Sistema de inducción de combustible y aire súper enfriado para motores de combustión interna.

Un sistema de inyección de combustible suplementario para motores de combustión interna que comprende:

un suministro de combustible primario;

un dispositivo que suministra dicho combustible primario a un motor de combustión interna (18);

un compresor de aire (14) que suministra aire a dicho motor de combustión interna (18);

un monitor de presión (36) en un lado de la salida de aire de dicho compresor de aire (14), dicho monitor de presión (36) que monitorea la presión del aire que sale de dicho compresor de aire (14);

un sensor de temperatura (38) en un escape de dicho motor de combustión interna (18), dicho sensor de temperatura (38) que mide la temperatura de dicho escape de dicho motor de combustión interna (18);

un dispositivo que suministra combustible suplementario (100) a dicho aire antes que dicho aire entre a dicho motor de combustión interna (18); y

un dispositivo de control (32) que controla el dispositivo que suministra combustible suplementario (100), dicho dispositivo de control (32) que incluye un microprocesador programable (50) conectado a dicho dispositivo que suministra combustible suplementario (100) para variar la cantidad de combustible suplementario según sea necesario, en base personalizada y preprogramada para dicho motor de combustión interna (18),

caracterizado porque dicho dispositivo que suministra combustible suplementario (100) a dicho aire incluye un intercambiador de calor (104), dicho intercambiador de calor (104) que tiene una primera entrada (110) que suministra combustible suplementario en forma de líquido a dicho intercambiador de calor (104), una primera salida (118) que elimina combustible suplementario en una forma gaseosa de dicho intercambiador de calor (104), una segunda entrada (114) que suministra dicho aire a dicho intercambiador de calor (104) y una segunda salida (115) que elimina dicho aire de dicho intercambiador de calor (104) a una temperatura más baja que la temperatura de dicho aire que entra a dicho intercambiador de calor (104), dicho aire que sale de dicho intercambiador de calor (104) entrando a dicho motor de combustión interna (18).

Sistema de inducción de combustible y aire súper enfriado para motores de combustión interna Campo de la invención La presente invención generalmente se refiere a motores de combustión interna, y más en particular, a un aparato y método de súper enfriamiento de la carga de aire de un motor de combustión interna.

Información de antecedentes Por más de un siglo, los motores de combustión interna se han considerado como una fuente principal de energía en una variedad de aplicaciones. De esos motores, los más ampliamente usados son los motores de pistón alternativo los cuales se encuentran en automóviles u otras formas de transportación, así como también en una variedad de aplicaciones industriales y de consumo. Tales motores se pueden construir en una variedad de tamaños, tipos y configuraciones dependiendo de los requerimientos de energía de una aplicación en particular.

De esas variaciones, los motores de diesel tienen un número de ventajas importantes sobre los motores de gasolina. Estos proporcionan fiabilidad, larga duración, y buen ahorro de combustible, y se espera que sigan siendo las plantas de energía de transporte de gran rendimiento dominantes por varios años. Los motores de diesel típicamente inyectan combustible diesel dentro de la cámara de combustión del motor cuando el pistón de esa cámara está cerca del final de la carrera de compresión. La presión alta presente en la cámara enciende el combustible diesel. Debido a la naturaleza no controlada de la mezcla de diesel y aire durante la combustión, una fracción grande del combustible sale en una relación de equivalencia muy rica en combustible. Es decir, el combustible y el aire en la cámara de combustión no son necesariamente una mezcla homogénea. Esto típicamente resulta en la combustión incompleta del combustible diesel, lo cual tiende a resultar en altas emisiones de partículas. Además, la relación de equivalencia rica en combustible puede conducir además a altas temperaturas de la llama en el proceso de combustión, lo cual resulta en emisiones de NOx aumentadas. Como las normas ambientales más estrictas se establecen para las fuentes de diesel, los usuarios de los motores de diesel buscan formas para disminuir las emisiones.

