ES2320958A1 - Combustion gas recirculation device for turbocharged engines, engine comprising said device, and motor vehicle comprising said engine - Google Patents
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Abstract
Description
Dispositivo de recirculación de gases de combustión para motores turboalimentados, motor que comprende dicho dispositivo y vehículo automóvil que comprende dicho motor.Gas recirculation device combustion for turbocharged engines, engine comprising said device and motor vehicle comprising said engine.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo de recirculación de gases de combustión para motores turboalimentados, un segundo aspecto se refiere a un motor que comprende dicho dispositivo y por último, un tercer aspecto se refiere a un vehículo automóvil que comprende dicho motor; teniendo aplicación, dichos tres aspectos, en la industria mecánica, y de manera preferente en el ámbito de la automoción.A first aspect of the present invention is refers to a combustion gas recirculation device for turbocharged engines, a second aspect refers to a engine comprising said device and finally a third aspect refers to a motor vehicle comprising said engine; having application, said three aspects, in the industry mechanical, and preferably in the field of automotive.
Los motores de combustión interna alternativos son motores térmicos que comprenden un proceso de combustión que produce unos gases que actúan sobre un émbolo o pistón que se encuentra alojado de manera ajustada en el interior de un cilindro o camisa, produciendo su desplazamiento en el interior de dicho cilindro. Por un extremo opuesto al de actuación de los gases los émbolos están vinculados a un cigüeñal, obteniéndose finalmente un movimiento de rotación de dicho cigüeñal a partir de un movimiento lineal alternativo de cada émbolo que comprende el motor.Alternative internal combustion engines they are thermal engines that comprise a combustion process that produces gases that act on a piston or piston that is tightly housed inside a cylinder or shirt, producing its displacement inside said cylinder. At an opposite end to the action of the gases the pistons are linked to a crankshaft, finally obtaining a rotation movement of said crankshaft from a movement Linear alternative of each piston comprising the engine.
En estos motores cada ciclo comprende cuatro procesos, establecidos, bien en dos tiempos o cuatro tiempos, en los cuales cada cilindro admite el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de admisión y de escape respectivamente. Dichas válvulas están configuradas para mantenerse en situación de cierre, debido a la acción de un muelle, hasta que se requiere su apertura en un instante determinado, lo cual suele estar controlado por la actuación de un árbol de levas que gira de manera sincronizada por la acción del cigüeñal, que acciona dicho árbol de levas, estando todo el conjunto coordinado mediante una correa de distribución.In these engines each cycle comprises four processes, established, either in two or four times, in the which each cylinder admits the fuel and expels the gases at through intake and exhaust valves respectively. These valves are configured to stay in a situation of closing, due to the action of a spring, until its opening at a certain time, which is usually controlled by the performance of a camshaft that rotates so synchronized by the action of the crankshaft, which drives said shaft cams, the whole assembly being coordinated by a belt distribution.
Durante el funcionamiento cíclico o alternativo de este tipo de motores se plantea la necesidad de sustituir los gases que se producen en la combustión, por una nueva de mezcla de aire y combustible en el interior de cada cilindro, en lo que se denomina como proceso de renovación de la carga o proceso de alimentación.During cyclic or alternative operation of this type of engines there is a need to replace the gases produced in combustion, by a new mixture of air and fuel inside each cylinder, as far as denominated as process of renewal of the load or process of feeding.
Los motores de combustión interna alternativos incorporan un sistema o medios de recirculación, habitualmente conocidos por sus siglas en inglés como sistemas EGR, Exhaust Gas Recirculation, con el objeto de reducir de forma considerable las emisiones de óxido de nitrógeno y/o dióxido de nitrógeno (NOx), y cumplir con la normativa vigente relativas a la emisión de sustancias contaminantes.Alternative internal combustion engines incorporate a recirculation system or means, commonly known by its acronym in English as EGR systems , Exhaust Gas Recirculation , in order to significantly reduce emissions of nitrogen oxide and / or nitrogen dioxide ( NOx), and comply with current regulations regarding the emission of polluting substances.
