genera una descarga de
chispa en el puente de encendido entre las bujías 11 y la mezcla de
aire y combustible comprendida dentro de la cámara de precombustión
12 se enciende entonces a chispa. La llama encendida en la cámara
de precombustión 12 se propaga entonces hacia la cámara principal de
combustión 1 a través del puerto de conexión 17, formando así la
fuente de encendido para la mezcla de aire y combustible en la
cámara principal de combustión 1. Como resultado de lo anterior, se
enciende toda la mezcla de aire y combustible comprendida dentro de
la cámara de combustión 1.
De acuerdo con este modo de funcionamiento, se
usa el gas como combustible principal y, como combustible auxiliar,
se usa una pequeña cantidad de un combustible líquido como
combustible piloto. Durante la carrera de toma, se suministra la
mezcla pobre que comprende el gas combustible y el aire, a la cámara
principal de combustión 1. Esta mezcla pobre comprendida dentro de
la cámara principal de combustión 1 se comprime en el proceso de
compresión por medio del pistón 3. Como resultado de lo anterior,
una porción de la mezcla pobre fluye dentro de la cámara de
precombustión 31 a través del puerto de conexión 33. En este punto,
inmediatamente antes del contrapunto superior en donde el ángulo
del cigüeñal se transforma aproximadamente de 10 a 30º, se inyecta
una pequeña cantidad de aceite combustible (aceite piloto) dentro de
la cámara de precombustión 31 desde la válvula piloto de inyección
de combustible 32. Cuando esto ocurre, se enciende el combustible
inyectado y sirve entonces como la fuente de encendido para la
combustión-encendido de la mezcla de aire y
combustible. La llama de la combustión en la cámara de
precombustión 31 se propaga entonces a la cámara principal de
combustión 1 a través del puerto de conexión 33, formando así la
fuente de encendido para la mezcla de aire y combustible
comprendida en la cámara principal de combustión 1. De esta manera,
se enciende toda la mezcla de aire y combustible comprendida dentro
de la cámara principal de combustión 1.
En la Figura 4, usando el motor antes
mencionado, los resultados (las relaciones entre el rendimiento
térmico del freno y el NOx y el índice de humos) de la conducción
de los experimentos de ejecución al mismo tiempo que se cambia la
cantidad de aceite combustible piloto y se muestran y comparan
usando cada tipo de modelo de combustible (motor de combustible
doble, motor diesel, motor de gas de encendido a chispa tipo cámara
de precombustión). Según se observa en la Figura 4, de acuerdo con
el motor antes mencionado de la presente invención, incluso en el
caso de una inyección de combustible piloto, se alcanzan las
propiedades del gas de escape (es decir, el NOx y el índice de
humos) a un nivel aproximadamente equivalente al de los motores de
gas encendidos a chispa, junto con un rendimiento térmico el cual
es mayor que el del encendido a chispa y del mismo nivel que el del
motor diesel.
Además, en el caso de inyección de combustible
piloto, una gas piloto para la unidad cámara de precombustión 10
equipada con una bujía se hace innecesaria. Además, dado que la
cantidad de aceite piloto puede estar limitada aproximadamente
del 0,2 al 5% de la cantidad total de calor, no existen
efectos contrarios impartidos al control incluso cuando se ejecute
una inyección continua. Consecuentemente, es posible fijar el
soporte de la bomba de inyección de combustible, proporcionando así
una unión compleja de mecanismos innecesarios.
Por último, el control (control de la velocidad)
durante el funcionamiento del motor, es conducido ajustando la
cantidad de gas combustible por medio del controlador del motor.
De acuerdo con este modo de funcionamiento, en
el mismo ciclo de combustión, se enciende a mezcla de aire y
combustible con la cámara principal de combustión 1 por medio de
operar una unidad cámara de precombustión 10 equipada con una bujía
central y las unidades cámaras de precombustión 30 equipadas con
una válvula piloto de inyección de combustible, situadas a cada
lado de la misma, como las fuentes de encendido durante
aproximadamente el mismo tiempo o alternativamente antes o después,
entre sí. De esta manera, es posible favorecer la combustión de la
mezcla de aire y combustible usando un encendido de varios puntos.
