Aparato para el funcionamiento de motores.

Un dispositivo combinado de inyección de combustible y de encendido por chispa (40) adaptado para ser recibidoen una abertura a una cámara de combustión de un motor de pistones de combustión interna para la inyección decombustible en dicha cámara,

en donde dicho dis positivo comprende un conducto de paso a través del cual puedepasar el combustible para entrar en dicha cámara, dicho conducto de paso incluye unos elementos de válvula deresorte de solenoide accionada electromagnéticamente (48) para controlar el flujo de combustible a su través y quetermina en una boquilla eléctricamente conductora (70) asociada a una válvula de resorte elástica que comprendeun elemento móvil (88) conformado para suministrar el combustible inyectado a la cámara de combustión y dichodispositivo incluye además unos puntos de chispa (82, 84), entre los cuales puede desarrollarse un plasma dechispa, para efectuar un encendido por chispa de dicho combustible sustancialmente en el lugar de su inyección endicha cámara, en donde uno de los puntos de chispa (82) comprende parte del elemento móvil (88).

Aparato para el funcionamiento de motores Esta invención se refiere al funcionamiento mejorado de motores de combustión interna y a vehículos accionados por tales motores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Hay aproximadamente un vehículo de motor por cada once personas en la Tierra. Más de 400 millones de coches y camiones funcionan en todo el mundo. Los motores de carga homogénea accionan la amplia mayoría de los vehículos de motor. En estos motores se intenta desarrollar una mezcla homogénea de aire y vapor combustible mediante la inyección de combustible o carburación en un colector de admisión para su suministro a las cámaras de combustión del motor. Los motores de carga homogénea presentan numerosos problemas entre los que cabe incluir:

1. Los hidrocarburos no quemados y las emisiones de monóxido de carbono de los motores de carga homogénea son inaceptables. Estas emisiones son causadas por un quemado incontrolado y el enfriamiento de los procesos de combustión de la carga homogénea cerca de las paredes de la cámara de combustión. Todas las ciudades principales están contaminadas por los óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono e hidrocarburos no quemados de los motores de carga homogénea.

2. Otra causa de los hidrocarburos no quemados y del monóxido de carbono de los motores de carga homogénea es el funcionamiento con unas relaciones de aire y combustible insuficientes para completar los procesos de combustión a las velocidades relativamente altas del pistón de los coches modernos.Es una práctica extendida hacer que el motor funcione a unas relaciones de aire-combustible que permitan la mejor producción de potencia a pesar del hecho de que el funcionamiento bajo unas condiciones con un exceso de aire producirán menos hidrocarburos no quemados y menos emisiones de monóxido de carbono.

3. Las emisiones de óxido de nitrógeno de los motores de carga homogénea son inaceptables. El aumento de la relación de aire- combustible como en las operaciones de “mezcla pobre" de carga homogénea aumenta la producción de óxidos de nitrógeno hasta el punto de alcanzar una relación de aire en exceso-combustible difícil de encender.

4. Se necesitan varios procesos catalíticos y un suministro de aire auxiliar para limpiar las corrientes de escape de los motores de carga homogénea. Los coches modernos que funcionan a unas relaciones de aire-combustible optimizadas para facilitar la conducción y reducir al mínimo los óxidos de nitrógeno requieren la adición de aire a la corriente de escape para la combustión catalítica de los hidrocarburos no quemados y del monóxido de carbono.

5. Se produce un gran desperdicio de energía ya que un gran porcentaje del combustible presente en una carga homogénea se quema cerca de las superficies de la cámara de combustión. El calor se pierde por la transferencia a la culata, a las válvulas, al cilindro, al pistón y a los anillos sin realizar ningún trabajo útil.

6. Los motores de carga homogénea deben tener una relación de compresión limitada a unos valores que eviten el encendido por detonación y daños en el pistón. El encendido positivo se consigue mediante bujías.

