ES2222018T3 - Motor mixto susceptible de poner en practica al menos un modo estatorreactor y un modo superestatorreactor. - Google Patents

Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN MOTOR MIXTO SUSCEPTIBLE DE REALIZAR UN MODO ESTATORREACTOR Y UN MODO SUPERESTATORREACTOR Y QUE COMPRENDE UN SISTEMA MOTOR PRINCIPAL (3,4,5,8) QUE QUEMA COMBUSTIBLE Y QUE TIENE AL MENOS UNA ENTRADA DE AIRE (3) PARA UNA CORRIENTE DE AIRE (F), UNA CAMARA DE COMBUSTION (8) Y UNA TOBERA DE ESCAPE (4). SEGUN LA INVENCION, DICHO MOTOR (1) CONSTA ADEMAS DE PRIMEROS MEDIOS (10) PARA ALMACENAR, EN MODO DE ESTATORREACTOR, AIRE DESVIADO DE LA CORRIENTE DE AIRE (F) Y SEGUNDO MEDIOS (11) PARA QUEMAR, EN MODO SUPERESTATORREACTOR, UNA PARTE DE UN COMBUSTIBLE DEL MOTOR (1) CON EL AIRE ALMACENADO POR LOS PRIMEROS MEDIOS (10), ANTES DE INYECTARLO EN EL SISTEMA MOTOR PRINCIPAL (3,4,5,8).

Description

Motor mixto susceptible de poner en práctica al menos un modo estatorreactor y un modo superestatorreactor.

La presente invención se refiere a un motor mixto susceptible de poner en práctica al menos un modo estatorreactor y un modo superestatorreactor. Es conocido un motor con limitador por la patente US-A-5 191 761.

En el ámbito de la presente invención, un tal motor mixto es un motor aeróbio de gran rendimiento que funciona en una amplia gama de velocidades, por ejemplo de Mach 2 a Mach 12:

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en primer lugar, en combustión subsónica pura (que representa dicho modo estatorreactor) para unas velocidades comprendidas, por ejemplo, entre Mach 2 y Mach 6;

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a continuación, en combustión supersónica (que representa dicho modo superestatorreactor) para unas velocidades comprendidas, por ejemplo, entre Mach 6 y Mach 12.

En particular, debido a la amplia gama de funcionamiento posible y a un bajo consumo específico de combustible, los motores mixtos del tipo precitado son particularmente apropiados para la propulsión de aparatos volantes hipersónicos (misiles, aviones, etc...). En función de la aplicación, y eventualmente de la fase de vuelo considerada del aparato volador, el combustible utilizado puede ser un hidrocarburo líquido, tal como el queroseno, o un gas, tal como el hidrógeno y el metano, siendo el aire el comburente.

De modo conocido, un tal motor mixto comporta al menos un sistema motor principal que quema combustible y que comprende al menos una entrada de aire para un chorro de aire, una cámara de combustión principal y una tobera de escape principal, siendo en modo estatorreactor una parte del aire captado por dicha toma de aire desviada del chorro de aire antes de su entrada en dicha cámara de combustión. Este aire (o "capa límite"), que es desviado de modo usual con la ayuda de uno o varios "captadores de capa límite" (conocidos bajo la denominación inglesa de "boundary layer bleed" en el ámbito técnico de los motores y propulsores), fluye cerca de las paredes de la toma de aire y posee una energía reducida.

Un inconveniente importante de un tal motor mixto es que en modo superestatorreactor, la potencia proporcionada por el motor es a menudo insuficiente, sobretodo para alcanzar velocidades muy elevadas, en particular más allá de Mach 10.

Es sabido que, para dichas velocidades elevadas, la contribución de la energía y de la cantidad de movimiento del combustible inyectado, generalmente hidrógeno, tiene un papel muy importante en la propulsión. Además, a menudo el combustible es inyectado con una proporción de mezcla superior al valor estequiométrico. Se tiene entonces interés en aumentar las prestaciones del motor para inyectar combustible lo más caliente posible.

Una solución usual para calentar el combustible es utilizar el circuito de refrigeración del motor. El combustible circula entonces por las paredes del motor, las enfría y se calienta.

Sin embargo, dicho calentamiento está limitado, en particular por el calor aportado para el flujo de gases calientes en el motor, por las tensiones relacionadas con el circuito de enfriamiento (eficacia,...) y por la temperatura máxima de la superficie caliente de los componentes del motor, que debe ser inferior a la admisible en funcionamiento para el material que constituye las paredes.

Esta solución conocida para calentar el combustible, por lo tanto, no es demasiado satisfactoria.