Una solución es reducir la cantidad de diesel inyectado dentro de la cámara de combustión, lo cual reduce la relación de equivalencia y trabaja para reducir las partículas y las emisiones de NOx. Sin embargo, ello reduce además la energía del motor.

Otra solución es convertir parcial o completamente el motor para usar con combustibles alternativos tales como, gas natural comprimido (CNG) , combustibles naturales líquidos (LNF) tales como el etanol, y gas de petróleo licuado o líquido (LPG) tal como el propano. La utilización de tales combustibles alternativos con los motores de diesel no solamente proporciona una combustión más completa y de esta manera un mayor ahorro de combustible, sino además típicamente resulta en emisiones del motor inferiores. Sin embargo, los combustibles alternativos, y más en particular los combustibles gaseosos, típicamente no tienen el valor de cetano requerido para permitir su encendido a través de la compresión. En consecuencia, los motores de diesel se deben modificar para usar tales combustibles. Los métodos para convertir un motor de diesel para consumir los combustibles alternativos típicamente caen dentro de tres categorías. El primero es convertir el motor a un motor encendido por chispa; un segundo es convertir el motor para permitir la inyección directa de combustibles gaseosos dentro de la cámara de combustión; y un tercero es la "nebulización" o "fumigación" del combustible gaseoso con toda o una porción de la carga de aire de admisión que entra al motor. Como se apreciará, los métodos segundo y tercero utilizan diesel inyectado (es decir, diesel piloto) para encender el combustible gaseoso. Con respecto a esto, la combustión del combustible gaseoso resulta en una combustión más completa del diesel. Además, la combinación de combustible gaseoso y diesel permite al motor producir energía adicional mientras se inyecta menos combustible diesel dentro de los cilindros.

Sin embargo, la conversión a un sistema encendido por chispa y/o a un sistema de inyección de combustible gaseoso directo para utilizar combustibles gaseosos con un motor de diesel cada una requiere típicamente una modificación sustancial del motor de diesel. Tal modificación puede incluir el reemplazo de las culatas de los cilindros, los pistones, el sistema de inyección de combustible y/o la duplicación de varios componentes del motor (por ejemplo, los sistemas de inyección) . En consecuencia, estos sistemas son típicamente costosos y frecuentemente poco fiables.

Por otro lado, el tipo de nebulización o fumigación de sistemas de combustible doble requiere poca modificación a los motores existentes. La mezcla de combustible gaseoso con la carga de aire de admisión se introduce dentro de cada cilindro del motor durante la carrera de admisión. Durante la carrera de compresión del pistón, la presión y la temperatura de la mezcla se aumentan de manera convencional. Cerca del final de la carrera de compresión, una pequeña cantidad de combustible diesel piloto del sistema de inyección de combustible diesel existente del motor se inyecta dentro del cilindro. El diesel piloto se enciende debido a la compresión y a su vez enciende la mezcla de combustible gaseoso y aire de admisión mejorando la quema de la mezcla. Como se apreciará, tales sistemas de fumigación se pueden mejorar sobre los motores de diesel existentes con poca o ninguna modificación del motor existente. Además, los motores que usan tales sistemas de fumigación se pueden operar típicamente en un modo de combustible doble o en un modo estrictamente de diesel (por ejemplo, cuando el combustible gaseoso no está disponible) . Ver por ejemplo, la patente de los Estados Unidos No. 7, 100, 582, del presente inventor, titulada Aparato y sistema de control de inyección de propano para vehículos.

Otro defecto de los motores de diesel que resulta en ineficiencia y aumento de las emisiones se refiere a la sobrealimentación, donde un compresor de aire de admisión se acciona mecánicamente o con gases de escape del motor que se expanden a través de un extensor giratorio de alta velocidad para accionar un compresor centrífugo giratorio para comprimir la carga de aire entrante a los cilindros de combustión, por ejemplo turbocompresión. La sobrealimentación o turbocompresión del aire de admisión aumenta la temperatura de la carga de aire entrante. Este aire caliente afecta negativamente el rendimiento del motor disminuyendo la densidad de la carga de aire de admisión, y por lo tanto limita la masa del aire de admisión disponible para un desplazamiento del motor determinado. Adicionalmente, una carga de aire de admisión caliente aumenta la posibilidad de detonación prematura de la carga de combustible en los cilindros lo cual puede dañar los componentes del motor.