La tecnología que ha sido aceptada para mejorar el rendimiento térmico de los motores de combustión interna incluye el venerado motor diesel que se basa en la inyección directa de combustible en la cámara de combustión. Esta tecnología se caracteriza por la compresión del aire para producir unas temperaturas suficientemente altas como para evaporar, craquear químicamente y prender el combustible pulverizado en el aire comprimido. Dicha tecnología necesita de combustibles con unas características específicas capaces de facilitar un "encendido por compresión". Los combustibles adecuados para los motores de encendido por compresión tienen un alto índice de "cetano". Los motores de encendido por compresión, de inyección directa, normalmente obtienen más o menos el doble de kilómetros por unidades térmicas británicas (BTU) de combustible que los motores de carga homogénea en ciclos prácticos de trabajo dadas las ventajas de la carga estratificada de una combustión más completa y unas pérdidas de calor reducidas de los productos de la combustión en los componentes del motor.

Un problema sustancial de los motores de encendido por compresión es el peso del motor que se deriva de la necesidad de un desplazamiento dos veces mayor que en los motores encendidos por chispa con iguales índices de potencia. Durante el funcionamiento, esto se traduce en la necesidad de instalar un cigüeñal más grande, un volante más grande, un bloque del motor mayor, cojinetes más grandes, motores de arranque más grandes, baterías de mayor potencia, neumáticos más grandes, resortes más pesados, amortiguadores mayores, y una necesidad mucho mayor de recursos de aleación fundamentales tales como molibdeno, cromo, vanadio, cobre, níquel, estaño, plomo, antimonio y la cantidad de energía de fabricación para extraer, refinar, colar, tratar con calor y mecanizar motores diesel en lugar de motores encendidos por chispa. Otra dificultad, si no una serie de problemas inaceptables incluyen:

1. Los motores diesel son conocidos por lanzar grandes nubes de humo negro durante los ciclos de trabajo de parada y arranque. Las emisiones de los autobuses y de los camiones de humo negro de olor nauseabundo a combustible quemado en el tráfico de las ciudades son inaceptables a la vista de los últimos esfuerzos en prácticamente todas las ciudades del mundo de acabar con la contaminación atmosférica resultante de las emisiones de los vehículos a motor.

2. Los motores diesel son extremadamente difíciles de convertir en combustibles oxigenados (CH3OH, C2H5OH, etc.) u otros combustibles de combustión limpia (tales como gas natural e hidrógeno) dado que dichos combustibles preferentes tienen un alto octanaje y un bajo nivel de cetano. Los motores diesel necesitan un combustible piloto con un alto nivel de cetano (combustible diesel) para encender por inyector de encendido los combustibles de combustión limpia que son “fumigados” en la cámara de combustión junto con el suministro de aire durante las operaciones del ciclo de admisión.

3. La fumigación de combustibles en la cámara de combustión junto con aire durante el ciclo de admisión reduce la potencia del motor dado que el combustible fumigado utiliza parte de la capacidad aerobia y reduce el rendimiento volumétrico efectivo del motor convertido.

4. Los motores de encendido por compresión son difíciles de arrancar en clima frío. El aire frío y los componentes fríos del motor roban el calor de la compresión antes de que se alcancen las temperaturas que harán que el combustible se evapore, se craquee químicamente y se encienda. Para superar las dificultades de arranque de los motores de encendido por compresión en climas fríos, se utilizan caros subsistemas como motores de arranque por encendido por chispa, bujías de incandescencia, calefactores eléctricos del bloque del motor y dispensadores de combustible al motor de arranque. Normalmente los propietarios de los vehículos con motores de encendido por compresión optan por dejar el motor funcionando día y noche durante las estaciones frías, sean cuales sean los gastos incurridos en combustible, en lugar de sufrir el engorro de intentar arrancar un motor diesel en un clima frío.

5. Los motores de encendido por compresión funcionan mejor en un estrecho margen de par-velocidad. Esto se debe a la característica denominada retardo del encendido diesel y a la necesidad de ajustar la cantidad de combustible introducida y sincronizar la introducción del combustible respecto a la velocidad del pistón para evitar una subida innecesaria, cuando no nociva, de la presión durante el ciclo de compresión y evitar un desperdicio de energía y humo como resultado de un quemado tardío durante el ciclo de encendido.

