ES2500190T3

ES2500190T3 - Dispositivo para reducir emisiones en un vehículo de motor de combustión

Info

Publication number: ES2500190T3
Application number: ES07835159.0T
Authority: ES
Inventors: Jan Eismark; Michael Balthasar
Original assignee: Volvo Lastvagnar AB
Current assignee: Volvo Truck Corp
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2014-09-30
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: JP5226795B2; EP2215338A4; US8499735B2; BRPI0722151A2; US20100258076A1; CN101970828B; BRPI0722151B1; EP2215338A1; CN101970828A; EP2215338B1; WO2009058055A1; JP2011502226A

Abstract

Un motor de combustión interna (1) con una cámara de combustión (7), que comprende: un cuerpo del motor que incluye un cilindro del motor (2), una cabeza del cilindro (14) que forma una superficie interna (21) de la cámara de combustión (7) y al menos una abertura de admisión (9); un pistón (3) colocado para un movimiento oscilante en dicho cilindro del motor (2) entre una posición de punto muerto inferior y una posición de punto muerto superior, incluyendo dicho pistón una cabeza del pistón (16) que comprende una superficie superior (5) orientada hacia la cámara de combustión, conteniendo dicha cabeza del pistón una concavidad del pistón (6) formada por una cavidad que se abre hacia fuera, comprendiendo dicha concavidad del pistón una parte sobresaliente (17) que tiene un extremo distal (18) y una sección interna del suelo de la concavidad (19) que se extiende hacia abajo en un ángulo interior del suelo de la concavidad () en dirección horaria desde un plano perpendicular a un eje de oscilación (15) del pistón (3) y cuando se ve en una vista de una mitad derecha del pistón, dicha concavidad del pistón comprende además una sección externa de la concavidad (20) acampanada hacia fuera que tiene una forma cóncava curvilínea en sección transversal; un inyector (13) montado en el cuerpo del motor contiguamente a dicha parte sobresaliente de dicha concavidad del pistón para inyectar combustible en la cámara de combustión con una elevada presión de inyección, comprendiendo dicho inyector una pluralidad de orificios dispuestos para formar penachos de chorros de combustible pulverizado, que durante su progreso se convierten en llamas encendidas que impactan dentro de áreas de impacto predeterminadas sobre dicha sección externa de la concavidad (20), caracterizado porque dichas áreas de impacto están en la sección externa de la concavidad (20) durante la mayor parte de la inyección debido a que un eje central de cada orificio está orientado en un ángulo de pulverización () medido entre un plano perpendicular al eje de oscilación del pistón y un eje central (30) de cada chorro pulverizado, de modo que el eje de pulverización (30) impacta en la sección externa de la concavidad (20) y la geometría de la sección interna del suelo de la concavidad (19) en relación al eje de pulverización (30) es tal que hay un volumen y distancia entre la sección interna del suelo de la concavidad y el eje de pulverización (30) tal que se evita perturbar el contacto entre la parte del chorro pulverizado próxima a la boquilla no encendida y la sección interna de la concavidad, y porque sustancialmente a medio camino entre dichas áreas de impacto en la sección externa de la concavidad (20) y en un plano perpendicular a dicho movimiento oscilante se dispone un primer tipo de salientes que sobresalen dentro de la cámara de combustión (7) y que tienen una forma suavizada adaptada para conservar la energía cinética de la llama y para redirigir el progreso circunferencial de la llama principalmente hacia un eje central del pistón (3) con una interacción mínima llama con llama, en donde cada uno de dichos salientes tiene la forma de una cresta longitudinal que se extiende tan solo en el área externa de la concavidad en un plano sustancialmente paralelo a dicho movimiento oscilante, y en donde una sección transversal, perpendicular a la extensión de dicha cresta, de una parte superior de dicha cresta se forma con una forma curva con un radio promedio que es al menos 1/20 de un radio (R3) de la concavidad del pistón de dicho pistón (3), y en donde cada mitad de una anchura (43) de la base de una cresta se puede extender hasta un tercio de una distancia total (42) de sector de pulverización a lo largo de la forma circular de una sección externa de la concavidad.

Description

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para reducir emisiones en un vehículo de motor de combustión

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo para controlar el proceso de combustión en un motor de combustión. La invención se refiere especialmente a tal dispositivo para reducir especialmente emisiones de hollín, aunque asimismo de monóxido de carbono e hidrocarburos en motores de combustión en los cuales la mezcla de combustible/gas del cilindro se enciende por el calor de compresión generado en el cilindro.

Antecedentes de la invención

Las partículas de hollín (o particulado) son un producto que, durante la combustión, se puede formar y oxidar subsecuentemente en dióxido de carbono (CO2). La cantidad de partículas de hollín medidas en los gases de escape es la diferencia neta entre el hollín formado y el hollín oxidado. El proceso es muy complicado. La combustión con una mezcla de combustible/aire rica en combustible con un mal mezclado a alta temperatura produce una elevada formación de hollín. Si las partículas de hollín formadas se pueden combinar con sustancias oxidantes tales como átomos de oxígeno (O), moléculas de oxígeno (O2), hidróxido (OH) a una temperatura suficientemente elevada para una buena tasa de oxidación, entonces una gran parte de las partículas de hollín pueden ser oxidadas. En un motor diesel, el proceso de oxidación se considera que es del mismo orden de magnitud que la formación, lo que significa que la producción neta de hollín es la diferencia entre la cantidad de hollín formada y la cantidad de hollín oxidada. Por lo tanto, se puede influir en la emisión neta de hollín en primer lugar reduciendo la formación de hollín y en segundo lugar aumentando la oxidación del hollín. Las emisiones de monóxido de carbono (CO) y emisiones de hidrocarburos (HC) son normalmente muy bajas para un motor diesel. Aun así, los porcentajes pueden elevarse si combustible sin quemar acaba en regiones relativamente frías. Tales regiones son, en concreto, zonas con una refrigeración intensa situadas cerca de la pared del cilindro. Otro ejemplo son cavidades entre el pistón y la camisa del cilindro.

Óxidos de nitrógeno (NOx) se forman a partir del contenido de nitrógeno del aire en un proceso térmico que tiene una dependencia fuerte con la temperatura y depende del tamaño del volumen calentado y la duración del proceso.