Los sistemas de recirculación actualmente utilizados se basan en la conexión del colector de escape con el colector de admisión, de forma que el gas circula, de manera no forzada, de un colector a otro colector en función de las presiones medias existentes en cada uno de dichos colectores.The recirculation systems currently used are based on the connection of the exhaust manifold with the intake manifold, so that the gas circulates, so not forced, from one collector to another collector depending on the pressures existing averages in each of said collectors.
Al hacer recircular parte del gas resultante de la combustión, introduciéndolo de nuevo en el motor, convenientemente mezclado con aire fresco o limpio, se consigue incrementar la capacidad calorífica de la mezcla, lo cual produce una reducción de la temperatura pico de combustión, con lo que se consigue limitar la formación de NOx, que se produce fundamentalmente a altas temperaturas.By recirculating part of the gas resulting from combustion, introducing it back into the engine, conveniently mixed with fresh or clean air, you get increase the heat capacity of the mixture, which produces a reduction in the peak combustion temperature, thereby manages to limit the formation of NOx, which occurs fundamentally at high temperatures.
El inconveniente principal que tienen los sistemas de recirculación actualmente utilizados para el caso de los motores turboalimentados, es que la presión en el colector de admisión y la presión en el colector de escape están determinadas por el punto de operación del motor en cada instante, de forma que existen momentos en los que la presión del colector de admisión supera a la presión del colector de escape, con lo que se produce un flujo de gases de forma inversa a lo requerido.The main drawback of recirculation systems currently used in the case of turbocharged engines, is that the pressure in the manifold of intake and pressure in the exhaust manifold are determined by the point of operation of the engine at every moment, so that there are times when the intake manifold pressure exceeds the pressure of the exhaust manifold, which produces a gas flow inversely to what is required.
En estos casos es imposible efectuar la recirculación de gas de escape sin ayuda de algún elemento o sistema auxiliar, como por ejemplo la utilización dispositivos que aprovechan el efecto Venturi o válvulas unidireccionales construidas a base de láminas, lo que encarece el sistema de recirculación y en la mayoría de los casos limita el régimen operativo del mismo.In these cases it is impossible to carry out the exhaust gas recirculation without the help of any element or auxiliary system, such as the use of devices that take advantage of the Venturi effect or unidirectional valves made of sheets, which makes the system more expensive recirculation and in most cases limits the regime Operational of the same.
Por lo tanto, la capacidad para conseguir un flujo o caudal de gas recirculado suficiente depende de la presión existente en el colector de escape y de la presión existente en el colector de admisión. Asimismo dicha capacidad de recirculación depende de las características específicas de funcionamiento del motor y de los elementos de cada sistema de recirculación, considerando factores como las pérdidas de carga en conducciones o tuberías del sistema de recirculación.Therefore, the ability to get a sufficient recirculated gas flow or flow depends on the pressure existing in the exhaust manifold and of the pressure existing in the intake manifold. Also said capacity of recirculation It depends on the specific operating characteristics of the motor and the elements of each recirculation system, considering factors such as load losses in pipes or recirculation system pipes.
Tal y como se ha comentado anteriormente las normativas relativas a emisiones contaminantes para motores de combustión son cada vez más estrictas, requiriendo un incremento del caudal de gas recirculado así como una ampliación de la zona en la que se produce dicha recirculación, para lo cual se requiere la utilización de dispositivos auxiliares, cada uno de los cuales presenta una serie de inconvenientes y limitaciones, tal y como se expone a continuación.As previously mentioned the regulations regarding pollutant emissions for engines combustion are increasingly strict, requiring an increase of the recirculated gas flow as well as an extension of the area in which occurs said recirculation, for which the use of auxiliary devices, each of which It presents a series of drawbacks and limitations, as set out below.