Además, por medio de ajustar óptimamente (1) el período de
encendido a chispa de estas fuentes de encendido, (2) el período de
la inyección de combustible piloto y (3) la proporción de
inyección, es posible mejorar la combustibilidad de la mezcla de
aire y combustible y mejorar también el rendimiento térmico
secundario para acortar el período de combustión.
Se complementan también los efectos de acortar
el período de combustión por medio de un encendido de varios puntos
en el caso de operar en el modo de un motor de gas de encendido
híbrido.
La Figura 5A es un diagrama que muestra los
resultados de los experimentos obtenidos cuando se compara la
proporción de liberación de calor desde un procedimiento de cámara
de combustión única (procedimiento que comprende solamente una
cámara principal de combustión sin una cámara de precombustión) y un
procedimiento de cámara de precombustión (es decir, como en el caso
del ejemplo actual). En la Figura 5A, se muestra el procedimiento
de cámara de precombustión PCC y el procedimiento de cámara de
combustión única OC. En el caso de un OC, se hace una comparación
adicional comparando el caso de una bujía (OC (1 bujía)) y dos
bujías (OC (2 bujías)). En el momento del experimento, la primera y
segunda bujías A, B se colocaron en el centro y en el lado,
respectivamente, según se muestra en la Figura 5B. En el caso de una
sola bujía, se usó solamente la bujía central A, mientras que en el
caso de dos bujías, se emplearon ambas bujías A y B.
Los modelos de la proporción de liberación de
calor mostrados en la Figura 5A, indican que el encendido de varios
puntos (es decir, en el caso de 2 bujías) así como la energía
generada a partir de un encendido fuerte (es decir, en el caso de
usar una cámara de precombustión PCC como la fuente de
encendido)son eficaces para alcanzar una rápida combustión.
Por otra parte, cuando se emplean dos bujías (representadas por las
líneas de rayas largas y cortas alternativas mostradas en la
Figura), después del contrapunto superior, entonces se completa la
liberación del calor en el momento en que el ángulo del cigüeñal se
acerca a 40º, lo cual representa un período de combustión más corto
cuando se compara con el obtenido con una sola bujía (representada
por la línea de rayas en la Figura). Además, de acuerdo con un
procedimiento de cámara de precombustión (representado por la línea
continua en la Figura) que posee incluso una mayor energía de
encendido, después del contrapunto superior, se completa la
liberación de calor en el momento en que el ángulo del cigüeñal se
acerca a 30º, lo cual representa un período de combustión incluso
más corto. Consecuentemente, según se observa a partir de la
presente realización, es posible alcanzar una combustión rápida por
medio de disponer unas fuentes de encendido múltiples (por ejemplo,
disponer tres cámaras de precombustión) que posean una mayor energía
de encendido. Además, un período de combustión más corto contribuye
a mejorar el rendimiento térmico y, de esta manera, se mejora
también el rendimiento térmico.
Incidentalmente, cuando se comparan las energías
de encendido, en el caso de utilizar solamente bujías, se generan
aproximadamente 0,1 J (julios); sin embargo, en el caso de la
inyección piloto, cuando la proporción del aceite en el combustible
piloto es del 1% de la proporción total del calor, entonces la
energía generada es de aproximadamente 600 J. Esto indica que el
encendido de varios puntos producido por la cámara de precombustión
10 equipada con una bujía y las cámaras de precombustión 30
equipadas con una válvula piloto de inyección de combustible
contribuyen enormemente a mejorar la combustión.