Un proceso de combustión en el cual se inyecta directamente combustible en el cilindro y se enciende aumentando la temperatura y la presión en el cilindro se denomina generalmente como el proceso diesel. Cuando se enciende el combustible en el cilindro, los gases de combustión presentes en el cilindro sufren un mezclado turbulento con el combustible ardiendo, de modo que se forma una llama de difusión controlada por mezcla. La combustión de la mezcla de combustible/gas en el cilindro da lugar a generación de calor, lo que provoca que el gas en el cilindro se expanda y provoque así que el pistón se mueva en el cilindro. Dependiendo de un número de parámetros, tales como la presión de inyección del combustible, la cantidad de gases de escape recirculados al cilindro, el tiempo de inyección del combustible y la turbulencia predominante en el cilindro, se obtienen diferentes valores de eficiencia y emisión del motor.

A continuación siguen dos ejemplos de configuraciones del estado de la técnica que intentan bajar las emisiones tanto de hollín como de NOx controlando la llama e intentando frenar el bien conocido “balance” entre emisiones de hollín y emisiones de óxido de nitrógeno, que es típico del motor diesel, “balance” en el que es difícil influir. La mayoría de las medidas para reducir emisiones de hollín aumentan las emisiones de óxido de nitrógeno.

El documento EP1216347 muestra una configuración para controlar el proceso de combustión en un motor de combustión controlando la llama de combustión, con el propósito de disminuir emisiones de hollín y NOx. El combustible se inyecta en la cámara de combustión con una energía cinética lo suficientemente alta (alta presión de inyección) para suministrar energía cinética al chorro pulverizado de tal modo que se consiga un proceso de mezclado interno del chorro pulverizado y un proceso de mezclado global a gran escala entre el combustible y el gas del cilindro, manteniendo así las emisiones de hollín por debajo de un nivel seleccionado. Se selecciona una proparte de gas de escape recirculado de tal modo que las emisiones de óxido de nitrógeno se mantengan por debajo de un nivel seleccionado.

El documento US6732703 muestra una configuración para minimizar emisiones de NOx y partículas de hollín. Aquí, el combustible pulverizado golpea una sección interna del suelo de la concavidad durante la inyección con el fin de enfriar la combustión y disminuir así la creación de NOx. El combustible se inyecta con una elevada presión y el pistón está conformado para mantener el momento cinético en el penacho del chorro pulverizado/llama y la mezcla de combustible/aire de modo que tenga lugar un buen mezclado del oxígeno disponible y el hollín más adelante en el proceso de combustión. Se pierde una gran cantidad de momento cinético cuando el penacho del chorro pulverizado golpea la sección interna del suelo de la concavidad y cuando dos llamas contiguas se golpean entre sí durante el progreso circunferencial de la llama.

15

25

35

45

55

65

E07835159

08-09-2014

El documento US5215052 da a conocer una configuración para mejorar una mezcla de combustible/aire y disminuir las pérdidas de flujo de la expansión de la llama en una dirección circunferencial en el espacio de combustión. Esto se lleva a cabo proporcionando un pistón con una cavidad del pistón superficial, y depresiones en el fondo de la cavidad de modo que tengan una forma corrugada en relación con la dirección circunferencial de la cavidad del pistón, y principalmente en un plano perpendicular al movimiento oscilante del pistón. Aun así, se perderá una gran cantidad de momento cinético cuando la llama progrese en una dirección circunferencial que es perpendicular al movimiento oscilante del pistón. Esta configuración no está adaptada para una oxidación posterior del hollín mejorada.

El documento JP59010733 da a conocer una cámara de combustión 8 con salientes 10 en la parte superior y dentro de la concavidad del pistón. Existe un saliente para cada chorro pulverizado. Cada chorro pulverizado de combustible tiene como objetivo su saliente de modo que aumente la velocidad de flujo del chorro pulverizado a lo largo de la pared circunferencial de la concavidad del pistón cuando se lanza contra el saliente. Se pierde una gran cantidad de momento cinético especialmente cuando llamas contiguas se golpean entre sí durante el progreso circunferencial de la llama.

El documento JP59010733 da a conocer una cámara de combustión que comprende solo salientes que corresponden al segundo tipo de salientes en la presente solicitud, es decir, progreso de llama a pared del combustible inyectado. JP59010733 se refiere a motores con turbulencia.

El documento JP63195315 da a conocer una cámara de combustión que comprende salientes que se corresponden en algún sentido con el primer tipo de salientes en la presente solicitud. El combustible inyectado choca con la pared interna con un ángulo θ1-4 con el fin de crear una turbulencia. El combustible inyectado golpea la pared no a medio camino entre los salientes como en la presente invención, sino en algún sitio alrededor de un tercio del camino entre dos salientes. No hay interacción llama con llama. Una penacho del chorro pulverizado en JP63195315 golpea además la pared en lo alto de la concavidad del pistón y redirige la mayor parte del penacho del chorro pulverizado en dirección descendente.

El documento JP63195315 da a conocer una cámara de combustión que comprende salientes que se corresponden asimismo en algún sentido con el primer tipo de salientes en la presente solicitud. Un penacho del chorro pulverizado en JP60093115 golpea asimismo la pared en lo alto de la concavidad del pistón, y redirige la mayor parte de la penacho de pulverizado en dirección descendente. Además, salientes 5 con una elevación b se disponen en lo alto de la concavidad del pistón, formando parte del borde entre la concavidad del pistón y la cara superior del pistón. El propósito de esta geometría es hacer hueco para insertar una bujía de caldeo 10 en la cámara de combustión sin que choque con la pared.

Debido a legislación de emisiones para motores de combustión que puede aparecer en el futuro existe una necesidad de bajar aún más los niveles de emisión de hollín con el fin de satisfacer exigencias futuras.

