BR102018070490A2

BR102018070490A2 - Pistão para um motor de combustão interna, motor de combustão interna e veículo a motor compreendendo o mesmo

Info

Publication number: BR102018070490A2
Application number: BR102018070490-7A
Authority: BR
Inventors: Bruno BARCIELA DÍAZ-BLANCO; Dirk Peter WEBERSKIRCH; Andreas SOMMERMANN; Marcus Stein; Tim Dressel
Original assignee: Man Truck & Bus Ag
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2018-10-04
Publication date: 2019-09-17
Also published as: EP3486447A1; CN109931179A; US20190153976A1; US10890136B2; DE102017127291A1; EP3486447B1; RU2018136152A3; RU2018136152A; CN109931179B

Abstract

pistão para um motor de combustão interna, motor de combustão interna e veículo a motor compreendendo o mesmo. a invenção diz respeito a um pistão (10) para um motor de combustão interna, particularmente um motor de combustão interna de hpdi a diesel/gás. o pistão (10) possui um recesso de pistão (12), particularmente um recesso de pistão ômega. o pistão (10) possui uma face de coroa de pistão (18) que é provida de modo a se estender de maneira anular sobre um eixo central (m) do pistão (10). o pistão possui uma pluralidade de estágios de pistão (14, 16), que são providos de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central (m) e que são dispostos entre a face de coroa de pistão (18) e o recesso de pistão (12). a geometria do pistão pode levar a um aumento no grau de eficiência do motor com uma redução simultânea das emissões de exaustão.

Description

PISTÃO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA, MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA E VEÍCULO A MOTOR COMPREENDENDO O MESMO

Descrição [0001] A invenção diz respeito a um pistão para um motor de combustão interna, particularmente um motor de combustão interna de HPDI de diesel/gás e um motor de combustão interna contendo o pistão.

[0002] Em um motor de combustão interna de HPDI de diesel/gás, combustível em gás é usado para acionamento e combustível em diesel é usado para ignificar o combustível em gás, em que os combustíveis em gás e em diesel são injetados sob alta pressão diretamente na(s) câmara(s) de combustão. Os motores de combustão interna de HPDI a diesel/gás possuem o potencial, em comparação com os motores de combustão interna puramente a diesel, de melhorar o grau de eficiência do motor e permitir emissões de exaustão mais baixas. A fim de utilizar o potencial dos motores de combustão interna de HPDI, entre outros, geometrias de pistão especialmente adaptadas precisam ser desenvolvidas. Até agora, entretanto, particularmente no setor de veículos comerciais, nenhuma ou quase nenhuma geometria de pistão especialmente adaptada para motores de combustão interna de HPDI é conhecida.

[0003] A DE 10 2013 022 040 A1 divulga um pistão para um motor de combustão interna de pistão alternativo. O pistão possui uma coroa de pistão que se estende de maneira anular na direção periférica do pistão e um estágio de pistão que é disposto em uma direção radial dentro da coroa de pistão e que se estende de maneira anular. O estágio de pistão é aprofundado em relação à coroa de pistão em uma direção axial. O pistão possui um recesso ômega, no qual o estágio de pistão se une através de um contorno de separador de feixes de que se estende de maneira anular. Em uma direção radial entre o estágio de pistão e a coroa de pistão,

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2/21 dispõe-se um recesso que é aprofundado em relação à coroa de pistão em uma direção axial.

[0004] A DE 10 2015 012 541 A1 divulga um pistão para um motor a gás com um recesso de pistão. O pistão possui uma coroa de pistão que se estende de maneira anular na direção periférica do pistão e um estágio de pistão que se estende de maneira anular que é disposto em uma direção radial dentro da coroa de pistão. O estágio de pistão é aprofundado em relação à coroa de pistão em uma direção axial e é levantando em relação ao recesso de pistão em uma direção axial.

[0005] Um objeto da invenção é prover uma geometria de pistão para um motor de combustão interna de HPDI a diesel/gás que leva a um aumento no grau de eficiência do motor juntamente com uma diminuição simultânea das emissões de gases de exaustão.

[0006] O objetivo é alcançado por meio de um pistão de acordo com a reivindicação independente. Desenvolvimentos vantajosos são definidos nas reivindicações dependentes e no relatório descritivo.

[0007] O pistão é adequado para um motor de combustão interna, particularmente um motor de combustão interna de HPDI a diesel/gás. O pistão possui um recesso de pistão, particularmente um recesso de pistão ômega. O pistão possui uma face de coroa de pistão que é provida de modo a se estender de maneira anular sobre um eixo central do pistão. O pistão possui uma pluralidade de estágios de pistão que são providos de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central e que são dispostos entre a face de coroa de pistão e o recesso de pistão.

[0008] A geometria do pistão permite a divisão do combustível a gás injetado e o combustível a diesel em um primeiro fluxo parcial, que é guiado ao longo do recesso de pistão, e um segundo fluxo parcial, que é guiado ao longo da pluralidade de estágios de pistão. No recesso de pistão, o combustível pode ser direcionado em direção ao eixo central do pistão, em que, no recesso, uma turbulência do fluxo da peça pode ser adaptada,

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3/21 particularmente aumentada. Ao longo da pluralidade de estágios de pistão, uma pluralidade de bordas de afastamento pode ser produzida a fim de ajustar uma turbulência do segundo fluxo parcial conforme desejado. Consequentemente, os fluxos parciais podem otimizar tanto os processos de formação de mistura como os processos de combustão. Um alto grau de eficiência com um motor de combustão interna de HPDI a diesel/gás é relacionado a tais processos ideais de combustão e formação de misturas. Uma boa formação de mistura entre ar, combustível de gás e combustível de diesel leva a uma geração de turbulência adaptada e a uma velocidade de combustão ideal na câmara de combustão. Isso resulta em um alto grau de eficiência e baixas emissões de motor. Um dos maiores desafios com motores de combustão interna de HPDI a diesel/gás é a denominada ignição incandescente, no qual ocorre a combustão espontânea do combustível de gás, que é indesejável neste caso. O uso do oxigênio disponível na câmara de combustão também possui uma importância muito grande. Entre outros, estes dois fenômenos são influenciados por três fatores na câmara de combustão: o movimento de carga, a distribuição de concentração do combustível e o nível de temperatura. Todos os três fatores dependem da configuração da geometria do pistão e podem ser otimizados, particularmente, pela provisão da geometria do pistão que é divulgada neste documento.