La presente invención tiene por objeto remediar estos inconvenientes. Se refiere a un motor mixto del tipo antes citado, para el cual, por unos medios simples y poco costosos, se aumenta considerablemente la potencia y las prestaciones en modo superestatorreactor.

A este efecto, según la invención, dicho motor mixto comporta:

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unos primeros medios para almacenar, en modo estatorreactor, el aire así desviado; y

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unos segundos medios para quemar, en modo superestatorreactor, una parte de un combustible de dicho motor con el aire almacenado por dichos primeros medios, antes de inyectarlo en dicho sistema motor principal.

Así, gracias a la invención, se puede aumentar considerablemente la potencia y las prestaciones del motor mixto quemando una parte del combustible, por ejemplo el hidrógeno, con el aire almacenado, de manera particular, calentar el resto del combustible.

Para poner de manifiesto las ventajas obtenidas por la presente invención, se puede dar un ejemplo en cifras. Es sabido que en Mach 12, si se calienta a 1500K el combustible (hidrógeno) que se inyecta usualmente a 1000K, la potencia del motor aumenta un 15% y el consumo específico de dicho motor disminuye un 15%, mientras que el impulso específico del vehículo equipado con dicho motor mixto aumenta de un 20 a un 25%. Sin embargo, se puede realizar fácilmente un calentamiento a dicha temperatura gracias a la invención.

Además del calentamiento del hidrógeno, la cantidad de masa de aire líquido suplementario conlleva también un aumento de las prestaciones del motor en modo superestatorreactor.

Además, la invención aporta una solución para utilizar el aire desviado (de la "capa limite") que en los motores usuales necesita unos medios específicos para su eyección al exterior del motor, y que no debe perturbar el funcionamiento de este último.

Por otro lado, de modo ventajoso, dichos primeros medios comprenden unos medios para enfriar y licuar el aire desviado y al menos un depósito de almacenamiento para almacenar el aire así licuado.

Además, de preferencia:

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dichos medios para licuar el aire comportan al menos un intercambiador que utiliza un combustible del motor; y

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dicho intercambiador utiliza además un fluido auxiliar destinado a evitar, en caso de fugas, cualquier contacto entre el aire y dicho combustible.

Por otra parte, ventajosamente, dichos segundos medios comportan al menos una cámara de combustión auxiliar provista al menos de una tobera de escape secundario.

En este caso, diferentes modos de realización son posibles. En particular, de manera ventajoso:

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dicha tobera de escape secundaria está dispuesta de manera que desemboque en dicha cámara de combustión principal y/o en dicha tobera de escape principal; y

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en el caso de un motor que comporte al menos un dispositivo de inyección para inyectar un combustible en una cámara de inyectado situada por delante de la cámara de combustión principal en el sentido de flujo del aire, estando dispuesta dicha cámara de combustión auxiliar en dicho dispositivo de inyección y desembocando dicha tobera de escape secundaria en dicha cámara de inyección.

En este último modo de realización, de preferencia, el motor comporta una pluralidad de cámaras de combustión auxiliares dispuestas en dicho dispositivo de inyección, lo que permite homogeneizar y/o aumentar la combustión.

Por otra parte, en un modo de realización ventajoso, el motor mixto según la invención integra además un modo acelerador, para al menos una aceleración inicial, en la que se realiza una combustión que utiliza comburente, por ejemplo oxígeno, que está almacenado en un depósito de comburente, y dicho depósito de almacenamiento de aire desviado corresponde a dicho depósito de comburente, que está al menos parcialmente vacío tras la aceleración inicial y puede así recibir aire desviado en modo estatorreactor. Por consiguiente, no es necesario prever un depósito suplementario específico para el almacenamiento del aire desviado, lo que es ventajoso en términos de costes y de espacio ocupado.

Se deducirá de las figuras del dibujo adjunto como puede realizarse la invención. En estas figuras, referencias idénticas designan elementos semejantes.

La figura 1 muestra esquemáticamente un motor mixto según la invención.

Las figuras 2 a 6 ilustran diferentes fases de funcionamiento sucesivas del motor mixto de la figura 1.

El motor mixto 1 según la invención y representado esquemáticamente en la figura 1 está destinado a la propulsión de un aparato volante hipersónico (misil, avión, ...) no representado y que deba volar en una amplia gama de número de Mach, por ejemplo de un número de Mach nulo a un número de Mach del orden de 12 a 15.