Actualmente, después de arrancar el motor usando
el encendido mediante bujía, es deseable usar conjuntamente el
encendido mediante bujía y el encendido de inyección piloto durante
la carga. De igual manera, es posible mantener el NOx bajo, sacar
partido de la baja contaminación del motor de gas y alcanzar un
rendimiento térmico del motor elevado. Sin embargo, no existen
problemas con el funcionamiento, incluso cuando se para el encendido
a chispa durante la carga.
Además, en la presente realización, se describe
una disposición en la cual la unidad cámara de precombustión 10
equipada con una bujía está colocada en el centro, con las unidades
cámaras de precombustión 30 equipadas con una válvula piloto de
inyección de combustible dispuestas a cada lado de la misma. No
obstante, es posible colocar también la unidad de cámara de
precombustión 30 equipada con una válvula piloto de inyección de
combustible en el centro y disponer unas unidades cámaras de
precombustión 10 equipadas con una bujía a cada lado de la
misma.
No obstante, en el motor de acuerdo con la
realización antes mencionada, existen unos casos en los cuales
puede ocurrir un fallo en el encendido. Esto es debido al hecho de
que el núcleo de la llama, conformada por medio de las chispas que
sobrevuelan el espacio comprendido entre las bujías 11, se puede
extinguir dado que la mezcla pobre que penetra dentro de la cámara
de precombustión 12 desde la cámara principal de combustión 1,
golpea directamente las bujías 11 a una velocidad de aproximadamente
100 m/s durante la carrera de compresión. A fin de resolver este
problema, la concentración de la mezcla de aire y combustible en la
proximidad de las bujías 11 deberá estar regulada estrechamente. No
obstante, la no uniformidad de la concentración de la mezcla de
aire y combustible secundaria a la penetración de la mezcla pobre
dentro de la cámara de precombustión 12 desde la cámara principal
de combustión 1 no se puede evitar y, por lo tanto, permanecen aun
las dificultades experimentadas con el encendido, como
anteriormente.
La Figura 6 muestra un ejemplo de un mecanismo
de control para regular la cantidad de gas combustible. De acuerdo
con esta estructura, una tubería principal 42 de gas combustible
equipada con dos válvulas reguladoras de la presión del gas 40, 41
se comunica con la cámara principal de combustión 1 a través de una
válvula de compensación 43; la tubería principal 70 del gas piloto,
regulada a través de los reguladores de presión 45, 46 y 47 y las
válvulas de retención 48 y 49 se comunican con la cámara de
precombustión 12 a través de una válvula de retención 71. Además,
se suministra aire dentro de la cámara principal de combustión 1
desde el colector de aire de carga 44. Se carga una presión de aire
de carga en el colector de aire de carga 44 a los reguladores de
presión 45, 46 y 47 para suministrar una función de control. Además,
la válvula reguladora de presión del gas 41 es controlada por medio
del controlador 72.
En el mecanismo que posee la estructura antes
mencionada, cuando la cantidad de gas combustible (es decir, la
cantidad de gas piloto) suministrada directamente a la cámara de
precombustión 12 es inapropiada, entonces el motor se puede parar
debido a un fallo de encendido lo cual puede ocurrir incluso durante
el aumento de la velocidad del motor, según se muestra en la Figura
7. Un ejemplo de la parada del motor se muestra en la Figura 7, en
la cual, aproximadamente a 500 rpm, el motor se para
subsiguientemente a un aumento de la concentración de la mezcla de
aire y combustible en la proximidad de las bujías 11,
conduciendo a un fallo de encendido desde la entrada de una
gran cantidad de gas piloto dentro de la cámara de
precombustión (es decir, \DeltaP, lo cual representa la
diferencia de presión entre la presión de la tubería
principal 70 de el gas piloto y la presión del colector de
aire de carga 44 en la estructura mostrada en la Figura 6, es
alta).
Por lo tanto, a fin de evitar esta parada del
motor por un fallo de encendido y asegurar el arranque suave del
motor, los inventores de la presente invención han propuesto el
motor descrito a continuación en la segunda realización.