Resumen de la invención

Por lo tanto, un objeto de la presente invención es superar las deficiencias del estado de la técnica anterior y proporcionar un motor de combustión interna que contiene una configuración de cámara de combustión diseñada para reducir emisiones de hollín indeseadas lo suficientemente como para satisfacer nuevos límites regulatorios. Así pues, un objetivo importante de la invención objeto es minimizar la cantidad de hollín promoviendo una recirculación eficiente de la llama y “ahorrando” así energía de mezclado para la oxidación final del hollín y el resto del combustible. La reducción de hollín es especialmente importante para combustibles tales como, por ejemplo, el diesel. La invención contribuye además a la reducción de emisiones de monóxido de carbono (CO) y emisiones de hidrocarburos (HC). La reducción de CO y HC se vuelve especialmente importante para combustibles tales como por ejemplo el DME (éter dimetílico).

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un motor en el que la forma, posición y dimensiones de diversos elementos de la configuración de la cámara de combustión provocan que el chorro pulverizado/llama golpee sobre y haga contacto con la superficie de la concavidad del pistón en la sección externa de la concavidad y con el fin de optimizar la conservación de la energía cinética en los movimientos de la llama, dirigidos principalmente en un plano perpendicular al movimiento oscilante del pistón.

Todavía otro objeto de la presente invención es proporcionar un motor diesel capaz de funcionar con mejoras significativas en la emisión de hollín en comparación con, por ejemplo, un motor US-02, a la vez que se satisfacen igualmente limitaciones de diseño mecánico para un motor comercialmente aceptable.

Un objeto más concreto de la presente invención es proporcionar un motor que incluya una configuración de cámara de combustión que tiene dimensiones y relaciones dimensionales para asegurar la oxidación de una cantidad suficiente de hollín durante la combustión con el fin de minimizar el hollín disponible para su descarga al sistema de escape. Esto se puede realizar sin aumentar la creación de NOx.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

De acuerdo con la invención, los objetos anteriores y otros objetos más detallados se pueden conseguir proporcionando un motor con una cámara de combustión que comprende: un cuerpo del motor que incluye un cilindro del motor, una cabeza del cilindro que forma una superficie interna de la cámara de combustión y al menos una abertura de admisión; un pistón colocado para un movimiento oscilante en dicho cilindro del motor entre una posición de punto muerto inferior y una posición de punto muerto superior, incluyendo dicho pistón una cabeza del pistón que comprende una superficie superior orientada hacia la cámara de combustión, conteniendo dicha cabeza del pistón una concavidad del pistón formada por una cavidad que se abre hacia fuera, comprendiendo dicha concavidad del pistón una parte sobresaliente que tiene un extremo distal y una sección interna del suelo de la concavidad que se extiende en dirección descendente en un ángulo interno del suelo de la concavidad en dirección horaria con respecto a un plano perpendicular a un eje de oscilación del pistón, y que cuando se ve en una vista de la mitad derecha del pistón dicha concavidad del pistón comprende además una sección externa de la concavidad acampanada hacia fuera que tiene una forma curvilínea cóncava en sección transversal; un inyector montado en el cuerpo del motor contiguamente a dicha parte sobresaliente de dicha concavidad del pistón para inyectar combustible en la cámara de combustión con una presión de inyección elevada, comprendiendo dicho inyector una pluralidad de orificios dispuestos para formar penachos de chorros pulverizados de combustible, los cuales durante la progresión se convierten en llamas encendidas que impactan dentro de áreas de impacto predeterminadas sobre dicha sección externa de la concavidad. La invención se caracteriza porque dichas áreas de impacto están en la sección externa de la concavidad durante la mayor parte de la inyección debido a que un eje central de cada orificio se orienta en un ángulo de pulverización medido entre un plano perpendicular al eje de oscilación del pistón y un eje central de cada chorro pulverizado, de modo que el eje de pulverización impacta en la sección externa de la concavidad y la geometría de la sección interna del suelo de la concavidad en relación con el eje de pulverización es tal que existe un volumen y una distancia entre la sección interna del suelo de la concavidad y el eje de pulverización tal que se evita un contacto distorsionado entre la boquilla no encendida cerca de la parte del chorro pulverizado y la sección interna de la concavidad, y porque se dispone sustancialmente a medio camino entre dichas áreas de impacto en la sección externa de la concavidad y en un plano perpendicular a dicho movimiento oscilante un primer tipo de salientes que sobresalen en la cámara de combustión y que tienen una forma suavizada adaptada para conservar la energía cinética de la llama y para redirigir el progreso circunferencial de la llama principalmente hacia un eje central del pistón con una interacción mínima llama con llama, en el que cada uno de dichos salientes tiene una forma de una cresta longitudinal que se extiende tan solo en el área externa de la concavidad en un plano sustancialmente paralelo a dicho movimiento oscilante, y en el que una sección transversal, perpendicular a la extensión de dicha cresta, de una parte superior de dicha cresta está formada con una forma curva con un radio promedio que es al menos 1/20 de un radio de la concavidad del pistón de dicho pistón, y en el que cada mitad de una anchura de la base de una cresta se puede extender hasta un tercio de una distancia total de sector de pulverización a lo largo de la forma circular de una sección externa de la concavidad.

De acuerdo con un modo de realización de la invención, un segundo tipo de salientes se disponen en dicha área de impacto. Dicho segundo tipo de salientes están adaptados para redirigir el progreso de la llama dirigido hacia el área de impacto principalmente en una dirección circunferencial de progreso de la llama en un plano sustancialmente perpendicular a dicho movimiento oscilante y con una interacción mínima llama con pared del pistón y una pérdida mínima de energía cinética.

En un modo de realización de la invención desarrollado adicionalmente dichos salientes tienen una forma de una cresta longitudinal que se extiende tan solo en el área externa de la concavidad en un plano sustancialmente paralelo a dicho movimiento oscilante de dicho pistón. En otro modo de realización, una sección transversal, perpendicular a la extensión de dicha cresta, de una parte superior de dicha cresta está formada con una forma curva con un radio promedio que es al menos 1/20 de un radio de la concavidad del pistón de dicho pistón. De acuerdo con otro modo de realización dicho primer tipo de salientes sobresalen más en la cámara de combustión en comparación con dicho segundo tipo de salientes.