Actualmente, se conoce en la técnica aumentar el rendimiento de motores de combustión interna sobrealimentados o turbocomprimidos enfriando el aire de admisión comprimido ya sea después del sobrealimentador o turbocompresor o incluso entre las etapas del sobrealimentador o turbocompresor. Este enfriamiento se logra más a menudo por intercambio de calor con cualquier medio de enfriamiento reciclado tal como agua que entonces intercambia calor con un medio de enfriamiento externo tal como aire en el caso de plantas de energía estacionarias con base en tierra o agua de mar en el caso de plantas de energía típicas de barcos o plantas de energía con suministros de agua de enfriamiento adecuados, por ejemplo "carga-enfriamiento". En otros ejemplos, el aire de admisión se enfría por intercambio de calor con el aire circundante usando un radiador tal como un intercambiador de calor de tubo y aleta, por ejemplo refrigeración intermedia o posterior. En ambos procesos, la temperatura del aire de admisión enfriado estará aún por encima de la temperatura de los medios de enfriamiento ambiente a menos que se emplee energía adicional y equipamiento de refrigeración. En el caso de un camión, autobús, locomotora de ferrocarril o motor estacionario que usa enfriamiento por aire ambiente, este aire de admisión enfriado será generalmente de 10F° a 20F° (aproximadamente 5C° a 10C°) mayor que la temperatura del aire ambiente. En condiciones de verano, esto puede resultar en una temperatura del aire de admisión, incluso después del enfriamiento, de 100F° a 120F° (38C° a 49C°) o mayor. En otros ejemplos, los sistemas de refrigeración mecánica se han utilizado para lograr el enfriamiento controlado del aire de admisión a temperaturas... [Seguir leyendo]

1. Un sistema de inyección de combustible suplementario para motores de combustión interna que comprende:

un suministro de combustible primario; un dispositivo que suministra dicho combustible primario a un motor de combustión interna (18) ; un compresor de aire (14) que suministra aire a dicho motor de combustión interna (18) ; un monitor de presión (36) en un lado de la salida de aire de dicho compresor de aire (14) , dicho monitor de presión (36) que monitorea la presión del aire que sale de dicho compresor de aire (14) ; un sensor de temperatura (38) en un escape de dicho motor de combustión interna (18) , dicho sensor de temperatura (38) que mide la temperatura de dicho escape de dicho motor de combustión interna (18) ; un dispositivo que suministra combustible suplementario (100) a dicho aire antes que dicho aire entre a dicho motor de combustión interna (18) ; y un dispositivo de control (32) que controla el dispositivo que suministra combustible suplementario (100) , dicho dispositivo de control (32) que incluye un microprocesador programable (50) conectado a dicho dispositivo que suministra combustible suplementario (100) para variar la cantidad de combustible suplementario según sea necesario, en base personalizada y preprogramada para dicho motor de combustión interna (18) ,

caracterizado porque dicho dispositivo que suministra combustible suplementario (100) a dicho aire incluye un intercambiador de calor (104) , dicho intercambiador de calor (104) que tiene una primera entrada (110) que suministra combustible suplementario en forma de líquido a dicho intercambiador de calor (104) , una primera salida (118) que elimina combustible suplementario en una forma gaseosa de dicho intercambiador de calor (104) , una segunda entrada (114) que suministra dicho aire a dicho intercambiador de calor (104) y una segunda salida (115) que elimina dicho aire de dicho intercambiador de calor (104) a una temperatura más baja que la temperatura de dicho aire que entra a dicho intercambiador de calor (104) , dicho aire que sale de dicho intercambiador de calor (104) entrando a dicho motor de combustión interna (18) .

2. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 1 que incluye un inyector de combustible suplementario (156) posicionado aguas abajo de dicho aire que sale de dicho intercambiador de calor (104) y aguas arriba de dicho motor de combustión interna (18) .

3. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 1 en donde dicho intercambiador de calor (104) se localiza aguas arriba de dicho compresor de aire (14) .

4. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 1 en donde dicho intercambiador de calor (104) se localiza aguas abajo de dicho compresor de aire (14) .

5. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 1 que incluye un módulo posicionado dentro del alcance de un operador de un vehículo, dicho módulo que se comunica con dicho microprocesador programable (50) para variar la cantidad de dicho combustible suplementario (100) en un modo, dicho modo que consiste esencialmente en un modo de encendido/apagado, un modo de ajuste manual, un modo de calibración automática y un modo de aprendizaje continuo.

6. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 5 que incluye un indicador adyacente a dicho operador, dicho indicador que indica un problema con el funcionamiento de dicho motor de combustión interna (18) .

7. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 5 en donde dicho módulo indica varios parámetros de operación de dicho motor de combustión interna (18) .

8. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 1 en donde el sistema de inyección de combustible suplementario se proporciona en forma de un kit que comprende:

un compresor de aire (14) que suministra aire a dicho motor de combustión interna (18) ; un monitor de presión (36) en un lado de la salida de aire de dicho compresor de aire (14) , dicho monitor de presión (36) que monitorea la presión del aire que sale de dicho compresor de aire (14) ; un sensor de temperatura (38) en un escape de dicho motor de combustión interna (18) , dicho sensor de temperatura (38) que mide la temperatura de dicho escape de dicho motor de combustión interna (18) ; un dispositivo que suministra combustible suplementario (100) a dicho aire antes que dicho aire entre a dicho motor de combustión interna (18) ; y un dispositivo de control (32) que controla el dispositivo que suministra combustible suplementario (100) , dicho dispositivo de control (32) que incluye un microprocesador programable (50) conectado a dicho dispositivo que suministra combustible suplementario (100) para variar la cantidad de combustible suplementario (100) según sea necesario, en base personalizada y preprogramada para dicho motor de combustión interna (18) ,

caracterizado porque dicho dispositivo que suministra combustible suplementario (100) a dicho aire incluye un intercambiador de calor (104) , dicho intercambiador de calor (104) que tiene una primera entrada (110) que suministra combustible suplementario en forma de líquido a dicho intercambiador de calor (104) , una primera salida (118) que elimina combustible suplementario en una forma gaseosa de dicho intercambiador de calor (104) , una segunda entrada (114) que suministra dicho aire a dicho intercambiador de calor (104) y una segunda salida (115) que elimina dicho aire de dicho intercambiador de calor (104) a una temperatura más baja que la temperatura de dicho aire que entra a dicho intercambiador de calor (104) , dicho aire que sale de dicho intercambiador de calor (104) entrando a dicho motor de combustión interna (18) .

9. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 8 que incluye un inyector de combustible suplementario (156) posicionado aguas abajo de dicho aire que sale de dicho intercambiador de calor (104) y aguas arriba de dicho motor de combustión interna (18) .

10. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 8 en donde dicho intercambiador de calor (104) se localiza aguas arriba de dicho compresor de aire (14) .

11. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 8 en donde dicho intercambiador de calor (104) se localiza aguas abajo de dicho compresor de aire (14) .

12. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 8 que incluye un módulo posicionado dentro del alcance de un operador de un vehículo, dicho módulo que se comunica con dicho microprocesador programable (50) para variar la cantidad de dicho combustible suplementario (100) en un modo, dicho modo que consiste esencialmente en un modo de encendido/apagado, un modo de ajuste manual, un modo de calibración automática y un modo de aprendizaje continuo.

13. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 12 que incluye un indicador adyacente a dicho operador, dicho indicador que indica un problema con el funcionamiento de dicho motor de combustión interna (18) .

14. El sistema de inyección de combustible suplementario de la reivindicación 12 en donde dicho módulo indica varios parámetros de operación de dicho motor de combustión interna (18) .