Segunda
Realización
La segunda realización de acuerdo con la
presente invención se muestra en las Figuras 8 y 9. En estas
figuras, los elementos que tienen la misma estructura que aquellos
mostrados en las Figuras 1 a 6 son designados por los mismos
números y se omiten sus descripciones.
En la Figura 8, en el centro de la culata del
cilindro 4, está dispuesta una bujía 11 sobre la superficie de la
cámara principal de combustión 1 con una cámara de precombustión 31
equipada con una válvula piloto de inyección de combustible 32
dispuesta en cada uno de los lados de la misma, respectivamente.
Además, la regulación de la cantidad de gas combustible se realiza
por medio de un mecanismo simplificado mostrado en la Figura 9. En
comparación con el motor de la primera realización, el motor de la
presente realización difiere porque tiene una bujía 11 dispuesta en
el centro de la culata del cilindro 4 en ausencia de un equipo
auxiliar (por ejemplo, el asiento de la cámara de precombustión 13,
el cuerpo de la cámara de precombustión 14, el puerto de inyección
de combustible 15 y los puertos de conexión 17) y faltando un
sistema de suministro de gas piloto (reguladores de presión 45, 46
y 47; válvulas de retención 48, 49 y 71; y la tubería principal de
gas piloto 70) el cual es considerado innecesario.
Además, en la presente realización, se describe
una disposición en la cual la bujía 11 está colocada en el centro,
con las unidades cámaras de precombustión 30 equipadas con una
válvula piloto de inyección de combustible dispuestas a cada lado
de la misma. No obstante, es posible también colocar la unidad
cámara de precombustión 30 equipada con una válvula piloto de
inyección de combustible, en el centro y, disponer una bujía 11 en
el lado de la misma.
La Figura 10 muestra un mecanismo de control de
funcionamiento para controlar el motor de la presente invención. En
la Figura 10, un dispositivo de encendido a chispa el cual usa una
bujía 11 y una unidad cámara de precombustión 30 equipada con una
válvula piloto de inyección de combustible la cual utiliza aceite
piloto, se emplean conjuntamente en la fuente de encendido 100. De
acuerdo con el sistema de control 80 del gas combustible, la
cantidad de gas combustible se ajusta regulando la válvula
reguladora 83 de la presión del gas por medio del controlador de la
velocidad del motor 81 a través de un accionador 82. Además, de
acuerdo con el sistema de control 90 de la presión del colector, un
turbo cargador de escape 93 está provisto entre el sistema de
suministro de aire 91 y un sistema de escape 92. En este sistema,
la regulación de la válvula reguladora 94 de la presión del
colector, la cual está provista en el sistema de suministro de aire
91 paralelamente al turbo cargador de escape 93, es conducida por
medio de un aparato de control de la proporción de aire y
combustible 95, a través de un accionador 96.
En el caso de este motor, se arranca el motor
usando una bujía 11. Por otra parte, no existe un arranque diesel
y, por lo tanto, de la misma manera que el motor de la primera
realización, es posible proporcionar una unidad cámara de
precombustión 30 equipada con una válvula piloto de inyección de
combustible, compacta. Además, el sistema de inyección de
combustible piloto funciona desde el momento de arranque del motor.
No obstante, actualmente, el arranque de la inyección depende de la
cantidad de aceite piloto, es decir, la válvula establecida del
soporte de la bomba de inyección de combustible y, por ejemplo,
puede comenzar desde el punto en que la velocidad del motor alcanza
900 a 1000 rpm, en el caso en que el porcentaje de aceite piloto
comprenda el 1% de toda la cantidad de calor. En este caso, no hay
un impacto sobre el control incluso durante la inyección continua
dado que la proporción de aceite piloto comprende aproximadamente
0,2 al 5% de la cantidad total de calor. Consecuentemente, debido a
la cantidad de inyección, es posible fijar el soporte de la bomba de
inyección de combustible antes mencionada, sin tener que usar unos
mecanismos de unión complejos.