Dicho motor de combustión interna puede tener un primer impacto en dicha área de impacto al comienzo de la inyección y un segundo punto de impacto en dicha área de impacto al final de la inyección. Dicha cresta puede extenderse al menos desde una primera posición dispuesta en un primer plano que es común a dicho primer punto de impacto y dicha primera posición, y hasta una segunda posición dispuesta en un segundo plano que es común a dicho segundo punto de impacto y dicha segunda posición. Dichos planos primero y segundo son perpendiculares al movimiento oscilante de dicho pistón.

En un modo de realización preferido adicional de la invención dicho eje central se dispone para impactar en dicha sección externa de la concavidad durante toda la inyección.

En otro modo de realización preferido adicional de la invención dicha abertura de admisión se forma en la cabeza del cilindro para dirigir aire de admisión al interior de la cámara de combustión sin efecto de turbulencia o muy bajo efecto durante su funcionamiento. En un modo de realización preferido adicional de la invención dicho efecto de turbulencia tiene una tasa de turbulencia en el intervalo de 0,0 a 0,7.

E07835159

08-09-2014

En otro modo de realización preferido adicional de la invención se dispone una geometría de la sección interna del suelo de la concavidad en relación con el eje de pulverización de tal modo que haya un volumen y distancia suficientes entre la sección interna del suelo de la concavidad y el eje de pulverización (30) de modo que se evite perturbar el contacto entre la parte del chorro pulverizado cercana a la boquilla sin encender y la sección interna de

5 la concavidad.

En otro modo de realización preferido adicional de la invención dicho combustible inyectado, cuando se inyecta, se dispone para formar una mezcla con dicho aire de admisión en dicha cámara de combustión, y dicha mezcla se autoenciende a ser comprimida por dicho pistón.

10 En otro modo de realización preferido adicional de la invención dicho motor está dispuesto para añadir una parte predeterminada de gas de escape recirculado a dicho aire de admisión, estando adaptada dicha parte de modo que las emisiones de óxido de nitrógeno que surgen de dicha combustión se mantienen por debajo de un nivel bajo seleccionado.

15 Modos de realización ventajosos adicionales de la invención surgirán de las reivindicaciones dependientes de la patente que siguen a la reivindicación 1 de la patente.

Breve descripción de los dibujos

20 La presente invención se describirá en mayor detalle en lo que sigue con referencia los dibujos adjuntos que, a los efectos de ejemplificar, muestran modos de realización preferidos adicionales de la invención y asimismo los antecedentes técnicos, y en los cuales:

25 La figura 1 muestra esquemáticamente una vista en sección de un pistón y cilindro en un motor de combustión de un modo de realización de la invención.

La figura 2 muestra esquemáticamente la mitad derecha del pistón de la figura 1 con un ángulo de reflexión del eje central geométrico del chorro pulverizado.

30 La figura 3a muestra esquemáticamente una vista superior del pistón de la figura 1 con flujos de chorro pulverizado/llama de acuerdo con un modo de realización de la invención.

La figura 3b muestra esquemáticamente un modo de realización alternativo del modo de realización de la figura 3a.

35 La figura 4a muestra esquemáticamente una vista lateral correspondiente de los flujos de chorro pulverizado/llama de la figura 3a.

La figura 4b muestra esquemáticamente una vista lateral correspondiente de los flujos de chorro pulverizado/llama 40 de la figura 3b.

Las figuras 5a a 5i muestran en tres dimensiones y esquemáticamente un pistón de acuerdo con la invención con un cilindro en nueve estados instantáneos diferentes durante una secuencia de inyección de combustible y combustión.

45 La figura 6 muestra una vista tridimensional del modo de realización mostrado en las figuras 3a y 4a.

Descripción detallada de la invención

Para entender las características físicas únicas de la cámara de combustión 7 de acuerdo con la invención, se dirige 50 inicialmente la atención a las figuras 1 y 2 que ilustran las diversas características o parámetros físicos que son necesarios para conseguir las ventajas inesperadas en reducción de emisiones de la presente invención.

En la figura 1, se muestra una vista esquemática de una cámara de combustión 1 que está diseñada para funcionar de acuerdo con el proceso diesel. El motor 1 comprende un cilindro 2 y un pistón 3, que oscila en el cilindro 2 y está 55 conectado a un cigüeñal 4, de modo que el pistón 3 se ajusta para invertirse en el cilindro 2 en una posición de punto muerto superior e inferior. Como es común asimismo, un extremo de la cavidad del cilindro está cerrado por una cabeza del cilindro 14 del motor. El pistón 3 está provisto en su superficie superior 5 con una concavidad del pistón 6, que forma una cámara de combustión 7, junto con la superficie interna 21 de una cabeza del cilindro 14 y paredes del cilindro 2. En la cabeza del cilindro 14 se disponen una o más aberturas de inducción 9. La conexión 60 entre una abertura de inducción 9 respectiva y el cilindro 2 se puede abrir y cerrar con una válvula de inducción 10 dispuesta en cada abertura de inducción 9. Asimismo dispuestas en cada cabeza del cilindro se encuentran una o más aberturas de escape 11. La conexión entre una abertura de escape 11 respectiva y el cilindro 2 se puede abrir y cerrar con una válvula de escape 12 dispuesta en cada abertura de escape 11. La apertura y cierre de las válvulas 10 y 11 se puede lograr mediante una leva mecánica o un sistema de actuación hidráulico u otro sistema motriz en

65 una secuencia temporal con el movimiento oscilante del pistón 3 controlada cuidadosamente.

