MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA SOBREALIMENTADO POR TURBOCOMPRESOR.

Motor de combustión interna con émbolo, del tipo que presenta,

como mínimo, un cilindro dotado de una válvula de escape (3) en relación con la turbina (7) de un turbocompresor destinado a recuperar una parte de la energía residual contenida en los gases quemados, y ello por medio de una expansión suplementaria de éstos en dicha turbina del turbocompresor, con la finalidad de impulsar el compresor de este mismo turbocompresor y sobrealimentar de esta manera dicho motor de combustión interna, estando montada la turbina (7) de cada cilindro (1) que libera dichos gases quemados directamente sobre la culata (10) de dicho motor más abajo de la válvula de escape (3) y sin intermedio del colector (12) situado entre la culata (10) y la entrada de esta turbina (7), caracterizado porque, como mínimo, una válvula de escape suplementaria (4) o válvula de descarga dinámica está dispuesta en la culata (10) del cilindro (1) y configurada de manera que los gases que pasan por esta válvula de descarga dinámica son enviados directamente hacia un sistema de escape (11) sin pasar en primer lugar a través de la turbina (7) de dicho turbocompresor, y de manera que la apertura de dicha válvula de escape dinámica es controlada de manera que se abre en el curso de cada ciclo de escape realizado en dicho cilindro, como más pronto, sensiblemente después de la apertura de la válvula de escape de la turbina (3) y se cierra a lo más tardar cuando el émbolo (2) de dicho cilindro acaba de pasar por su punto muerto superior, después de haber realizado la carrera de escape

La presente invención se refiere de manera general a un motor de combustión interna de émbolos.

De manera más precisa, la invención se refiere a un motor de combustión interna de émbolos del tipo que presenta, como mínimo, un cilindro dotado de una válvula de escape relacionada con la turbina de un turbocompresor destinado a recuperar una parte de la energía residual contenida en los gases quemados y ello por medio de una expansión suplementaria de éstos en dicha turbina del turbocompresor con la finalidad de impulsar al compresor de este mismo turbocompresor y sobrealimentar de esta manera el mencionado motor de combustión interna, estando montada la turbina de cada cilindro que libera dichos gases quemados directamente sobre la culata de dicho motor, más abajo de la válvula de escape y sin intermedio de colector situado entre la culata y la entrada de esta turbina, JP 59203823 A.

Los perfeccionamientos más recientes aportados a los motores de combustión interna, se refieren especialmente a la sobrealimentación obtenida por medio de un grupo turbocompresor, que a continuación se designará igualmente “turbo”, impulsado por la energía residual disponible en los gases de escape.