Por un lado algunos sistemas de recirculación comprenden tubos de Venturi, que presentan el inconveniente de no conseguir totalmente el caudal de gas recirculado requerido, de forma que sólo solucionan el problema de forma parcial, además de provocar una pérdida de presión en el colector de admisión que en algunos casos reduce de forma considerable la entrada de aire fresco al motor, con la consiguiente reducción en el rendimiento del mismo.On the one hand some recirculation systems they include Venturi tubes, which have the disadvantage of not fully achieve the required recirculated gas flow, of so that they only partially solve the problem, in addition to cause a loss of pressure in the intake manifold that in some cases significantly reduce air intake cool to the engine, with the consequent reduction in performance of the same.
Por otro lado, existen sistemas de recirculación que comprenden la utilización de láminas, teniendo el inconveniente de tener una vida útil bastante reducida, debido en gran medida a las tensiones mecánicas y térmicas a las que dichas láminas se encuentran sometidas.On the other hand, there are recirculation systems which include the use of sheets, having the inconvenience of having a fairly short life, due to greatly to the mechanical and thermal stresses at which said sheets are subject.
Además, ninguno de estos sistemas de recirculación permite la regulación del gas recirculado, de forma que, generalmente requieren de la utilización de una válvula adicional que permita la regulación del caudal de gas recirculado, lo que encarece el coste del motor.In addition, none of these systems recirculation allows the regulation of recirculated gas, so which generally require the use of a valve additional that allows the regulation of the flow of recirculated gas, which increases the cost of the engine.
Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo de recirculación de gases de combustión para motores turboalimentados, que permite conseguir una recirculación de gas de combustión aún en condiciones adversas de presión, es decir en instantes en los que la presión media en un colector de admisión supera la presión media en un colector de escape.A first aspect of the present invention is refers to a combustion gas recirculation device for turbocharged engines, which allows to achieve a recirculation of combustion gas even under adverse conditions of pressure, that is in moments when the average pressure in a intake manifold exceeds the average pressure in a manifold escape.
La invención permite evitar la utilización de elementos que, para producir recirculación de gas en instantes en los que la presión media en el colector de admisión supera la presión media en el colector de escape, introducen una pérdida de presión en el colector de admisión, lo que reduciría la entrada de aire fresco al motor, con la consiguiente reducción en el rendimiento del mismo.The invention allows to avoid the use of elements that, to produce gas recirculation in moments in which the average pressure in the intake manifold exceeds the average pressure in the exhaust manifold, introduce a loss of pressure in the intake manifold, which would reduce the input of fresh air to the engine, with the consequent reduction in performance of it.
La invención permite introducir en el colector de admisión de los motores de combustión interna alternativos (MCIA), gas de combustión procedente del colector de escape, en condiciones en las que la presión media de admisión es superior a la presión media de escape. Esta acción permite disminuir en gran medida las emisiones de óxidos de Nitrógeno (NOx) por parte del motor.The invention allows to enter the collector of intake of alternative internal combustion engines (MCIA), combustion gas from the exhaust manifold, in conditions in which the average intake pressure is greater than The average exhaust pressure. This action allows to decrease greatly Measure the emissions of nitrogen oxides (NOx) by the engine.
El dispositivo está comprendido en un sistema de recirculación de gases de combustión de un motor, es decir en un sistema EGR.The device is included in a system of recirculation of flue gases from an engine, that is to say in a EGR system
El dispositivo de producción de recirculación de gases de combustión objeto de la invención comprende una carcasa hueca que está situada entre al menos un colector de escape y al menos un colector de admisión.The recirculation production device of combustion gases object of the invention comprises a housing hollow which is located between at least one exhaust manifold and at less an intake manifold.