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

En la cabeza del cilindro 14 se dispone al menos un inyector de combustible 13, mediante el cual se inyecta combustible en el cilindro 2 como un chorro de combustible pulverizado de modo que el combustible se mezcla con el gas comprimido en el cilindro 2 para formar una mezcla de combustible/gas, que se enciende por el calor de compresión generado en el cilindro 2. La parte encendida del chorro pulverizado forma una llama. Durante la inyección una parte del chorro pulverizado más próxima al inyector con el combustible recientemente inyectado no ha comenzado todavía a arder. El combustible se inyecta preferiblemente con una presión muy alta. El inyector 13 incluye una pluralidad de pequeños orificios de inyección (no mostrados), formados en el extremo inferior de un conjunto de boquilla del inyector 13 para permitir que el combustible a alta presión fluya de una cavidad de la boquilla del inyector 13 al interior de la cámara de combustión 7 con una presión muy alta para inducir un mezclado completo del combustible con la carga de aire comprimido a alta temperatura dentro de la cámara de combustión 7. Se debe entender que el inyector 13 puede ser cualquier tipo de inyector capaz de inyectar combustible a alta presión a través de una pluralidad de orificios del inyector en la cámara de combustión 7 del modo descrito en lo que sigue. Además, el inyector 13 puede incluir un émbolo accionado mecánicamente alojado dentro del cuerpo del inyector para crear la alta presión durante una carrera de avance del conjunto de émbolo. Alternativamente, el inyector 13 puede recibir combustible a alta presión procedente de una fuente de alta presión aguas arriba, tal como un sistema de bomba-tubo-boquilla que incluye una o más bombas de alta presión y/o un acumulador de alta presión y/o un distribuidor de combustible. El inyector 13 puede incluir una válvula de control de inyección accionada electrónicamente que suministra combustible a alta presión al conjunto de válvula de boquilla para abrir un elemento de válvula de boquilla, o para controlar el drenaje de combustible a alta presión de la cavidad de la válvula de boquilla para crear un desequilibrio de presión en el elemento de válvula de boquilla provocando así que el elemento de válvula de boquilla se abra y cierre para formar un evento de inyección. Por ejemplo, el elemento de válvula de boquilla puede ser un elemento de válvula de boquilla convencional cerrado por resorte accionado por la presión del combustible. El inyector de combustible 13 está dispuesto preferiblemente de modo central en la cabeza del cilindro de modo que un eje geométrico central del inyector de combustible coincida con un eje geométrico central 15 del cilindro, eje geométrico central que es asimismo un eje de oscilación del pistón 3, como se muestra en la figura 1.

El motor de combustión 1 mostrado en la figura 1 funciona de acuerdo con el principio de carrera en cuatro tiempos. El motor 1 comprende preferiblemente una pluralidad de cilindros 2, cada uno provisto de un pistón 3, en el que cada pistón 3 está conectado a un cigüeñal 4 común a través de una biela de conexión y que provoca así que el pistón oscile a lo largo de una trayectoria rectilínea dentro del cilindro 2 a medida que el cigüeñal 4 del motor gira.

La figura 1 ilustra la posición del pistón 3 alrededor de 45° antes de una posición de punto muerto superior (PMS). Una posición de PMS se consigue cuando el cigüeñal se sitúa para mover el pistón hasta la posición más alejada del eje de giro del cigüeñal. De modo convencional, el pistón se mueve de la posición de punto muerto superior hasta una posición de punto muerto inferior (PMI) durante el avance a lo largo de las carreras de admisión y expansión. A los efectos de esta descripción, las palabras “ascendente” y “de modo ascendente” se corresponden a la dirección que se aleja del cigüeñal del motor, y las palabras “descendente” y “de modo descendente” se corresponden a la dirección hacia el cigüeñal del motor o posición de punto muerto inferior del pistón.

En una posición de PMS más superior, el pistón 3 acaba de completar su carrera de compresión ascendente durante la cual se comprime la carga de aire que se ha permitido que entre en la cámara de combustión 7 desde la abertura de inducción 9, elevando así su temperatura por encima de la temperatura de ignición del combustible del motor. Esta posición se considera aquí como la posición de 360° que inicia la carrera de expansión/combustión del ciclo completo de cuatro tiempos de 720° del pistón 3. La cantidad de carga de aire que se provoca que entre en las cámaras de combustión se puede aumentar proporcionando un estímulo de presión en el colector de admisión del motor. Este estímulo de presión se puede proporcionar, por ejemplo, mediante un turbocompresor (no mostrado) accionado por una turbina alimentada por el escape del motor, o puede ser accionado por el cigüeñal del motor.

El motor de la presente invención incluye componentes y elementos de la cámara de combustión dimensionados, conformados y/o situados relativamente entre sí, como se describe en lo que sigue, para reducir ventajosamente material particulado (MP) a niveles de, o inferiores a, las nuevas normas regulatorias a la vez que mantiene una economía de combustible aceptable. La invención está dirigida especialmente a reducir las emisiones de hollín. El hollín es una fracción del MP.

Preferiblemente las dimensiones, formas y/o posición relativa globales de los componentes y elementos de la cámara de combustión son tales que el momento cinético del chorro de combustible pulverizado/llama ardiente de gas del cilindro se conserva en la medida de lo posible en su trayectoria desde el inyector en una dirección ligeramente descendente siguiendo la forma de la sección interna de suelo de la concavidad 19 y la sección externa de la concavidad 20, y siguiendo hacia arriba hasta que tenga lugar el impacto con la superficie interna 21 de la cabeza del cilindro, asegurando así una oxidación suficiente del hollín más adelante en el evento de combustión.

Además, las dimensiones, forma y/o posición relativa de los componentes y elementos de la cámara de combustión son tales que se consigue un nivel predeterminado de equilibrio entre el momento cinético vertical (principalmente hacia arriba) y tangencial (dirigido en un plano perpendicular al eje 15) del chorro de combustible pulverizado/llama.

15

25

35

45

55

65

E07835159

08-09-2014

Es importante alcanzar este equilibrio con el fin de poder conseguir unos niveles de emisión de hollín muy bajos. Los parámetros que controlan el equilibrio se seleccionan de tal modo que el chorro pulverizado/llama una vez que ha impactado en la sección externa de la concavidad 20 dirigida principalmente en una dirección hacia arriba hacia la superficie interior 21 de la cabeza del cilindro, con el fin de minimizar la pérdida de momento cinético.

Preferiblemente, los movimientos verticales y tangenciales de la llama forman un patrón en forma de abanico (véase igualmente la figura 5d, explicada en lo que sigue) justo tras impactar en la sección externa de la concavidad 20, en donde aproximadamente un tercio de los movimientos de la llama se dirigen de modo ascendente, como se indica con Y en la figura 4, y el resto se dirigen en una dirección tangencial (horizontal), como se indica con XR para las partes de la llama que giran a la derecha y con XL para las partes de la llama que giran hacia izquierda, como se muestra en las figuras 3a y 3b. Esta invención está dirigida particularmente a mejorar el redireccionamiento de los movimientos horizontales de la llama, es decir, cuando la llama cambia de dirección de dirigirse hacia la concavidad externa a dirigirse en dicha dirección tangencial, y además el redireccionamiento de movimiento tangencial a un movimiento dirigido hacia el eje 15, como se ve desde arriba en las figuras 3a y 3b.