De acuerdo con el motor que posee la estructura
antes mencionada, en el momento del arranque del motor, se enciende
entonces la mezcla de aire y combustible que comprende el
combustible de gas y el aire suministrados dentro de la cámara
principal de combustión 1 sin un fallo de encendido usando un
encendido a chispa de la bujía 11. Como resultado de lo anterior,
el motor se arranca suavemente sin que se cale el motor durante el
arranque. En este momento, el sistema de inyección de combustible
piloto está en funcionamiento, no obstante, dado que el motor no ha
alcanzado aun una velocidad de motor predeterminada, no se encenderá
ni funcionará como una fuente de encendido.
Subsiguientemente, cuando el motor alcance una
velocidad de motor predeterminada fijada con respecto a una
cantidad de aceite piloto establecida (es decir, de acuerdo con el
soporte de la bomba de inyección de combustible), comienza entonces
el encendido por medio de la inyección de combustible piloto de
acuerdo con el mismo proceso que en el modo de funcionamiento de
inyección piloto (2) de la primera realización. Por lo tanto, se
produce el encendido basado en la inyección de combustible piloto
sin un fallo de encendido y una vez que la operación antes
mencionada sea capaz de servir como la fuente de encendido, entonces
la descarga de chispas puede detenerse sin ninguna consecuencia.
Adicionalmente, la continuación de la descarga de chispas antes
mencionada da como resultado la promoción de la combustión por
medio de un encendido de varios puntos como en el caso de la primera
realización.
La Figura 11 es un diagrama obtenido por medio
de la evaluación apropiada de la presión del gas combustible en el
momento del arranque del motor de acuerdo con la presente
realización. Según se muestra claramente en la Figura 11, en
contraposición a una presión adecuada de gas combustible de 0,05 a
0,15 kgf/cm^{2} en el momento del arranque del motor en el modelo
de cámara de precombustión, el nivel adecuado de la presión de gas
combustible de acuerdo con la fórmula de la presente invención
exhibe un mayor nivel y una gama más amplia que 0,1 a 0,3
kgf/cm^{2}. Consecuentemente, de acuerdo con la presente invención
cuando se compara con el modelo de cámara de precombustión, es
posible entonces controlar el arranque del motor usando un simple
aparato, dado que un control estricto, usando un dispositivo de
control de la presión, es innecesario. Además, dado que la
concentración de la mezcla de aire y combustible comprendida dentro
de la cámara principal de combustión 1 es aproximadamente uniforme
debido al efecto de turbulencia del flujo de la cámara de combustión
entera que se produce durante la carrera de compresión de toma,
entonces el encendido usando una bujía 11 se vuelve mucho más
fácil.
Las Figuras 12A y 12B muestran unos ejemplos de
la investigación de las características del arranque del motor
usando un solo motor de cilindro con un diámetro interior del
cilindro de 260 mm. Según se observa en las Figuras, es posible
arrancar el motor incluso cuando la presión del gas comprendida
dentro de la tubería principal 42 de gas combustible se eleve
rápidamente hasta 0,48 kgf/cm^{2} en el momento de la operación de
arranque del motor (véase la Figura 12B); de igual manera, es
posible arrancar el motor incluso cuando el suministro de gas
combustible se retrase con una presión de gas baja de 0,01
kgf/cm^{2} (véase la Figura 12A). Estos resultados significan que
durante el estado de transición del ajuste de la presión del gas
combustible, incluso cuando el estado antes mencionado difiere
ligeramente de la proporción adecuada mostrada en la Figura 11, es
posible arrancar el motor, de tal manera que los ajustes de última
hora de la presión del gas combustible tales como aquellos que se
requieren para arrancar el modelo de cámara de precombustión, son
innecesarios.