Por otro lado el dispositivo comprende un disco, que está alojado en el interior de una carcasa, estando configurado dicho disco para girar, preferentemente respecto a un eje que está fijado al disco en un orificio central, de manera operativamente sincronizada con el motor, por ejemplo mediante su vinculación con un árbol del motor, como puede ser un árbol de levas o una bomba de inyección del motor.On the other hand the device comprises a disk, which is housed inside a housing, being configured said disk to rotate, preferably with respect to an axis that is fixed to the disk in a central hole, operatively synchronized with the engine, for example by linking with a motor shaft, such as a camshaft or a pump Engine injection
Cuando el disco efectúa un movimiento de rotación, está configurado para abrir y/o cerrar un conducto que comunica el interior de la carcasa con cada colector de escape por los que se va a hacer pasar el gas a recircular. Dicha apertura y/o cierre se produce mediante una disposición enfrentada de los conductos con una pluralidad de aberturas radiales que comprende el disco, operativamente distribuidas según direcciones radiales desde su centro geométrico, lo que produce una recirculación de gas de combustión desde cada uno de los colectores de escape, de manera alternativa en un instante de presión máxima en cada uno de dichos colectores de escape, merced a los picos de presión instantánea existentes los mismos.When the disc makes a movement of rotation, is configured to open and / or close a conduit that communicates the inside of the housing with each exhaust manifold by those who are going to pass the gas to recirculate. Said opening and / or closure occurs through a conflicting arrangement of the ducts with a plurality of radial openings comprising the disk, operatively distributed according to radial directions from its geometric center, which produces a gas recirculation of combustion from each of the exhaust manifolds, so alternative in an instant of maximum pressure in each of said exhaust manifolds, thanks to instantaneous pressure peaks existing ones.
De esta forma el disco está situado entre al menos un colector de escape y el colector de admisión de un motor mediante tubos que comprende el sistema de recirculación EGR. Se contempla como posibilidad que los conductos de comunicación con cada colector de escape estén practicados en un disco fijo que comprende la carcasa, y que está situado en el lado del colector de escape de manera enfrentada con el disco, es decir el disco fijo, o bien la carcasa en el caso de que el disco fijo se encuentre integrado en dicha carcasa, comprende tantos conductos como colectores independientes de escape comunique. Obviamente el disco fijo puede estar integrado en la propia carcasa o estar fijado a la misma.In this way the disk is located between the minus an exhaust manifold and the intake manifold of an engine by tubes comprising the EGR recirculation system. Be contemplates as a possibility that the communication channels with each exhaust manifold is practiced on a fixed disk that comprises the housing, and which is located on the collector side of escape facing the disk, that is, the fixed disk, or the case in case the fixed disk is integrated into said housing, it comprises as many ducts as independent exhaust manifolds communicate. Obviously the disk fixed can be integrated into the housing itself or be fixed to the same.
Un calado adecuado de la secuencia de aperturas y cierres, puede producir la recirculación de gas merced a los picos de presión instantánea existentes en el colector de escape de todos los motores alternativos.An adequate draft of the opening sequence and closures, can produce gas recirculation thanks to the instantaneous pressure peaks in the exhaust manifold of All alternative engines.
El diseño y la configuración tanto del disco como de la carcasa, dependen del número de cilindros que comprenda el motor y de la constitución del colector de escape, que puede ser un conjunto común o un colector partido.The design and configuration of both the disk as the case, depend on the number of cylinders you understand the engine and the constitution of the exhaust manifold, which can be a common set or a split collector.
Se contempla la posibilidad de que las aberturas radiales estén operativamente desfasadas de forma que el disco esté configurado para abrir y/o cerrar cada conducto y regular así el caudal de gas recirculado, mediante el desfase en la apertura y cierre de los conductos de la carcasa.The possibility of openings is contemplated radials are operationally outdated so that the disk be configured to open and / or close each duct and regulate as well the flow of recirculated gas, by means of the lag in the opening and enclosure duct closure.
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Así pues, de acuerdo con la invención descrita, el dispositivo de recirculación de gases de combustión para motores turboalimentados que la invención propone constituye un avance en los dispositivos hasta ahora utilizados y resuelve de manera plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta en la línea de cumplir con la normativa relativa a emisiones contaminantes para motores de combustión, consiguiendo aumentar el caudal de gas recirculado y ampliar la zona en la que se produce dicha recirculación.Thus, according to the described invention, the combustion gas recirculation device for engines turbocharged that the invention proposes constitutes an advance in the devices so far used and solves so the problem described above in fully satisfactory the line of complying with emissions regulations pollutants for combustion engines, increasing the recirculated gas flow and expand the area in which it is produced said recirculation.