Las dimensiones, forma y/o posición relativa de los componentes y elementos de la cámara de combustión como se describe en lo que sigue dan como resultado una cámara de combustión capaz de formar, dirigir, controlar y crear un patrón de combustible inyectado y la mayor parte de toda la mezcla de combustible quemado/gas del cilindro (llama) dentro de la cámara de combustión 7 tanto durante las etapas iniciales de la inyección de combustible como durante el inicio de la combustión y expansión de los gases resultantes durante la carrera de expansión del pistón 3 y tras finalizar la inyección, de modo que se consigue una reducción muy elevada especialmente de las emisiones de hollín, aunque asimismo de monóxido de carbono e hidrocarburos.

Más concretamente, la parte superior del pistón 3 se puede denominar como la cabeza del pistón 16. La cabeza del pistón 16 incluye la superficie superior 5 que forma parcialmente la cámara de combustión 7 y una concavidad del pistón 6 formado por una cavidad abierta hacia arriba. La concavidad del pistón 6 incluye una parte sobresaliente 17 dispuesta preferiblemente en el, o cerca del centro de la concavidad 6. La parte sobresaliente 17 incluye un extremo distal 18 situado, en el modo de realización preferido mostrado en la figura 1, en el centro de la concavidad del piston 3 y situado así a lo largo del eje de oscilación 15 del piston 3. La parte sobresaliente 17 incluye asimismo una sección interna del suelo de la concavidad 19 que se extiende desde la parte sobresaliente 17 de modo descendente en un ángulo interno del suelo de la concavidad α desde un plano perpendicular al eje de oscilación del pistón 3 como se muestra en la figura 1.

La concavidad del pistón 6 incluye asimismo una sección externa de la concavidad 20 acampanada hacia arriba que tiene una forma generalmente curvilínea cóncava en sección transversal diametral. La sección externa de la concavidad 20 conforma y dirige de modo eficaz el flujo de la mezcla de combustible/aire dentro de la cámara de combustión, especialmente en la dirección ascendente (como se muestra mejor en la figura 4).

La figura 2 muestra esquemáticamente la mitad derecha de la forma de la concavidad del pistón de la figura 1 con un ángulo de reflexión γ del eje geométrico central 30 del chorro pulverizado (por debajo del eje de pulverización designado) y un ángulo del eje de pulverización β (por debajo del ángulo de pulverización designado). La sección externa de la concavidad 20 se diseña con un radio R1 particular y una posición particular para un centro CR1 del radio. D1 indica además la distancia entre el extremo distal 18 y el punto de cruce C de los diversos ejes de pulverización en el inyector 13. La distancia D2 indica la duración de la inyección y el cambio/movimiento del punto de impacto del eje de pulverización durante el movimiento descendente del pistón 3. La posición de comienzo y final de D2 depende de la duración temporal (cantidad de combustible que se va inyectar) y el temporizado de la inyección. El comienzo de la inyección es en el extremo inferior de la distancia D2 y el final de la inyección es en el extremo superior de la distancia D2. R2 indica un radio en el labio o borde que conecta la concavidad externa 20 con la superficie superior 5 del pistón 3. El centro del radio R2 se indica como CR2. R3 indica el radio de la concavidad del pistón. Aunque la forma general de la cámara de combustión tiene antecedentes en el estado de la técnica anterior, es la configuración específica, y de modo más importante, las dimensiones críticas y relaciones dimensionales descritas en lo que sigue, lo que da como resultado el rendimiento funcional mejorado de la presente invención.

El valor del ángulo de reflexión durante una inyección depende fuertemente de la selección de diversos parámetros geométricos, tales como D1, R1, β y el radio de la concavidad del pistón R3, además del temporizado de la inyección y la duración de la inyección.

De acuerdo con la invención de la presente solicitud y como ya se introdujo anteriormente, las figuras 3a y 3b dan a conocer los modos de realización preferidos de la invención, y donde la figura 3a muestra un modo de realización con tan solo un primer tipo de salientes 40 distribuidos homogéneamente alrededor de la circunferencia de la concavidad externa 6. Dicho primer tipo de salientes se disponen aproximadamente a medio camino entre las áreas de impacto 41 de dos llamas contiguas (en las figuras 3a y 3b indicadas por las dos flechas más grandes).

En un modo de realización preferido de la invención dicho primer tipo de salientes tienen una forma de cresta que se

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

extiende en la dirección vertical, así pues en las figuras 3a y 3b los salientes se ven en sección transversal desde arriba. Dicha sección transversal podría formar una línea horizontal (no mostrada) en la figura 2, en donde dicha línea horizontal cruza a través del área de impacto indicada por D2 en la figura 2. Así pues, dicho primer tipo de salientes se disponen en el mismo plano horizontal que las áreas de impacto de las distintas llamas. Preferiblemente una cresta del primer tipo de salientes se extiende en una longitud que corresponde a la longitud de un área de impacto. Así pues, dicha cresta de dicho primer tipo de salientes se extiende al menos desde una primera posición dispuesta en un primer plano horizontal que es común a dicho primer punto de impacto (punto terminal inferior de la distancia D2) y dicha primera posición, y hasta una segunda posición dispuesta en un segundo plano horizontal que es común a dicho segundo punto de impacto (punto terminal superior de la distancia D2) y dicha segunda posición. Todos los planos mencionados son perpendiculares al movimiento oscilante de dicho pistón 3 o eje central geométrico 15 del cilindro.