Dicho motor mixto 1 es un motor aeróbio de gran rendimiento que comporta, de modo conocido, una envuelta 2 simétrica en rotación en relación con un eje X- X y provista, en uno de sus extremidades, de una toma de aire 3 para un chorro de aire (simbolizado por una flecha F) que debe servir de comburente y, en su extremidad opuesta, de una tobera 4.

Más abajo de la toma de aire 3, la envuelta 2 forma una cámara de inyección 5, en cuyo interior está dispuesto un dispositivo de inyección 6 de tipo conocido que comprende por ejemplo uno o varios mástiles de inyección no representados.

Dicho dispositivo de inyección 6 recoge, por medio de un conducto de alimentación C1a provisto de una bomba P1a y de una válvula V1a, combustible de un depósito R1, en el cual está almacenado y lo inyecta en dicha cámara de inyección 5, como se ilustra por las flechas E.

Además, entre la cámara de inyección 5 y la tobera 4, la envuelta 2 delimita una cámara de combustión 8, en cuya parte superior están previstos unos inyectores de encendido no representados.

Así, el combustible inyectado es repartido en todo el chorro F de comburente, al nivel del dispositivo de inyección 6; y la combustión del flujo de la mezcla comburente-combustible se produce en la cámara de combustión 8, tras lo que los gases de combustión son eyectados a través de la tobera 4.

Se observará que, como combustible, se puede utilizar queroseno para los números de Mach de vuelo más reducidos (hasta Mach 8) (eventualmente con un burbujeo de hidrógeno de modo que facilite el encendido del estatorreactor y el estallido del chorro), y a continuación el hidrógeno para los números de Mach más elevados. Se pueden utilizar igualmente otros combustibles, tales como el metano, los hidrocarburos endotérmicos, los combustibles de síntesis para un motor mixto de este tipo.

Sin embargo, en el modo de realización preferido representado y descrito más abajo en la figura 1, el combustible almacenado en la depósito R1 es hidrógeno.

El motor mixto 1 así formado es susceptible de funcionar:

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en primer lugar, en combustión subsónica pura (representativa de un modo estatorreactor) para unas velocidades comprendidas, por ejemplo, entre Mach 2 y Mach 6;

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luego, en combustión supersónica (representativa de un modo superestatorreactor) para unas velocidades comprendidas, por ejemplo, entre Mach 6 y Mach 12.

Se observará que los medios 3, 4, 5 y 8 anteriormente citados forman un sistema motor principal del motor 1.

Según la invención, dicho motor mixto 1 integra además un modo acelerador puesto en marcha por un motor cohete 9 de tipo usual.

Dicho motor cohete 9 es susceptible de generar:

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una aceleración inicial hasta aproximadamente Mach 2, quemando hidrógeno procedente del depósito R1 y recibido por medio de un conducto de alimentación C1b provisto de una bomba P1b y de una válvula V1b, con comburente (oxígeno) almacenado en un depósito R2 y recibido por medio de un conducto de alimentación C2a provisto de una bomba P2a y de una válvula V2a; y eventualmente

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una aceleración terminal, más allá de aproximadamente Mach 12, quemando hidrógeno procedente del depósito R1 con comburente (oxígeno) almacenado en un depósito R3 y recibido por medio de un conducto de alimentación C3 provisto de una bomba P3 y de una válvula V3.

El motor 1 tal como se señala anteriormente está perfeccionado según la invención de modo que su potencia y sus prestaciones aumenten considerablemente en modo superestatorreactor.

Para ello, según la invención, dicho motor comporta además:

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unos medios 10 para almacenar, en modo estatorreactor, aire desviado del chorro principal de aire F. Se observará que este aire desviado, que es aire que fluye cerca de las paredes de la toma de aire 3 y posee una energía reducida, es molesto y es eliminado generalmente, en los motores usuales, con la ayuda de "captadores de capa límite"; y

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unos medios 11 para quemar, en modo superestatorreactor, el combustible almacenado en el depósito R1 con el aire desviado y almacenado por dichos medios 10, antes de inyectarlo en el sistema motor principal.

Según el modo de realización, esta inyección puede hacerse en la cámara de inyección 5, en la cámara de combustión 8 o en la tobera 4.

Así, por la combustión en modo superestatorreactor de una parte del hidrógeno del depósito R1 con el aire almacenado, se aumenta la temperatura del hidrógeno restante que se quema de modo usual en la cámara de combustión 8.

Por consiguiente, la presente invención conlleva un aporte de energía, lo que aumenta considerablemente la potencia y las prestaciones del motor 1 en modo superestatorreactor.

Las prestaciones aumentan igualmente por la cantidad de masa del aire líquido suplementario utilizado según la presente invención.