[0009] Particularmente, um método de combustão circular pode ser usado, no qual o(s) canal(is) de entrada de ar do cilindro é/são formados de modo que o ar de entrada seja introduzido dentro do cilindro com um turbilhonamento em torno do eixo vertical do cilindro (correspondente ao eixo central do pistão).

[00010] Em uma modalidade particularmente preferencial, a pluralidade dos estágios de pistão possuem um estágio de pistão radialmente interno (em relação ao eixo de centro) e um estágio de pistão radialmente externo (em relação ao eixo central). Particularmente, o estágio

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4/21 de pistão radialmente interno pode se unir, em uma direção radial em relação ao eixo central, ao estágio de pistão radialmente interno. Consequentemente, uma turbulência pode ser gerada de maneira seletiva no segundo fluxo parcial, tanto em uma borda de afastamento do estágio de pistão radialmente interno como também (posteriormente) em uma borda de afastamento do estágio de pistão radialmente externo. Adicionalmente, através da construção dos estágios de pistão, é possível influenciar, seletiva e sucessivamente, quanto combustível é direcionado adicionalmente em direção à parede de cilindro.

[00011] Em uma modalidade, o estágio de pistão radialmente interno se une através de um contorno separador de feixes, o qual é provido, particularmente, de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central ao recesso de pistão, vantajosamente em uma direção radial em relação do eixo central. O contorno separador de feixes pode dividir o combustível injetado no primeiro fluxo parcial no recesso de pistão e no segundo fluxo parcial ao longo dos estágios de pistão.

[00012] Em outra modalidade, o estágio de pistão radialmente externo, particularmente de uma maneira arredondada, se une vantajosamente à face de coroa de pistão em uma direção radialmente para fora do eixo central.

[00013] Em uma modalidade, o contorno separador de feixes é construído como uma projeção que se projeta radialmente em relação ao eixo central. Adicional ou alternativamente, o contorno separador de feixes é provido com um raio predeterminado em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 30 mm, particularmente entre 1 mm e 10 mm, preferencialmente entre 2 mm e 6 mm. Adicional ou alternativamente, o contorno separador de feixes define um diâmetro interno em uma posição radialmente interna do contorno separador de feixes, que fica em um intervalo entre 40% e 100%, particularmente entre 40% e 80%, preferencialmente entre 40% e 60%, de um diâmetro externo de pistão do

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5/21 pistão. Adicional ou alternativamente, o contorno separador de feixes (ou o estágio de pistão radialmente interno), em uma direção axial ao longo do eixo central, é aprofundado em relação à face de coroa de pistão em um intervalo entre 0% e 60%, particularmente entre 0% e 20%, preferencialmente entre 2% e 10%, de uma profundidade máxima de recesso de pistão. Particularmente, a combinação dos parâmetros do diâmetro interno no contorno separador de feixes, no raio do contorno separador de feixes e na altura do recesso do contorno separador de feixes, determina a posição do impacto dos jatos de gás e diesel no pistão. Como resultado da combinação apropriada de valores desses parâmetros, uma posição de impacto adequada pode ser selecionada, o que auxilia durante a geração de turbulência e, consequentemente, auxilia na formação de mistura e processo de combustão, conforme definido neste documento em mais detalhes na descrição da modalidade.

[00014] Em outra modalidade, o estágio de pistão radialmente interno possui uma base de estágio, uma parede de estágio e uma região de transição entre a base de estágio e a parede de estágio. Preferencialmente, a base de estágio do estágio de pistão radialmente interno é inclinada em relação a um primeiro plano concebido que intersecciona em um ângulo reto com o eixo central. Alternativa ou adicionalmente, a região de transição do estágio de pistão radialmente interno é construída com um raio predeterminado. Alternativa ou adicionalmente, a parede de estágio do estágio de pistão radialmente interno é inclinada em relação ao eixo central.

[00015] Particularmente, a base de estágio do estágio de pistão radialmente interno e/ou a parede de estágio do estágio de pistão radialmente interno pode ser construída de maneira plana.

[00016] Preferencialmente, a base de estágio do estágio de pistão radialmente interno e/ou a parede de estágio do estágio de pistão radialmente interno podem ser construídas de modo a ascender em uma

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6/21 direção radial longe do eixo de centro ou de modo a ficar em uma direção radial em direção ao eixo central.

[00017] Em outra modalidade, o raio predeterminado da região de transição do estágio de pistão radialmente interno fica entre um valor maior que 0 mm e 10 mm, particularmente entre 1 mm e 8 mm, preferencialmente entre 1,5 mm e 6 mm. Alternativa ou adicionalmente, a parede de estágio do estágio de pistão radialmente interno é inclinada em um ângulo entre 0° e 60°, particularmente entre 0° e 45°, preferencialmente entre 15° e 45° em relação ao eixo central. Alternativa ou adicionalmente, a parede de estágio do estágio de pistão radialmente interno se une ao estágio de pistão radialmente externo por meio de um raio predeterminado em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 10 mm, particularmente entre um valor maior que 0 mm e 8 mm, preferencialmente entre 0,2 mm e 4 mm. A combinação adequada de valores para o raio de parâmetros da região de transição, o raio da transição entre os estágios de pistão, o ângulo da parede inclinada de estágio e, quando aplicável, a diferença dos recessos de estágios de pistão leva a uma pequena produção de fuligem durante a operação de combustão, conforme definido com mais detalhes neste documento na descrição da modalidade.