La invención consigue la recirculación deseada sin provocar una pérdida de presión en el colector de admisión, lo que reduciría la entrada de aire fresco al motor, tal y como sucedía con los sistemas que comprende tubos de Venturi.The invention achieves the desired recirculation without causing a loss of pressure in the intake manifold, what which would reduce the entry of fresh air into the engine, just as It happened with systems comprising Venturi tubes.
Por otro lado el dispositivo de la invención tiene una elevada duración o vida útil, soportando sin problemas las tensiones mecánicas y térmicas a las que está sometido durante su servicio, a diferencia de los sistemas de láminas.On the other hand the device of the invention It has a high duration or useful life, supporting without problems the mechanical and thermal stresses to which it is subjected during its service, unlike sheet systems.
Además el dispositivo no requiere una válvula adicional para la regulación del caudal de gas recirculado, a diferencia de los sistemas actualmente utilizados.In addition the device does not require a valve additional for the regulation of the flow of recirculated gas, to Unlike the systems currently used.
Por otro lado, un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un motor turboalimentado que comprende un dispositivo de recirculación de gases de combustión de acuerdo con cualquiera de los dispositivos anteriormente descritos.On the other hand, a second aspect of the present invention relates to a turbocharged engine comprising a flue gas recirculation device according to any of the devices described above.
Por último, un tercer aspecto de la presente invención se refiere a un vehículo automóvil que comprende un motor turboalimentado de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención.Finally, a third aspect of this invention refers to a motor vehicle comprising an engine turbocharged according to the second aspect of this invention.
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being performing and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, according to a preferred example of practical realization of it, is accompanied as part member of that description, a set of drawings where with illustrative and non-limiting nature, what has been represented next:
La figura 1.- Muestra una vista en perspectiva explosionada del disco y el eje que comprende el dispositivo de la invención, en la que pueden apreciarse las aberturas radiales y el orificio central del disco.Figure 1.- Shows a perspective view exploded disk and the axis comprising the device of the invention, in which the radial openings and the central hole of the disc.
La figura 2.- Muestra una vista en perspectiva del disco alojado en la carcasa, que se muestra parcialmente desmontada para una mejor apreciación del disco en su interior.Figure 2.- Shows a perspective view of the disk housed in the case, which is partially shown disassembled for a better appreciation of the disk inside.
La figura 3.- Muestra una vista en perspectiva como la de la figura anterior pero sin el disco, en la que puede apreciarse el disco fijo que comprende la carcasa, así como los conductos de dicho disco fijo, que comunican el interior de la carcasa con los colectores de escape.Figure 3.- Shows a perspective view like the one in the previous figure but without the disk, in which you can appreciate the fixed disk comprising the housing, as well as the conduits of said fixed disk, which communicate the interior of the housing with exhaust manifolds.
La figura 4.- Muestra una sección longitudinal del dispositivo de la invención, en la que puede apreciarse la situación de las aberturas radiales del disco con respecto a los conductos del disco fijo, habiéndose representado con una flecha el flujo de gas recirculado desde el colector de escape al colector de admisión.Figure 4.- Shows a longitudinal section. of the device of the invention, in which the situation of radial disc openings with respect to ducts of the fixed disk, the arrow having been represented by recirculated gas flow from the exhaust manifold to the manifold admission.
La figura 5.- Muestra una vista en perspectiva del dispositivo situado en un sistema de recirculación de gas de combustión que comprende un motor turboalimentado.Figure 5.- Shows a perspective view of the device located in a gas recirculation system of combustion comprising a turbocharged engine.
A la vista de las figuras reseñadas puede observarse como en una de las posibles realizaciones del primer aspecto de la invención, el dispositivo de recirculación de gases de combustión para motores turboalimentados comprende una carcasa (3) hueca que está situada entre al menos un colector de escape (5) y el colector de admisión (6).In view of the figures outlined you can be observed as in one of the possible embodiments of the first aspect of the invention, the gas recirculation device of combustion for turbocharged engines comprises a housing (3) hollow that is located between at least one exhaust manifold (5) and the intake manifold (6).