Dichos medios 10 comportan:

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un conducto de recogida CP del aire desviado que está conectado a un conducto de alimentación C2b provisto de una bomba P2b y de una válvula V2b del depósito R2. Dicho conducto de recogida CP desemboca al nivel de la toma de aire 3 y está provisto de una válvula VP (o de un ala móvil) susceptible de ser abierta o cerrada; y

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unos medios 12 de tipo conocido para enfriar y licuar el aire desviado antes de almacenarlo en dicho depósito R2.

A este efecto, dichos medios 12 comportan:

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al menos un intercambiador 13 que utiliza hidrógeno recibido del depósito R1 por el conducto C1a. Según la invención, dicho intercambiador 13 utiliza además un fluido auxiliar, por ejemplo helio, destinado a evitar en caso de fugas, cualquier contacto entre el aire y el combustible;

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la bomba P2b o un sobrealimentador; y

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la válvula V2b.

Por otra parte, los medios 11 citados comportan:

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una cámara de combustión 14 conectada a los depósitos R1 y R2 respectivamente por medio de un conducto de alimentación C1c (provisto de una bomba P1c y de una válvula V1c) y de un conducto C2c (provisto de una válvula V2c y conectado al conducto C2b); y

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una tobera de escape 15 dispuesta a la salida de dicha cámara de combustión 14.

En el modo de realización representado en la figura 1, dicha tobera de escape 15 desemboca en la tobera 4.

En otro modo de realización no representado, dicha tobera de escape 15 puede igualmente desembocar en la cámara de combustión 8 o en la cámara de inyección 5.

Además, en el ámbito de la presente invención, los medios 11 pueden comportar una pluralidad de cámaras de combustión 14 y/o de toberas de escape 15.

Se indica a continuación, con referencia a las figuras 2 a 6, las diferentes fases de funcionamiento sucesivas del motor 1, desde la parada hasta un número máximo de Mach del orden de 15, a saber:

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una fase de aceleración inicial, por ejemplo hasta Mach 2;

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una fase en modo estatorreactor, por ejemplo hasta Mach 6;

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una fase en modo superestatorreactor, por ejemplo hasta Mach 12; y

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una fase de aceleración terminal.

Se señalará inicialmente que, el depósito R1 está lleno de combustible (hidrógeno) y los depósitos R2 y R3 de comburente (oxígeno). Se indicará a continuación los flujos de comburente por las flechas F y los flujos de combustible por las flechas E, seguidas por unas cifras que permiten la diferenciación.

En fase inicial de aceleración, sólo funciona el motor cohete 9 y quema el hidrógeno procedente del depósito R1, como se ilustra por las flechas E1 en la figura 2, con el oxígeno procedente del depósito R2, como se ilustra por una flecha F1.

Por consiguiente, sólo las válvulas V1b y V2a están abiertas y sólo las bombas P1b y P2a están en funcionamiento, mientras que las otras válvulas del motor 1 están cerradas y las otras bombas paradas.

Además, la válvula VP del conducto Cp puede:

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ya sea estar abierta de manera que sirva de captador de capa límite, previendo una evacuación no representada del aire desviado;

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o bien estar cerrada, como se representa en la figura 2.

En la fase siguiente en modo estatorreactor, el motor 1 funciona de modo usual, tal como se representa en la figura 3, quemando en la cámara de combustión 8, hidrógeno inyectado en la cámara de inyección 5, como se indica por las flechas E2, con el aire del chorro principal ilustrado por las flechas
F2.

Además, según la invención, la válvula VP está abierta y una parte del aire (la capa límite) de dicho chorro principal F2 es desviada, como se indica por las flechas FP y es almacenada en el depósito R2 que ha sido al menos parcialmente vaciado en el momento de la aceleración inicial.

En esta segunda fase, únicamente las válvulas V1a, V2b y VP están abiertas y únicamente las bombas P1a y P2b están en funcionamiento.

Al final de esta segunda fase, se cierra la válvula VP de manera que no se desvíe el aire, así como la válvula V2b asociada al depósito R2.

La fase siguiente en modo superestatorreactor puede estar dividida en dos subfases:

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una primera subfase que corresponde a un funcionamiento usual en modo superestatorreactor. El hidrógeno del depósito R1 es quemado en la cámara de combustión 8 con el aire del chorro principal, como se ilustra por las flechas E3 y F3 en la figura 4; y

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una segunda subfase, en la que además de los elementos de la primera subfase, se hacen funcionar igualmente los medios 11, tal como se representa igualmente en la figura 4.