Un ejemplo de la mejora de la combustibilidad
usando un encendido de varios puntos por medio de continuar el
encendido a chispa desde la bujía 11 después de la operación de
carga, se muestra en la Figura 13. La Figura 13 muestra el cambio
de la temperatura de escape en la salida del cilindro con una carga
baja de aproximadamente el 25% de la capacidad de carga de
funcionamiento (BMEP 3,75 kgf/cm^{2}), en los casos respectivos de
continuar y parar el encendido a chispa. En el caso de la Figura
13, la temperatura de escape cae aproximadamente unos 15ºC debido
al encendido a chispa. Esto es el resultado de reducir la carga
térmica de la válvula de escape, lo cual a su vez aumenta la
durabilidad de la válvula. Las razones de la caída de la temperatura
de escape antes mencionada se describirán más detalladamente a
continuación. Según se muestra en la Figura 14, cuando se compare
la proporción de liberación del calor en cada ángulo del cigüeñal,
existe una caída en el factor de generación de calor sobre 30 a 50º
después del contrapunto superior (carrera de expansión) cuando
continúa el encendido a chispa. Como resultado de lo anterior, la
respuesta a esta caída de la temperatura desde la expansión antes
mencionada, la proporción de la caída de la temperatura de escape
aumenta por la cantidad de generación de calor perdida, resultando
así una reducción en la temperatura de escape en la salida del
cilindro.
Claims (6)
1. Un motor de gas de combustión pobre el cual
recibe una salida motriz por medio de suministrar y la combustión
de combustible de gas en una cámara principal de combustión (1),
comprendiendo dicho motor:
-
una cámara principal de combustión (1) la cual está rodeada por un
pistón (3), un cilindro (2) y por una culata del cilindro (4);
- y
un par de cámaras de precombustión (30), cada una de ellas equipada
con una válvula piloto de inyección (32) de combustible, respectiva,
caracterizado porque una bujía (11) está colocada en el
centro de dicha culata del cilindro (4) y porque cada una de dichas
cámaras de precombustión (30) está colocada en un lado respectivo
de dicha culata del cilindro (4).
2. Un motor de gas de combustión pobre el
cual recibe una salida motriz por medio de suministrar y la
combustión de un combustible de gas en una cámara principal de
combustión (1), comprendiendo dicho motor una cámara principal de
combustión (1) la cual está rodeada por un pistón (3), un cilindro
(2) y por una culata del cilindro (4); y una cámara de
precombustión (30) en la cual está provista una válvula piloto de
inyección (32) de combustible; caracterizado porque dicho
motor comprende adicionalmente un par de bujías (11), en el que
dicha cámara de precombustión (30) está colocada en el centro de
dicha culata del cilindro (4) y porque cada una de dichas bujías
(11) está colocada en un lado respectivo de dicha culata del
cilindro (4).
3. Un motor de gas de combustión pobre de
acuerdo con la Reivindicación 1 ó 2, en el que dicha bujía (11)
está colocada dentro de una cámara de precombustión (10) equipada
con una bujía, proporcionada en dicha culata del cilindro (4).
4. Un motor de gas de combustión pobre de
acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 3, que comprende
adicionalmente una bomba de inyección de combustible (60) la cual se
conecta a dicha válvula piloto de inyección (32) de combustible, en
el que dicha bomba de inyección de combustible está instalada en una
puerta de una cámara de la leva del cárter del cigüeñal.
5. Un motor de gas de combustión pobre de
acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 4, en el que
dicho motor arranca por medio del encendido a chispa desde dicha
bujía (11).
6. Un motor de gas de combustión pobre de
acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 5, en el que la
combustión de dicha mezcla de aire y combustible comprendida dentro
de dicha cámara principal de combustión (1) se realiza usando dicha
bujía (11) y dicha cámara de precombustión (30) como fuentes de
encendido por medio de operar dicha bujía (11) y dicha válvula
piloto de inyección de combustible (32) a la misma vez,
aproximadamente, ligeramente antes o ligeramente después una después
de la otra, durante el mismo ciclo de combustión.
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