[00018] Em uma variante da construção, a base de estágio do estágio de pistão radialmente interno é inclinada em um ângulo entre 0° e 60°, particularmente entre 0° e 45°, preferencialmente entre 15° e 45° em relação ao primeiro plano concebido. Alternativa ou adicionalmente, a região de transição define, em uma posição radialmente interna da região de transição, um diâmetro interno que fica em um intervalo entre 50% e 95%, particularmente entre 60% e 85%, preferencialmente entre 60% e 70%, de um diâmetro externo de pistão do pistão.

[00019] Em outra modalidade variante, o estágio de pistão radialmente externo possui uma base de estágio, uma parede de estágio e uma região de transição entre a base de estágio e a parede de estágio.

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Preferencialmente, a base de estágio do estágio de pistão radialmente externo é inclinada em relação a um segundo plano concebido, que faz intersecção com o eixo central em ângulo reto. Alternativa ou adicionalmente, a região de transição do estágio de pistão radialmente externo é construída com um raio predeterminado. Alternativa ou adicionalmente, a parede de estágio do estágio de pistão radialmente externo se estende paralelamente com o eixo central.

[00020] Particularmente, a base de estágio do estágio de pistão radialmente externo e/ou a parede de estágio do estágio de pistão radialmente externo pode ser construída de maneira plana.

[00021] Preferencialmente, a base de estágio do estágio de pistão radialmente interno pode ser construída de modo a ascender em uma direção radial longe do eixo de centro ou para ficar em uma direção radial ao eixo central.

[00022] Em uma modalidade, a base de estágio do estágio de pistão radialmente externo é inclinada em um ângulo entre 0° e 60°, particularmente entre 0° e 45°, preferencialmente entre 15° e 45° em relação ao segundo plano concebido. Alternativa ou adicionalmente, o raio predeterminado da região de transição do estágio de pistão radialmente externo fica entre um valor maior que 0 mm e 10 mm, particularmente entre 1 mm e 8 mm, preferencialmente entre 1,5 mm e 6 mm Alternativa ou adicionalmente, uma altura da parede de estágio do estágio de pistão radialmente externo fica em um intervalo entre um valor maior que 0% e 60%, particularmente entre 0% e 10%, preferencialmente entre 1% e 5%, de uma profundidade máxima de recesso de pistão. Particularmente, a combinação do ângulo dos parâmetros da base de estágio inclinado, do raio da região de transição e da altura do recesso do estágio de pistão radialmente externo possui uma influência significativa sobre as emissões de hidrocarbonetos e o grau de eficiência, os quais são mutuamente dependentes. Os valores definidos neste documento para estes parâmetros

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8/21 levam a uma compensação ideal entre o melhor grau de eficiência possível e as emissões de hidrocarbonetos mais baixas possíveis, conforme definido mais detalhes neste documento na descrição da modalidade.

[00023] Em outra modalidade, o recesso de pistão possui uma projeção central, particularmente no formato de uma ponta de cone ou de um cone truncado, e/ou uma região de corte inferior que é provida de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central. Preferencialmente, a projeção central e o eixo central podem definir um ângulo em um intervalo entre 15° e 90°, particularmente entre 40° e 80° preferencialmente entre 60° e 75°. Alternativa ou adicionalmente, a região de corte inferior pode ter um raio predeterminado, particularmente em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 50 mm, particularmente entre um valor maior que 0 mm e 30 mm, preferencialmente entre 5 mm e 15 mm. Alternativa ou adicionalmente, a projeção central pode ter um raio predeterminado, particularmente em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 200 mm, particularmente entre um valor maior que 0 mm e 50 mm, preferencialmente entre 5 mm e 25 mm. Alternativa ou adicionalmente, a projeção central é aprofundada em uma direção axial ao longo do eixo central em relação à face de coroa de pistão em um intervalo entre 2% e 50%, particularmente entre 4% e 15%, preferencialmente entre 5% e 10%, de uma profundidade máxima de recesso de pistão. Por conseguinte, pode ser alcançada uma geração de turbulência particularmente vantajosa para o fluxo parcial do gás injetado e do combustível em diesel fluindo no recesso de pistão.

[00024] Em uma modalidade, a face de coroa de pistão define, em uma posição radialmente interna da face de coroa de pistão, um diâmetro interno que fica entre 30% e 75%, particularmente entre 35% e 70%, preferencialmente entre 40% e 60%, de um diâmetro externo de pistão do pistão. Alternativa ou adicionalmente, a face de coroa de pistão é construída de uma maneira planar. Alternativa ou adicionalmente, o recesso

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9/21 de pistão, a face de coroa de pistão e/ou a pluralidade de estágios de pistão são construídos de maneira rotacionalmente simétrica em torno do eixo central.

[00025] Em outra modalidade, a pluralidade de estágios de pistão é aprofundada em uma direção axial ao longo do eixo central em relação à face de coroa de pistão e/ou levantada em relação ao recesso do pistão. Alternativa ou adicionalmente, o recesso de pistão é aprofundado em uma direção axial ao longo do eixo central em relação à face de coroa de pistão e/ou aprofundado em relação à pluralidade de estágios de pistão.

[00026] Particularmente, o recesso de pistão pode ser provido em um estado aprofundado em uma direção axial ao longo do eixo central em relação ao contorno separador de feixes, o contorno de separador de feixes em um estado aprofundado em uma direção axial ao longo do eixo central em relação ao estágio de pistão radialmente interno, o estágio de pistão radialmente interno em um estado aprofundado em uma direção axial ao longo do eixo central em relação ao estágio de pistão radialmente externo e/ou o estágio de pistão radialmente externo em um estado aprofundado em uma direção axial ao longo do eixo central em relação à face de coroa de pistão.

[00027] Em uma variante da construção, o recesso de pistão possui uma profundidade máxima em relação à face de coroa de pistão. A profundidade máxima fica em um intervalo entre 10% e 50%, particularmente entre 10% e 30%, preferencialmente entre 10% e 20%, de um diâmetro externo de pistão do pistão.

[00028] A invenção também diz respeito a um motor de combustão interna, particularmente um motor de combustão interna de HPDI a diesel/gás, com pelo menos um pistão, conforme divulgado neste documento.