Dichos salientes, vistos en sección transversal como en las figuras 3a o 3b, podrían tener diferentes formas. En un modo de realización la parte superior de la cresta puede ser más aguda (no mostrado). En otro modo de realización el extremo de la base de la cresta puede ser menos agudo con una transición más suave entre la parte de cresta y la forma circular de la sección externa de la concavidad (no mostrado). Una combinación de una parte superior de la cresta más aguda y una transición más suave de la cresta a la forma circular de la sección externa de la concavidad es igualmente posible (no mostrado). Cada mitad de una anchura 43 de la base de una cresta se puede extender hasta, por ejemplo, aproximadamente un tercio de una distancia total 42 de sector del chorro pulverizado a lo largo de la forma circular de una sección externa de la concavidad.

La figura 3b muestra un modo de realización de la invención con dicho primer tipo de salientes y un segundo tipo de salientes 50. Dicho segundo tipo de salientes redirigen el movimiento horizontal de la llama de una dirección hacia el área externa de la concavidad (área de impacto) hasta las direcciones tangenciales XR y XL.

En un modo de realización de la invención una sección transversal perpendicular a la extensión de dichas crestas de dicho primer o segundo tipo de salientes da a conocer una parte superior de dicha cresta que se forma con una forma curva con un radio promedio que es al menos 1/20 del radio R3 de la concavidad del pistón. La forma de una de tales secciones transversales puede ser el resultado de diversas curvas definidas matemáticamente.

En otro modo de realización de la invención, dicho primer tipo de salientes sobresalen más hacia el interior de la cámara de combustión 7 en comparación con dicho segundo tipo de salientes. Lo opuesto es posible igualmente, o que los tipos de salientes primero y segundo sean idénticos en tamaño.

Una parte superior de un saliente de dicho primer o segundo tipo es la parte que sobresale lo más profundamente en el interior de la cámara de combustión 7. En un modo de realización de la invención una parte superior de dicho primer tipo de salientes se sitúa a medio camino entre dicha área de impacto y a lo largo de dicha distancia D2 vista en dirección vertical. En otro modo de realización de la invención una parte superior del segundo tipo de salientes se sitúa en medio de un impacto y a lo largo de dicha distancia D2.

Un modo de realización en el que solo están presentes el segundo tipo de salientes es igualmente posible.

Como se indicó anteriormente, el combustible debe ser inyectado con una elevada presión de inyección. Un ejemplo de un intervalo de presión de inyección promedio es de 300 a 4000 bares, y en un modo de realización ejemplar adicional el intervalo puede ser de 1500 a 2500 bares. La presión de inyección es un parámetro importante para garantizar un elevado momento cinético en el flujo del chorro pulverizado/llama a lo largo del movimiento a través de la sección interna del suelo de la concavidad, sección externa de flujo de la concavidad, impacto con la superficie interna de la cabeza del cilindro y en particular los movimientos del gas del cilindro tras el FDI.

Otro parámetro de la cámara de combustión para controlar las emisiones es la tasa de turbulencia en el flujo de aire que se genera por las aberturas de inducción 9. La tasa de turbulencia TT es un cociente de la velocidad tangencial del aire que gira alrededor de la cámara de combustión 7 dividida por la velocidad del motor. Esto es, la tasa de turbulencia es una medida del movimiento tangencial del aire a medida que entra en el cilindro del motor desde las aberturas de inducción 9 de la cabeza del cilindro 14. Precisamente, el término tasa de turbulencia se refiere al promedio de la velocidad angular dentro del cilindro del aire en el cierre de la válvula de admisión dividida por la velocidad angular del pistón del cilindro. Por ejemplo, un motor funcionando a 1800 rpm con una cabeza del cilindro que genera un movimiento del aire con una tasa de turbulencia de 2 implica que el aire en el cilindro en el cierre de la válvula de admisión está girando con una velocidad angular promedio de 3600 rpm. Cuanto más elevada la tasa de turbulencia mayor que el efecto de turbulencia del aire o mezcla de aire y combustible, mientras que cuanto menor sea la tasa de turbulencia, menor el efecto de turbulencia. El efecto de turbulencia es un movimiento generalmente tangencial que tras la compresión por el pistón 3 crea turbulencia y contribuye al proceso de combustión.

De acuerdo con un modo de realización de la invención, para poder garantizar el control del movimiento del chorro pulverizado/llama durante toda la combustión, el momento cinético creado por la presión de inyección debe

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

distribuirse lo menos posible. Así pues, de acuerdo con la invención se prefiere una baja turbulencia para poder conseguir la máxima ventaja de la presente invención cuando los salientes de dicho primer y segundo tipo son simétricos, como se indicó anteriormente y en las figuras. En esta descripción, una turbulencia por debajo de 1,0 se considera como una turbulencia baja. El solicitante ha encontrado que una tasa de turbulencia por debajo de 0,7 es preferible, e incluso es más preferible una tasa de turbulencia por debajo de 0,5 y hasta cero para los modos de realización anteriormente descritos.

En un modo de realización adicional de la invención se puede permitir más turbulencia. En tal modo de realización los salientes del primer y el segundo tipo están adaptados a un intervalo de turbulencia particular. La adaptación se puede realizar teniendo una forma de los salientes (especialmente la parte superior) que está barrida en un cierto grado en la dirección de flujo de la turbulencia. Así pues, tales salientes son asimétricos.

R1 debe ser lo suficientemente grande con el fin de crear una curvatura en la sección externa de la concavidad 20 que mantenga fuertemente el momento del chorro pulverizado/llama. La sección externa de la concavidad 20 está diseñada igualmente para evitar un momento cinético excesivo en el chorro pulverizado/llama en una o varias direcciones lo que causaría que el chorro pulverizado/llama progrese demasiado en una cierta dirección, en comparación con otras direcciones, provocando un estancamiento indeseado del chorro pulverizado/llama y dejando atrás por consiguiente emisiones de hollín aumentadas. Al dimensionar dichos salientes del primer y/o el segundo tipo se debe tener en cuenta la prevención de un momento cinético excesivo en el chorro pulverizado/llama.