La evolución del estado termodinámico de estos gases de escape que salen, después de la expansión, de un cilindro de un motor, por ejemplo, el cilindro -1-dotado de su émbolo -2-representado en la adjunta figura 1, para ser conducidos a la turbina -7-de un turbo, se puede representar por el diagrama -T-, -S-de la adjunta figura 2, que facilita la temperatura del gas T en función de su entropía S. En esta figura 2, las líneas de trazos e indexadas por Vi representan las isocoras, es decir, las líneas que unen los estados del gas con la misma densidad, mientras que las líneas finas y continuas, indicadas por Pi son las isobaras, es decir, las líneas que únen los estados del gas que se encuentran a la misma presión. De acuerdo con la termodinámica, el trabajo mecánico producido mientras el gas evoluciona de un estado 1 a un estado 2 es proporcional a la diferencia de temperatura del gas antes y después de esta evolución. La evolución del gas de escape del motor de combustión interna con turbo se describe por la sucesión de los estados 1, 2, 3 (ver figura 2) en los que el estado 1 es el del gas quemado después de la expansión en el cilindro -1-del motor y justamente antes de la apertura de la válvula de escape -3-, el estado 2 es el estado de los gases en el volumen formado por la conducción de escape -5-y el colector de escape -12-, que lleva los gases quemados hacia la entrada de la turbina -7-y el estado 3 es el de los gases quemados a la salida de la turbina, donde la presión P3 se encuentra normalmente próxima a la presión ambiente. La evolución del gas entre el estado 1 y el estado 2 puede ser representada aproximadamente por una expansión isoterma, es decir, un aumento del volumen de V1 a V2, acompañada de una disminución de la presión de P1 a P2 y de un aumento importante de la entropía a temperatura constante. Por consiguiente, no se produce trabajo útil alguno. La extracción del trabajo mecánico útil por medio de la turbina -7-será realizada por una expansión lo más isoentrópica posible de los gases quemados desde la presión P2 a la presión P3. Cuanto más importante es esta expansión, más importante será la caída de temperatura y más importante la cantidad de trabajo recuperable. Sabiendo que P3 se encuentra próxima a la presión ambiente, por lo tanto, constituye un dato, la caída de presión isoentrópica que puede ser realizada en el interior de la turbina -7-será tanto o más reducida cuando P2 tenga un valor próximo a P3. Teniendo en cuenta la característica de las isobaras y las isocoras se observa que cuanto mayor es V2 con respecto a V1, más se desplaza el punto 2 hacia la derecha sobre el diagrama -T-, -S-y en mayor medida se encontrará este punto sobre una isobara correspondiente -P2-próxima a la de -P3-. Por consiguiente, se comprueba fácilmente que los volúmenes (5 y 12) de la válvula de escape -3-y la entrada de la turbina -7-, deben ser los más reducidos posible para hacer máximo el trabajo recuperable por medio de una expansión suplementaria de los gases quemados en la turbina. En efecto, si se logra reducir la magnitud de este volumen (5 y 12) de V2 a V2', se observa de inmediato que P2' se aleja de manera progresiva de P3, lo que comporta una caída de la temperatura debido a la expansión de P2' a P3 y como resultado una caída más importante de la entalpía de los gases quemados a través de la turbina -7-. Se produce de este modo un trabajo mecánico más importante, trabajo que es recuperable y utilizable por un compresor montado sobre el mismo eje del turbo. De este modo, se puede decir que la “calidad de los gases quemados” más abajo de la válvula de escape -3-y más arriba de la turbina -7-se degrada a medida que esta caída de presión isoterma entre el estado 1 y 2 (o 2') aumenta, como resultado del aumento del volumen cuando tiene lugar el cambio de estado de 1 a 2 (o 2').

La figura 3 adjunta muestra, por otra parte, la dependencia de la presión a la salida del compresor del turbocompresor en función de los volúmenes (5 y 12) a la entrada de la turbina y de la temperatura de los gases de escape, siendo iguales los otros parámetros, tales como la presión en el cilindro en el momento de la apertura de la válvula de escape -3-. Según el gráfico representado, cuanto más importantes son estos volúmenes (5 y 12) a la entrada de la turbina, más reducida es esta presión a la salida del compresor para cualquier temperatura de los gases de escape y, como consecuencia, más reducido será el trabajo útil recogido. Por lo tanto, sigue siendo de gran interés una recuperación máxima de la energía residual de los gases de escape de un motor de combustión interna para aumentar el trabajo del compresor del turbo.

Se puede conseguir una mejora en un motor de combustión interna de émbolos optimizando, con intermedio del turbocompresor, la recuperación de la energía residual contenida en los gases de escape de este motor. A este efecto, la turbina de cada cilindro que libera dichos gases quemados, está montada directamente sobre la culata de dicho motor más abajo de la válvula de escape y sin intermedio de un colector de escape situado entre dicha culata y la entrada de la turbina.

Por lo tanto, una primera optimización de la recuperación de la energía residual de los gases de escape de un motor de combustión interna por medio de un turbo, consiste en fijar una turbina por cilindro, directamente en la culata del motor y sin intermedio de colector de escape, de manera tal que (12) en la figura 1, esté situado entre la culata y la entrada de la turbina. Si bien se puede prever para todos los motores de combustión interna, esta configuración será particularmente apropiada para los motores de dos tiempos, o incluso para el cilindro de baja presión de un motor de cinco o cuatro tiempos y medio, en el que el escape se realiza por un cilindro que funciona según un ciclo de dos tiempos, es decir, se caracteriza por un escape de gases quemados por cada vuelta del cigüeñal.