A este efecto, se quema en la cámara de combustión 14 hidrógeno procedente del depósito R1, como se ilustra por las flechas E4 con el aire procedente del depósito R2, como se ilustra por las flechas F4. Los gases obtenidos por esta combustión son inyectados en la tobera 4 por medio de la tobera de escape 15, como se ilustra por una flecha G.

En este caso:

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sólo las válvulas V1a, V1c y V2c están abiertas;

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y sólo las bombas P1a, P1c y P2b están en funcionamiento.

En modo de superestatorreactor, el motor puede igualmente funcionar realizando una combustión a partir de dos zonas de inyección, tal como se representa en la figura 5, sin utilizar el aire del depósito R2.

A este efecto, se inyecta hidrógeno del depósito R1:

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por una parte, en la cámara de inyección 5, como se ilustra por las flechas E5; y

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por otra parte, en la tobera 4 por medio del conducto C1c, de la cámara 14 y de la tobera de escape, 15, como se ilustra por las flechas E6.

Se quema este hidrógeno con aire del chorro principal F5.

En este modo de puesta en práctica, la válvula V2c está cerrada y la cámara no realiza ninguna combustión en la cámara 14.

Finalmente, la presente invención permite igualmente poner en práctica una aceleración terminal, tal como se representa en la figura 6, en la cual sólo el motor cohete 9 funciona y quema hidrógeno del depósito R1 (flechas E7) con el oxígeno del depósito R3 (flechas F6).

En este caso, únicamente las válvulas V1b y V3 están abiertas y únicamente las bombas P1b y P3 están en funcionamiento.

Se observará además que, en el ámbito de la presente invención, el motor 1 puede comportar varios depósitos de hidrógeno, utilizados simultánea o sucesivamente.

Claims (10)

1. Motor mixto del tipo susceptible de poner en práctica al menos un modo estatorreactor y un modo superestatorreactor y que comporta al menos un sistema motor principal (3, 4, 5, 8) que quema combustible y que comprende al menos una entrada de aire (3) para un chorro de aire (F), una cámara de combustión principal (8) y una tobera de escape principal (4), siendo una parte del aire captado por dicha entrada de aire (3) desviado del chorro de aire (F) antes de su entrada en dicha cámara de combustión (8) y almacenado en unos primeros medios (10),

caracterizado:

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porque dichos primeros medios (10) almacenan aire así desviado en modo estatorreactor; y

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porque están previstos unos segundos medios (11) para quemar, en modo superestatorreactor, una parte de un combustible de dicho motor (1) con el aire almacenado por dichos primeros medios (10), antes de inyectarlo en dicho sistema motor principal (3, 4, 5, 8).

2. Motor según la reivindicación 1,

caracterizado porque dichos primeros medios (10) comprenden unos medios (12) para enfriar y licuar el aire desviado y al menos un depósito de almacenamiento (R2) para almacenar el aire así licua-
do.

3. Motor según la reivindicación 2,

caracterizado porque dichos medios (12) para licuar el aire comportan al menos un intercambiador (13) que utiliza un combustible del motor (1).

4. Motor según la reivindicación 3,

caracterizado porque dicho intercambiador (13) utiliza además un fluido auxiliar destinado a evitar, en caso de fugas, cualquier contacto entre el aire y dicho combustible.

5. Motor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4,

caracterizado porque dichos segundos medios (11) comportan al menos una cámara de combustión auxiliar (14) provista de al menos una tobera de escape secundaria (15).

6. Motor según la reivindicación 5, caracterizado porque dicha tobera de escape secundaria está dispuesta de manera que desemboque en dicha cámara de combustión principal (8).

7. Motor según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizado porque dicha tobera de escape secundaria (15) está dispuesta de manera que desemboque en dicha tobera de escape principal (4).

8. Motor según una de las reivindicaciones 5 a 7, que comporta al menos un dispositivo de inyección (6) para inyectar un combustible en una cámara de inyección (5) situada por delante de la cámara de combustión principal (8) en el sentido de flujo del aire (F), caracterizado porque dicha cámara de combustión auxiliar está dispuesta en dicho dispositivo de inyección (6) y porque dicha tobera de escape secundaria desemboca en dicha cámara de inyección (5).

9. Motor según la reivindicación 8, caracterizado porque comporta una pluralidad de cámaras de combustión auxiliares dispuestas en dicho dispositivo de inyección (5).

10. Motor según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9,

caracterizado porque integra además un modo acelerador, para al menos una aceleración inicial, en la cual se realiza una combustión que utiliza comburente que está almacenado en un depósito de comburente (R2) y porque dicho depósito de almacenamiento (R2) del aire desviado corresponde a dicho depósito de comburente (R2).