[00029] A invenção também é direcionada a um veículo a motor, particularmente um veículo comercial (por exemplo, caminhão ou ônibus).

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O veículo a motor possui pelo menos um pistão, conforme divulgado neste documento, ou um motor de combustão interna, conforme divulgado neste documento.

[00030] Também pode ser possível usar o pistão divulgado neste documento para outros tipos de motores de combustão interna. Por exemplo, o pistão divulgado neste documento também pode ser usado com motores de combustão interna a gás, nos quais o combustível em gás é fornecido junto com o ar durante o ciclo de entrada através do(s) canal(is) de entrada de ar do cabeçote de cilindro e no qual o combustível em diesel é injetado, por exemplo, diretamente na(s) câmara(s) de combustão interna a fim de ignificar a mistura de combustível em gás/ar.

[00031] Adicionalmente, pode ser possível usar o pistão divulgado neste documento para veículos de passageiros, motores grandes, veículos fora da estrada (off-road), motores estacionários, motores marítimos etc.

[00032] As modalidades e aspectos preferenciais da invenção descrita acima podem ser combinados entre si conforme desejado. Vantagens e detalhes adicionais da invenção são descritos abaixo com referência às figuras anexas, nas quais:

Figura 1 uma vista em seção de uma porção de um pistão de acordo com uma modalidade da presente divulgação;

Figura 2 uma vista em seção da porção do pistão exemplar com indicações angulares indicadas;

Figura 3 uma vista em seção da porção do pistão exemplar com as dimensões indicadas;

Figura 4 uma vista em seção da porção do pistão exemplar com raios indicados; e

Figura 5 uma Tabela com intervalos de valor exemplares para os ângulos, dimensões e raios indicados nas Figuras de 2 a 4.

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11/21 [00033] As modalidades mostradas nas Figuras se correspondem pelo menos parcialmente de modo componentes similares ou idênticos são dados com os números de referência iguais e, para explicação destes, também pode ser feita referência à descrição de outras modalidades ou Figuras a fim de evitar repetições.

[00034] As Figuras de 1 a 4 mostram uma porção de um pistão

10. Na Figura 1, são definidas as regiões estruturais do pistão 10. Na Figura 2, são definidos os ângulos particularmente relevantes do pistão 10. Na Figura 3, são definidas as dimensões particularmente relevantes do pistão 10. Na Figura 4, são estabelecidos os raios particularmente relevantes do pistão 10.

[00035] O pistão 10 é um pistão alternativo e um motor de combustão interna, particularmente de um veículo a motor, por exemplo, um veículo comercial. O veículo comercial pode, por exemplo, ser construído como um caminhão ou um ônibus. O motor de combustão interna é, particularmente, um denominado motor de combustão interna de HPDI (do inglês, high pressure direct injection, injeção direta de alta pressão) a diesel/gás. Tal motor de combustão interna é acionado por combustível em gás que é ignificado por meio de injeção de diesel. Detalhadamente, um combustível em gás, por exemplo, LNG (do inglês, liquefied natural gas, gás natural liquefeito) pode ser introduzido em estado gasoso nas câmaras de combustão do motor de combustão interna a uma alta pressão, por exemplo, de 300 barr a 500 barr ou mais. O combustível em gás é ignificado nas câmaras de combustão por meio de combustível em diesel injetado. O combustível diesel é injetado como um jato de ignição em alta pressão diretamente na câmara de combustão. Por exemplo, o combustível em diesel pode ser injetado a uma pressão de até 600 barr ou mais. A combustão do combustível em gás pode ser realizada de acordo com o processo cíclico de diesel. A fim de introduzir o combustível em gás e o combustível em diesel, é possível usar, por exemplo, um e o mesmo

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12/21 injetor que pode ser construído como um injetor de combustível duplo. O injetor pode ser disposto centralmente no cilindro e introduzir o combustível em gás e diesel de uma maneira dirigida em um denominado contorno separador de feixes do pistão 10.

[00036] O pistão 10 é disposto em um cilindro (não ilustrado) do motor de combustão interna e pode ser movido em translação relativo a uma parede cilíndrica do cilindro. Preferencialmente, o motor de combustão interna possui uma pluralidade de cilindros, a qual possui, respectivamente, um pistão 10. O motor de combustão interna também compreende um eixo de manivelas que é suportado de modo a poder ser girado em torno de um eixo de rotação relativo ao alojamento de manivela. O pistão 10 é conectado de uma maneira articulada ao eixo de manivelas por meio de uma biela, de modo que os movimentos de translação do pistão 10 no cilindro são convertidos em um movimento rotacional do eixo de manivelas em torno do eixo de rotação deste. Durante os movimentos de translação ascendentes e descendentes do pistão 10, este pode ser suportado na parede cilíndrica.

[00037] O pistão 10 possui um recesso de pistão 12, uma pluralidade de estágios de pistão 14, 16 e uma face de coroa de pistão 18. Na modalidade ilustrada, a pluralidade de estágios de pistão compreende, vantajosamente, um estágio de pistão 14 radialmente interno e um estágio de pistão radialmente externo 16. O pistão 10 pode ser construído de uma maneira rotacionalmente simétrica em torno de um eixo central M.

[00038] O recesso do pistão 12 é construído como um denominado recesso ômega. O recesso ômega possui, substancialmente em seção transversal, o formato da letra minúscula grega ômega (ω).

[00039] O recesso de pistão 12 possui uma projeção central 20. A projeção central 20 é formada como um cone truncado. Entretanto, também é possível, por exemplo, que a projeção central 20 seja formada como uma ponta de cone.

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13/21 [00040] A Figura 2 ilustra que o formato de cone da projeção central 20 forma um ângulo α.

[00041] A Figura 3 ilustra que uma face de cobertura do formato de cone truncada da projeção central 20 em uma direção axial do eixo central M é aprofundada por uma altura H1 em relação à face de coroa de pistão 18.