Asimismo, el dispositivo comprende un disco (1), alojado en un interior de la carcasa (3), estando configurado dicho disco (1) para girar, respecto a un eje (4) que está fijado al disco (1) en un orificio central (2), de manera operativamente sincronizada con el motor.Also, the device comprises a disk (1), housed inside an enclosure (3), being configured said disk (1) to rotate, relative to an axis (4) that is fixed to the disk (1) in a central hole (2), operatively synchronized with the engine.
Tal y como se puede apreciar en la figura 4, el disco (1) está configurado para abrir y/o cerrar un conducto (9) que comunica el interior de la carcasa (3) con cada colector de escape (5) por los que se va a hacer pasar el gas a recircular. Dicha apertura y/o cierre se produce mediante una disposición enfrentada de los conductos (9) con una pluralidad de aberturas radiales (8) que comprende el disco (1), operativamente distribuidas según direcciones radiales desde su centro geométrico, lo que produce una recirculación de gas de combustión desde cada uno de los colectores de escape (5), de manera alternativa en un instante de presión máxima en cada uno de dichos colectores de escape (5), merced a los picos de presión instantánea existentes los mismos.As can be seen in Figure 4, the disk (1) is configured to open and / or close a duct (9) which communicates the inside of the housing (3) with each collector of Exhaust (5) through which the gas to be recirculated will be passed. Said opening and / or closing occurs by means of a provision facing the ducts (9) with a plurality of openings radial (8) comprising the disk (1), operatively distributed according to radial directions from its geometric center, which produces a recirculation of combustion gas from each one of the exhaust manifolds (5), alternatively in a maximum pressure instant in each of said manifolds of Exhaust (5), thanks to existing instantaneous pressure peaks the same.
La carcasa (3) comprende un disco fijo (7) que tiene practicados los conductos (9) de comunicación con cada colector de escape (5), estando situado dicho disco fijo (7) en el lado del colector de escape (5) de manera enfrentada con el disco (1), de forma que el disco fijo (7) comprende tantos conductos (9) como colectores de escape (5) comunique, en este caso tiene dos conductos (9).The housing (3) comprises a fixed disk (7) that It has practiced the conduits (9) of communication with each exhaust manifold (5), said fixed disk (7) being located in the side of the exhaust manifold (5) facing the disc (1), so that the fixed disk (7) comprises so many ducts (9) as exhaust manifolds (5) communicate, in this case it has two ducts (9).
Las aberturas radiales (8) están operativamente desfasadas de forma que el disco (1) está configurado para abrir y/o cerrar cada conducto (9) y regular así el caudal de gas recirculado, mediante el desfase en la apertura y cierre de los conductos (9) de la carcasa (3).The radial openings (8) are operatively out of phase so that the disk (1) is set to open and / or close each duct (9) and thus regulate the gas flow recirculated, through the lag in the opening and closing of ducts (9) of the housing (3).
Por otro lado, un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un motor turboalimentado que comprende un dispositivo de recirculación de gases de combustión de acuerdo con el dispositivo anteriormente descritos.On the other hand, a second aspect of the present invention relates to a turbocharged engine comprising a flue gas recirculation device according to the device described above.
Por último, un tercer aspecto de la presente invención se refiere a un vehículo automóvil que comprende un motor turboalimentado de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención.Finally, a third aspect of this invention refers to a motor vehicle comprising an engine turbocharged according to the second aspect of this invention.
A la vista de esta descripción y juego de figuras, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.In view of this description and game of figures, the expert in the field may understand that the Embodiments of the invention that have been described may be combined in multiple ways within the object of the invention. The invention has been described according to some embodiments. Preferred, but for the person skilled in the art it will be clear that multiple variations can be introduced into said preferred embodiments without exceeding the object of the claimed invention.
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2008
- 2008-03-13 WO PCT/ES2008/000140 patent/WO2008110647A1/en active Application Filing
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Also Published As
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Ref document number: 2320958B1 Country of ref document: ES |