6. Los motores de encendido por compresión necesitan el uso de combustibles con un alto nivel de cetano con relaciones másicas de carbono-hidrógeno de 7 aproximadamente.

7. Dichos combustibles y sus productos de combustión tienen grandes pérdidas de energía radiante en las paredes de la cámara de combustión durante los procesos de quemado. El rendimiento térmico se mejoraría enormemente utilizando combustibles de quemado más limpio con unas relaciones másicas de carbono-hidrógeno más bajas y unas pérdidas de energía radiante mucho menores, pero dichos combustibles no pueden encenderse por comprensión en los motores convencionales.

8. Las pérdidas por fricción son mayores en los motores diesel que tienen carreras más largas, una mayor compresión y una mayor área de contacto... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo combinado de inyección de combustible y de encendido por chispa (40) adaptado para ser recibido en una abertura a una cámara de combustión de un motor de pistones de combustión interna para la inyección de combustible en dicha cámara, en donde dicho dispositivo comprende un conducto de paso a través del cual puede pasar el combustible para entrar en dicha cámara, dicho conducto de paso incluye unos elementos de válvula de resorte de solenoide accionada electromagnéticamente (48) para controlar el flujo de combustible a su través y que termina en una boquilla eléctricamente conductora (70) asociada a una válvula de resorte elástica que comprende un elemento móvil (88) conformado para suministrar el combustible inyectado a la cámara de combustión y dicho dispositivo incluye además unos puntos de chispa (82, 84) , entre los cuales puede desarrollarse un plasma de chispa, para efectuar un encendido por chispa de dicho combustible sustancialmente en el lugar de su inyección en dicha cámara, en donde uno de los puntos de chispa (82) comprende parte del elemento móvil (88) .

2. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en la reivindicación 1, en donde los otros puntos de chispa (84) están formados sobre una faldilla de electrodo (84) del dispositivo (40) .

3. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en la reivindicación 2, en donde la faldilla de electrodo (84) forma parte de un componente roscado (86) que forma una junta de estanqueidad en la cámara de combustión.

4. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde dicha boquilla (70) y el elemento móvil asociado (88) han sido diseñados para dirigir dicho combustible hacia la corona del pistón de dicho cilindro cuando el pistón está en el punto muerto casi superior.

5. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde los puntos de chipas (82, 84) están adaptados para proporcionar chispas de encendido que se extienden prácticamente radialmente.

6. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde dicho elemento móvil (88) incluye una geometría cónica convexa o esférica que se asienta en un asiento de la válvula cónico cóncavo o esférico (90) de dicha boquilla (70) .

7. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes que además incluye unos elementos (65, 66, 69) para detectar información relativa a uno o más de entre la admisión, compresión, presión del combustible, período de flujo del combustible, encendido, combustión, expansión, escape, ubicación del pistón y temperatura.

8. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en la reivindicación 7 en donde dichos elementos (65, 66, 69) para detectar la información comprenden un transductor piezoeléctrico, de fibra óptica o capacitivo.

9. Un dispositivo (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde dicha abertura de la cámara de combustión es la abertura para la bujía de un motor de gasolina o la abertura del inyector de combustible de un motor diesel.

10. Un motor de combustión interna (100) que tiene al menos una cámara de combustión que incluye un dispositivo de inyección de combustible y de encendido por chipas (40) conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

11. Un motor conforme a lo reivindicado en la reivindicación 10 adaptado para funcionar de modo que se generen chispas de encendido durante todo el período de inyección de combustible en la cámara de combustión.

12. Un motor conforme a lo reivindicado en la reivindicación 10 o en la reivindicación 11 en donde el dispositivo de inyección de combustible y de encendido por chispa es como lo definido en la reivindicación 7 o en la reivindicación 8 y el motor incluye un controlador adaptable para ajustar el funcionamiento del motor en respuesta a la información detectada para optimizar uno o más de entre el rendimiento térmico, la producción de potencia, la suavidad del motor, el control de la temperatura de combustión y la minimización de la formación de óxidos de nitrógeno.

13. Un motor conforme a lo reivindicado en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12 en donde la admisión de aire no está estrangulada.