[00042] A Figura 4 mostra que a face de cobertura do formato de cone truncado da projeção central 20 se une a um raio R1 em uma face de cobertura do formato de cone truncado da projeção central 20. Também é possível, por exemplo, que uma porção que cobre o cone se una com uma porção de ponta de cone da projeção central com o raio R1 e/ou que a ponta do formato de cone com o raio R1 seja arredondada.

[00043] O recesso de pistão 12 possui uma região de corte inferior 22. A região de corte inferior 22 se estende de modo ficar adjacente à projeção central 20 em uma direção radial longe do eixo central M. A região de corte inferior 22 é construída de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central M.

[00044] A Figura 4 ilustra que a região de corte inferior 22 pode ser provida com um raio R2.

[00045] O recesso de pistão 12, particularmente a região de corte inferior 22 do recesso de pistão 12, se une a um contorno separador de feixes 24. O contorno separador de feixes 24 serve, particularmente, para dividir os jatos de ignição de combustível em diesel injetado. Detalhadamente, os jatos de injeção de combustível em diesel são direcionados ao contorno separador de feixes 24. O contorno separador de feixes 24 divide os jatos de ignição em um primeiro fluxo parcial e um segundo fluxo parcial. O primeiro fluxo parcial é redirecionado ao longo da região de corte inferior 22 em direção ao eixo central M. O segundo fluxo parcial é direcionado ao longo dos estágios de pistão 14 e 16.

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14/21 [00046] O contorno separador de feixes 24 é construído como uma projeção radial. A projeção radial é direcionada em uma direção ao eixo central. O contorno separador de feixe 24 se projeta sobre a região de corte inferior 22 em uma direção ao eixo central M. O contorno separador de feixes 24 é construído de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central M. O contorno separador de feixes 24 se une ao estágio de pistão 14 radialmente interno.

[00047] A Figura 3 ilustra que o contorno separador de feixes 24 define, em uma posição radialmente interna do contorno separador de feixes, um diâmetro interno D1.

[00048] A Figura 4 ilustra que o contorno separador de feixes 24 é provido com um raio R3.

[00049] O estágio de pistão 14 radialmente interno é construído de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central M. O estágio de pistão 14 radialmente interno possui uma base de estágio 26, uma região de transição 28 e uma parede de estágio 30. A base de estágio 26 se une, em uma direção radial ao eixo central M, ao contorno separador de feixes 24. A região de transição 28 se conecta à base de estágio 26 e a parede de estágio 30. A parede de estágio 30 se une, em uma direção radial longe do eixo central M, ao estágio de pistão 16 radialmente externo.

[00050] A Figura 2 ilustra que a base de estágio 26 é inclinada em relação a um primeiro plano que intersecciona de maneira perpendicular com o eixo central M. A base de estágio 26 pode definir um ângulo β com o primeiro plano. A Figura 2 ilustra, adicionalmente, que a parede de estágio 30 é inclinada em relação ao eixo central M. A parede de estágio 30 pode definir um ângulo γ com o eixo central M.

[00051] Particularmente, a base de estágio 26 e a parede de estágio 30 podem se unir entre si com um ângulo obtuso (um ângulo maior que 90° e menor que 180°) através da região de transição 28.

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15/21 [00052] A Figura 3 ilustra que o estágio de pistão 14 radialmente interno, define um diâmetro interno D2 particularmente em uma transição entre a base de estágio 26 e a região de transição 28 (vide Figura 1). A Figura 3 também ilustra que o estágio de pistão 14 radialmente interno, particularmente em uma transição entre a base de estágio 26 e a região de transição 28 (vide Figura 1), ao longo do eixo central M é construída com uma altura H2 aprofundada axialmente em relação à face de coroa de pistão 18.

[00053] A Figura 4 ilustra que a região transição 28 pode ser construída com um raio R4.

[00054] O estágio de pistão 16 radialmente externo é construído de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central M. O estágio de pistão 16 radialmente externo possui uma base de estágio 32, uma região de transição 34 e uma parede de estágio 36. A base de estágio 32 se une, em uma direção radial em relação ao eixo central M, à parede de estágio 30 do estágio de pistão 14 radialmente interno. A região de transição 34 se conecta à base de estágio 32 e a parede de estágio 36. A parede de estágio 36 se une, em uma direção radial longe do eixo central M, à face de coroa de pistão 18..

[00055] A Figura 2 ilustra que a base de etapa 32 é inclinada em relação a um segundo plano que faz intersecção com o eixo central M de maneira perpendicular. A base de estágio 32 pode definir um ângulo δ com o segundo plano.

[00056] A parede de estágio 36 pode se estender paralelamente ao eixo central M. Particularmente, a base de estágio 32 e a parede de estágio 36 podem se unir entre si com um ângulo obtuso (um ângulo maior que 90° e menor que 180°) através da região de transição 34.

[00057] A Figura 3 ilustra que o estágio de pistão 16 radialmente externo, particularmente em uma transição entre a parede de estágio 36 e a face de coroa de pistão 18 (uma posição radialmente externa do estágio de

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16/21 pistão 16 radialmente externo) define um diâmetro interno D3. A Figura 3 também ilustra que o estágio de pistão 14 radialmente interno é aprofundado axialmente ao longo do eixo central M com uma altura H3 em relação à face de coroa de pistão 18 particularmente em uma transição entre a base de estágio 32 e a região de transição 34 (vide Figura 1).

[00058] A Figura 4 ilustra que a parede de estágio 30 do estágio de pistão 14 radialmente interno se une com um raio R5 à base de estágio 32 do estágio de pistão 16 radialmente externo. A Figura 4 ilustra, adicionalmente, que a região transição 34 pode ser construída com um raio R6. A Figura 4 também ilustra que a parede de estágio 36 do estágio de pistão 16 radialmente interno pode se unir com um raio R7 à face de coroa de pistão 18.

[00059] A face coroa de pistão 18 é provida de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central M. A face de coroa de pistão 18 é construída de uma maneira planar ou plana. A face de coroa de pistão 18 se une, em um lado externo radial, a uma face de cobertura do pistão 10. Na região da face de coroa de pistão 18 é produzido um denominado fluxo de compressão durante um movimento do pistão 10 ao ponto morto superior, o qual é direcionado radialmente para dentro em direção ao eixo central M.