Una segunda optimización de la recuperación de la energía residual de los gases de escape de un motor de combustión interna por medio de un turbo consiste en mejorar la regulación de las cargas parciales.

De modo general, la energía residual de los gases de escape recuperable se muestra más grande que la necesaria en el compresor del turbo para efectuar la compresión de una misma cantidad de aire fresco. Con la finalidad de evitar que el turbo se “embale”, es decir, que su velocidad de rotación no resulte demasiado elevada, los motores con turbo clásicos están dotados de una válvula de descarga dispuesta entre la válvula de escape, es decir, -3-en la figura 1, y la entrada de la turbina. Cuando esta válvula está cerrada, la totalidad de los gases de escape pasan a través de la turbina. Este paso es muy útil para acelerar este proceso pero puede comportar el riesgo de que se “embale” el turbo. Desde el momento en que hay riesgo de embalamiento, la válvula de descarga se abre por un mecanismo controlado por la presión facilitada por el compresor, o bien, por un control electrónico. Se debe observar que este control es más bien estático, es decir, no sigue el ritmo de los ciclos motrices generados en el interior del motor, como, por ejemplo, en el caso de las válvulas de admisión y de escape que son controladas por levas que giran a la velocidad de realización de los ciclos motrices. Una vez que la válvula está abierta,... [Seguir leyendo]

1. Motor de combustión interna con émbolo, del tipo que presenta, como mínimo, un cilindro dotado de una válvula de escape (3) en relación con la turbina (7) de un turbocompresor destinado a recuperar una parte de la energía residual contenida en los gases quemados, y ello por medio de una expansión suplementaria de éstos en dicha turbina del turbocompresor, con la finalidad de impulsar el compresor de este mismo turbocompresor y sobrealimentar de esta manera dicho motor de combustión interna, estando montada la turbina (7) de cada cilindro

(1) que libera dichos gases quemados directamente sobre la culata (10) de dicho motor más abajo de la válvula de escape (3) y sin intermedio del colector (12) situado entre la culata (10) y la entrada de esta turbina (7), caracterizado porque, como mínimo, una válvula de escape suplementaria (4) o válvula de descarga dinámica está dispuesta en la culata (10) del cilindro (1) y configurada de manera que los gases que pasan por esta válvula de descarga dinámica son enviados directamente hacia un sistema de escape (11) sin pasar en primer lugar a través de la turbina (7) de dicho turbocompresor, y de manera que la apertura de dicha válvula de escape dinámica es controlada de manera que se abre en el curso de cada ciclo de escape realizado en dicho cilindro, como más pronto, sensiblemente después de la apertura de la válvula de escape de la turbina (3) y se cierra a lo más tardar cuando el émbolo (2) de dicho cilindro acaba de pasar por su punto muerto superior, después de haber realizado la carrera de escape.

2. Motor de combustión interna, según la reivindicación 1, caracterizado porque una válvula de estrangulamiento (8) con cierre variable y susceptible de ser controlada, está dispuesta en una turbina de escape (6) alimentada por los gases quemados que pasan por la válvula de descarga dinámica (4), estando configurada esta válvula de escape de manera que la cantidad de gases quemados que escapan por dicha conducción de escape y que no quedan a disposición de la turbina es directamente proporcional a la abertura de esta válvula de estrangulación, reduciendo de esta manera la potencia de dicha turbina.

3. Motor de combustión interna, según la reivindicación 1, caracterizado porque un control permite regular de manera variable y continua la apertura de la válvula de descarga dinámica (4), de manera que la duración y el levantamiento máximo de la apertura de esta válvula de descarga dinámica se pueden ajustar para hacer escapar una segunda parte determinada de los gases quemados, de manera que la primera parte de los gases quemados, dirigida hacia la turbina (7) a través de la válvula de escape de la turbina (3), está adaptada a la potencia necesaria de la turbina (7).

4. Motor de combustión interna, según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque un control permite regular, de manera variable, la apertura de la válvula de escape de la turbina (3), de manera que el solape de la apertura de esta válvula de escape de la turbina con la abertura de la válvula de descarga dinámica (4) está reducido al máximo.