[00060] Na Figura 5, são definidos intervalos de valores exemplares, intervalos de valores preferenciais e intervalos de valores particularmente preferenciais para os ângulos α, β, γ, δ, para as alturas de H0 a H3, para os diâmetros de D0 a D3 e para os raios de R1 a R7.

[00061] Nota-se que foi verificado que combinações específicas de parâmetros individuais (ou seja, os ângulos α, β, γ, δ, as alturas de H0 a H3, os diâmetros de D0 a D3 e os raios de R1 a R7) são particularmente preferenciais, conforme definido abaixo a título de exemplo.

[00062] Os parâmetros D1 (diâmetro interno no contorno separador de feixes 24), R3 (radio do contorno separador de feixes 24) e

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H1 (altura do recesso do contorno separador de feixes 24) determina a posição de impacto dos jatos de diesel e gás no pistão 10. Como um resultado de uma combinação apropriada desses parâmetros D1, R3 e H1 (vide a Tabela na Figura 5), é possível, consequentemente, selecionar uma posição de impacto adequada, o que auxilia durante a turbulência e, consequentemente, auxilia na formação de mistura e processo de combustão. A posição do impacto é selecionada de modo que os fluxos parciais produzidos no impacto e que fluem ao recesso de pistão 12 e ao longo dos estágios de pistão 14 e 16 tenham aproximadamente o mesmo tamanho. Também é possível que o fluxo parcial no recesso de pistão seja menor que o fluxo parcial ao longo dos estágios de pistão 14 e 16, por exemplo, em uma proporção dentre 40% a 60%. A divisão dos fluxos parciais desejada de acordo com o tamanho pode, em seguida, ser usada para uma geração de turbulência adequada.

[00063] A geração de turbulência é realizada para o primeiro fluxo parcial através do redirecionamento de aproximadamente 180° na região de corte inferior 22 do recesso de pistão 12 por meio do raio R2 e do ângulo α. A geração de turbulência é realizada para o segundo fluxo parcial através das bordas de afastamento produzidas pelos estágios de pistão 14,

16. A formação das bordas de afastamento é ajustada por meio dos parâmetros β (ângulo da base de estágio 26 inclinada), γ (ângulo de parede de estágio 30 inclinada), δ (ângulo da base de estágio 32 inclinada), R4 (raio de região de transição 28), R5 (raio entre os estágios de pistão 14, 16). Como resultado de uma combinação adequada dos parâmetros β, γ, δ, R4 e R5 (vide a Tabela na Figura 5), a difusão do segundo fluxo parcial pode ser direcionada conforme desejado.

[00064] Adicionalmente, é usado um método de combustão circular, no qual os canais de entrada de ar do cilindro são formados de modo que o ar de entrada seja introduzido com um turbilhonamento em

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18/21 torno do eixo vertical do cilindro (correspondente ao eixo central M) no cilindro.

[00065] Os grupos de parâmetros combinados (D1, R3 e H1; α e R2; β, γ, δ, R4 e R5) permitem, individual e conjuntamente, que o combustível e o ar se misturem de maneira particularmente boa e homogênea. Particularmente, pode ser usado um método de combustão pobre. O ar que é disponível é efetivamente usado pelo método de combustão e, particularmente, não há ou quase não há problema com as zonas locais de escassez de ar que levam à combustão incompleta do combustível.

[00066] Os parâmetros δ (ângulo da base de estágio 32 inclinada), R6 (raio da região de transição 34) e H3 (altura do recesso do estágio de pistão 16 radialmente externo) têm, em combinação, uma influência significativa sobre as emissões de hidrocarbonetos e sobre o grau de eficiência que são mutualmente dependentes (Tradeoff“). Os parâmetros δ, R6 e H3 caracterizam a região do pistão 10 que é mais afastada do centro do pistão 10 ou do eixo de centro M. Nesta região, deve ser assegurada particularmente a maior conversão possível do combustível para que nenhum hidrocarboneto não queimado permaneça. Caso a região caracterizada pelos parâmetros δ, R6 e H3 seja muito acentuada, ou seja, por exemplo, caso a altura H3 seja muito alta, o segundo fluxo parcial que está fluindo é freado excessivamente. Caso, entretanto, esta região não seja acentuada o suficiente, ou seja, caso, por exemplo, a altura H3 seja muito baixa, a borda de afastamento é muito pequena e há nenhuma turbulência acentuada. Uma combinação adequada dos parâmetros δ, R6 e H3 (cf. tabela da Figura 5) acarreta em um meio termo entre o melhor grau possível de eficiência e as menores emissões possíveis de hidrocarbonetos.

[00067] Os parâmetros R4 (raio da região de transferência 28), R5 (raio da transição entre os estágios de pistão 14, 16), γ, (ângulo da

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19/21 parede de estágio 30 inclinada) e a diferença dentre as alturas H2 e H3 (diferença dos recessos dos estágios de pistão 14, 16) têm, em combinação, uma influência significante na produção de fuligem durante a operação de combustão. A fuligem ocorre, por exemplo, quando o combustível não é completamente queimado em condições de combustível rico. Durante a combustão, a frente de chama na parede de estágio 30 é freada. Este efeito de travagem ou efeito de parede não deve ser muito grande, caso contrário a combustão é influenciada de uma maneira negativa. Por outro lado, a parede de estágio 30 é necessária a fim de constituir uma nova borda de afastamento para o segundo fluxo parcial. Uma combinação apropriada dos parâmetros R4, R5, γ e H2-H3 acarreta a combustão do combustível com a menor quantidade possível de fuligem.

[00068] As relações H2/H0 (altura do recesso do estágio de pistão 14/profundidade máxima do recesso do pistão 12), D3/D1 (diâmetro interno na face de coroa de pistão 18/diâmetro interno no contorno separador de feixes 24) e os parâmetros α (ângulo da projeção central 20) têm, em combinação, uma influência significativa sobre o consumo de combustível e sobre a formação de óxido de nitrogênio que são mutuamente dependentes (Tradeoff'). Particularmente, as relações e o ângulo α dizem respeito a uma relação do recesso de pistão 12 em relação à região acima do recesso de pistão 12, que é delimitada pelos estágios de pistão 14 e 16. Por meio da relação, particularmente uma velocidade de combustão e um uso do ar podem ser ajustados. Uma alta velocidade de combustão leva a um alto grau de eficiência de combustão, mas também a grandes emissões de óxido de nitrogênio. As emissões de óxido de nitrogênio são produzidas particularmente em zonas com picos de temperatura. Uma baixa velocidade de combustão leva, por outro lado, a um baixo grau de eficiência de combustão, mas também a baixas emissões de óxido de nitrogênio. Uma combinação apropriada das relações H2/H0, D3/D1 e o parâmetro α (vide a Tabela da Figura 5) acarreta em um meio

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20/21 termo entre o melhor grau de eficiência possível na combustão e as menores emissões possíveis de óxido de nitrogênio.

[00069] Os parâmetros δ (ângulo da base de estágio 32 inclinada), R2 (raio da região de corte inferior 22), R1 (raio na transição da projeção central para a face de coberta ou ponta de cone) e H1 (altura do recesso da projeção central 20) agem em combinação, particularmente sobre o monóxido de carbono e as emissões de hidrocarbonetos, sobre a duração de combustão e a proporção de ar/combustível exigido para a combustão. Os parâmetros δ, R2, R1 e H1 caracterizam o volume dentro do recesso de pistão 20. Este volume, preferencialmente, não deve ser muito grande visto que, caso contrário, podem ser produzidas zonas nas quais o combustível não é alcançado ou não é completamente alcançado pela chama dianteira e, consequentemente, convertido. Tais zonas devem, em vez disso, ser preenchidas com material de pistão. Uma combinação apropriada dos parâmetros δ, R2, R1 e H1 (vide Tabela da Figura 5) leva a baixas emissões de monóxido de carbono e de hidrocarbonetos, otimiza a duração da combustão e permite um método de combustão pobre.

[00070] A invenção não é limitada às modalidades preferenciais acima descritas. Pelo contrário, uma pluralidade de variantes e alterações é possível, as quais também usam as ideias da invenção e, portanto, caem no escopo de proteção. Particularmente, a invenção também reivindica proteção para a matéria e os recursos das reivindicações dependentes, independentemente das reivindicações que são referenciadas. Particularmente, os recursos da reivindicação independente 1 são divulgados de maneira independente entre si. Além disso, os recursos das reivindicações dependentes também são divulgados independentemente de todos os recursos da reivindicação independente 1 e, por exemplo, independentemente dos recursos em relação à presença e/ou à configuração recesso de pistão, da face de coroa de pistão e da pluralidade estágios de pistão da reivindicação independente 1.

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21/21 de números de referência

Pistão

Recesso de pistão

Estágio de pistão radialmente interno

Estágio de pistão radialmente externo Face de coroa de pistão

Projeção central

Região de corte inferior

Contorno separador de feixes

Base de estágio

Região de transição

Parede de estágio

Base de estágio

Região de transição

Parede de estágio

Eixo central

R7 Raios

Ângulos

H3 Alturas

D3 Diâmetros

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Pistão (10) para um motor de combustão interna, particularmente um motor de combustão interna de HPDI a diesel/gás, caracterizado pelo fato de que compreende:

um recesso de pistão (12), particularmente um recesso de pistão ômega;

uma face de coroa de pistão (18) que é provida de modo a se estender de maneira anular em torno de um eixo central (M) do pistão (10); e uma pluralidade de estágios de pistão (14, 16) que são providos de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central (M) e que são dispostos entre a face de coroa de pistão (18) e o recesso do pistão (12).
2. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:

a pluralidade de estágios de pistão (14, 16) possui um estágio de pistão (14) radialmente interno e um estágio de pistão (16) radialmente externo e, particularmente, o estágio de pistão (16) radialmente externo se une, em uma direção radial em relação ao eixo central (M), ao estágio de pistão (14) radialmente interno.
3. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que:

o estágio de pistão (14) radialmente interno se une ao recesso de pistão (12) através de um contorno separador de feixes (24) que é provido de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central (M); e/ou o estágio de pistão (16) radialmente externo se une à face de coroa de pistão (18), particularmente de uma maneira arredondada.
4. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que:

o contorno separador de feixes (24) é construído como uma projeção que se projeta radialmente em relação ao eixo central (M); e/ou o contorno separador de feixes (24) é provido com um raio predeterminado (R3) em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 30 mm,

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2/6 particularmente entre 1 mm e 10 mm, preferencialmente entre 2 mm e 6 mm; e/ou o contorno separador de feixes (24) define, em uma posição radialmente interna do contorno separador de feixes (24), um diâmetro interno (D1) que fica em um intervalo entre 40% e 100%, particularmente entre 40% e 80%, preferencialmente entre 40% e 60%, de um diâmetro externo de pistão (D0) do pistão (10); e/ou o contorno separador de feixes (24) em uma direção axial ao longo do eixo central (M) é aprofundado em relação à face de coroa de pistão (18) em um intervalo entre 0% e 60%, particularmente entre 0% e 20%, preferencialmente entre 2% e 10%, de uma profundidade máxima (H0) de recesso de pistão (12).
5. Pistão (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 2 a 4, caracterizado pelo fato de que:

o estágio de pistão (14) radialmente interno possui uma base de estágio (28), uma parede de estágio (32) e uma região de transição (30) entre a base de estágio (28) e a parede de estágio (32), em que:

a base de estágio (28) do estágio de pistão (14) radialmente interno é inclinada em relação a um primeiro plano concebido, que faz intersecção com o eixo central (M) em ângulo reto; e/ou a região de transição (30) do estágio de pistão (14) radialmente interno é construída com um raio (R4) predeterminado; e/ou a parede de estágio (32) do estágio de pistão (14) radialmente interno é inclinada em relação ao eixo central (M).
6. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que:

o raio (R4) predeterminado da região de transição (30) do estágio de pistão (14) radialmente interno fica entre um valor maior que 0 mm e 10 mm, particularmente entre 1 mm e 8 mm, preferencialmente entre 1,5 mm e 6 mm; e/ou

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3/6 a parede de estágio (32) do estágio de pistão (14) radialmente interno é inclinada em um ângulo (γ) entre 0° e 60°, particularmente entre 0° e 45°, preferencialmente entre 15° e 45°, em relação ao eixo central (M); e/ou a parede de estágio (32) do estágio de pistão (14) radialmente interno se une ao estágio de pistão (16) radialmente externo através de um raio (R5) predeterminado em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 10 mm, particularmente entre um valor maior que 0 mm e 8 mm, preferencialmente entre 0,2 mm e 4 mm.
7. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que:

a base de estágio (28) do estágio de pistão (14) radialmente interno é inclinada em relação ao primeiro plano concebido em um ângulo (β) entre 0° e 60°, particularmente entre 0° e 45°, preferencialmente entre 15° e 45°concebido; e/ou a região de transição (30) define, em uma posição radialmente interna da região de transição (30), um diâmetro interno (D2) que fica em um intervalo entre 50% e 95%, particularmente entre 60% e 85%, preferencialmente entre 60% e 70%, de um diâmetro externo de pistão (D0) do pistão (10); e/ou
8. Pistão (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações de 2 a 7, caracterizado pelo fato de que:

o estágio de pistão (16) radialmente externo possui uma base de estágio (32), uma parede de estágio (36) e uma região de transição (34) entre a base de estágio (32) e a parede de estágio (36), em que:

a base de estágio (32) do estágio de pistão (16) radialmente interno é inclinada em relação a um segundo plano concebido que faz intersecção com o eixo central (M) em ângulo reto; e/ou a região de transição (34) do estágio de pistão (16) radialmente interno é construída com um raio (R6) predeterminado; e/ou a parede de estágio (36) do estágio de pistão (16) radialmente externo se estende paralelamente ao eixo central (M).
9. Pistão (10), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que:

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4/6 a base de estágio (32) do estágio de pistão (16) radialmente externo é inclinada em um ângulo (δ) entre 0° e 60°, particularmente entre 0° e 45°, preferencialmente entre 15° e 45°, em relação ao segundo plano concebido; e/ou o raio (R6) predeterminado da região de transição (34) do estágio de pistão (16) radialmente externo fica entre um valor maior que 0 mm e 10 mm, particularmente entre 1 mm e 8 mm, preferencialmente entre 1,5 mm e 6 mm; e/ou uma altura (H3) da parede de estágio (36) do estágio de pistão (16) radialmente externo fica em um intervalo entre 0% e 60%, particularmente entre 0% e 10%, preferencialmente entre 1% e 5%, de uma profundidade máxima (H0) de recesso de pistão (12).
10. Pistão (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que:

o recesso de pistão (12) possui uma projeção central (20), particularmente no formato de uma ponta de cone ou de um cone truncado, e/ou uma região de corte inferior (22) que é provida de modo a se estender de maneira anular em torno do eixo central (M), em que:

a projeção central (20) e o eixo central (M) definem um ângulo (α) em um intervalo entre 15° e 90°, particularmente entre 40° e 80° preferencialmente entre 60° e 75°; e/ou a região de corte inferior (22) possui um raio (R2) predeterminado em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 50 mm, particularmente entre um valor maior que 0 mm e 30 mm, preferencialmente entre 5 mm e 15 mm; e/ou a projeção central (20) possui um raio (R1) predeterminado em um intervalo entre um valor maior que 0 mm e 200 mm, particularmente entre um valor maior que 0 mm e 50 mm, preferencialmente entre 5 mm e 25 mm; e/ou a projeção central (20) em uma direção axial ao longo do eixo central (M) é aprofundada em relação à face de coroa de pistão (18) em um

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5/6 intervalo entre 2% e 50%, particularmente entre 4% e 15%, preferencialmente entre 5% e 10%, de uma profundidade máxima (H0) de recesso de pistão (12).
11. Pistão (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que:

a face de coroa de pistão (18) define, em uma posição radialmente interna da face de coroa de pistão (18), um diâmetro interno (D3) que fica entre 30% e 75%, particularmente entre 35% e 70%, preferencialmente entre 40% e 60%, de um diâmetro externo de pistão (D0) do pistão (10); e/ou a face de coroa de pistão (18) é construída de uma maneira planar; e/ou o recesso de pistão (12), a face de coroa de pistão (18) e/ou a pluralidade de estágios de pistão (14, 16) são construídos de maneira rotacional e simétrica em torno do eixo central (M).
12. Pistão (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que:

a pluralidade de estágios de pistão (14, 16) é aprofundada em uma direção axial ao longo do eixo central (M) em relação à face de coroa de pistão (18) e/ou levantada em relação ao recesso do pistão (12); e/ou o recesso de pistão (12) é aprofundado em uma direção axial ao longo do eixo central (M) em relação à face de coroa de pistão (18) e/ou aprofundado em relação à pluralidade de estágios de pistão (14, 16).
13. Pistão (10), de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que:

o recesso de pistão (12) possui uma profundidade máxima (H0) em relação à face de coroa de pistão (18); e a profundidade máxima (H0) fica em um intervalo entre 10% e 50%, particularmente entre 10% e 30%, preferencialmente entre 10% e 20%, de um diâmetro externo de pistão (D0) do pistão (10).
14. Motor de combustão interna, particularmente um motor de combustão interna de HPDI a diesel/gás, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um pistão (10), conforme qualquer uma das reivindicações de 1 a 13.

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6/6
15. Veículo a motor, particularmente um veículo comercial, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um pistão (10) conforme, qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, ou um motor de combustão interna, conforme a reivindicação 14.