Como ya se mencionó indirectamente anteriormente un aspecto importante implica orientar el eje central de cada orificio en un ángulo de pulverización β medido entre un plano perpendicular al eje de oscilación del pistón y un eje central 30 de cada chorro pulverizado (figura 2), de modo que el eje de pulverización 30 impacte en la sección externa de la concavidad 20 durante al menos parte de la duración de la inyección. La geometría de la sección interna del suelo de la concavidad 19 en relación con el eje de pulverización 30 es tal que hay un volumen y distancia suficientes entre la sección interna del suelo de la concavidad y el eje de pulverización 30 de modo que se evita perturbar el contacto entre la parte del chorro pulverizado próxima a la boquilla no encendida y la sección interna de la concavidad. Esta acción provoca que el eje de pulverización 30 se dirija hacia la sección externa de la concavidad 20 con un contacto mínimo con la sección interna del suelo de la concavidad, evitando así perturbar el encendido del chorro pulverizado. De este modo se contribuye a maximizar la preservación del momento cinético del chorro pulverizado/llama hasta que chorro pulverizado/llama impacta en la sección externa de la concavidad.

Otro parámetro importante de la cámara de combustión que afecta significativamente a las emisiones de hollín es el número de orificios de inyección o pulverización en el inyector 13. De acuerdo con un modo de realización de la presente invención, se utilizan al menos cuatro orificios de inyección para suministrar combustible a la cámara de combustión 7. Para un motor de combustión de camión, se pueden utilizar preferiblemente de cinco a siete orificios de inyección. Motores con pistones de mayor diámetro tienen espacio para más orificios. El número de orificios depende de cómo de próximos entre sí se encuentran los puntos de impacto de dos chorros pulverizados contiguos. El número de orificios de inyección N es crítico para crear el equilibrio adecuado, mencionada anteriormente, entre los movimientos verticales y tangenciales del chorro pulverizado/llama. Si hay demasiados orificios de inyección las distancias entre los distintos puntos de impacto (con la sección externa de la concavidad) del eje de pulverización se acercarán demasiado entre sí, de modo que un giro suave alrededor del movimiento (recirculación) del chorro pulverizado en un plano horizontal quedaría limitado, y el movimiento vertical ascendente se volvería demasiado fuerte, lo que podría dar como resultado regiones del chorro pulverizado/llama en las que se pierde sustancialmente todo el momento cinético, por lo que la oxidación posterior del hollín disminuiría. Otro parámetro importante que afecta a la recirculación es la tasa de alimentación.

Con el fin de aumentar la comprensión del control inventivo del chorro pulverizado/llama en el plano horizontal las figuras 5a a 5i muestran en tres dimensiones y esquemáticamente un pistón 3 con un cilindro 2 en nueve estados instantáneos diferentes durante una secuencia de inyección de combustible y combustión, es decir, desde aproximadamente 5°antes del PMS a un punto temporal posterior en la secuencia de combustión, es decir, bastante después del PMS. Nótese que los salientes de acuerdo con la invención no están incluidos en las figuras 5a a 5i. El propósito de estas figuras es intentar visualizar el progreso de dos llamas contiguas. El comienzo de un eje de pulverización 30 de dos chorros pulverizados situados contiguamente se indica con una línea de puntos en las figuras 5a a 5i. Con el fin de aumentar la claridad de las figuras 5a a 5i solo se muestran dos de los diversos chorros pulverizados.

La figura 5a muestra el comienzo de la inyección (CDI). Existe un retraso de encendido, que tiene lugar entre el CDI y el encendido del combustible.

La figura 5b muestra el comienzo de la combustión (CDC). Las áreas blancas indican llamas de gas del cilindro en combustión.

La figura 5c muestra cuando las llamas impactan en la sección externa de la concavidad 20 (llama a pared). La dirección de movimiento de la llama izquierda (cuentas correspondientes para la llama derecha) se indica con una

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

flecha. Así pues, las llamas se mueven del inyector 13 hacia la sección externa de la concavidad 20.

La figura 5d muestra cuando las llamas se encuentran entre sí (llama con llama). La colisión se indica mediante dos de las cuatro flechas que apuntan una a la otra. Un equilibrio importante entre movimientos verticales y tangenciales se puede conseguir cuando las llamas se dispersan en un patrón en forma de abanico tras impactar en primer lugar con la sección externa de la concavidad (figura 5c), como se indica en la figura 5d. Esto se consigue seleccionando parámetros de la cámara de combustión dentro de intervalos predefinidos. Las flechas verticales en la figura 5d corresponden a Y en las figuras 4a y 4b, y la flecha que apunta hacia la derecha en la figura 5d corresponde a XR en la figura 3a o 3b, y finalmente la flecha que apunta hacia la izquierda en la figura 5d que corresponde a XL en la figura 3a y 3b.

La figura 5e muestra cuando las llamas impactan en la superficie interna de la cabeza del cilindro 21 (llama con cabeza). Esto se indica mediante un área de puntos en las llamas. Dentro de dicha área de puntos las llamas están en contacto con la superficie interna 21 de la cabeza del cilindro 14. Las dos flechas en la llama izquierda indican los movimientos principales de las llamas a lo largo de dicha superficie interna 21.

La figura 5f muestra la importante recirculación de la llama, que es forzada por la interacción llama con cabeza y llama con llama y que es el resultado principalmente de seleccionar los parámetros de la cámara de combustión dentro de intervalos predefinidos de modo que se consigue dicho equilibrio entre movimientos de la llama verticales y tangenciales. Los parámetros que deciden las dimensiones de dichos salientes de acuerdo con la invención son uno de diversos parámetros que se pueden utilizar para el control de la llama. Una cierta elección de dichos parámetros controla el temporizado y posición de dicha recirculación de la llama, mostrado especialmente en la figura 5f, aunque asimismo en las figuras 5g a 5i. Los salientes de acuerdo con la invención mejoran además los efectos positivos de dicha recirculación de la llama. Especialmente una interacción simétrica llama con llama crea vórtices de recirculación de la llama útiles. Las flechas indican la dirección de movimiento de la recirculación de la llama, que se dirige de nuevo hacia la cámara de combustión 7.

La baja turbulencia es aquí indirectamente una razón para un mezclado más intensivo gracias a la creación activada por simetría de vórtices inducidos por llama con llama. Con suficiente energía de mezclado (momento cinético) disponible, esta recirculación de la llama contribuye al mezclado y quemado del último combustible inyectado (y que produce hollín), y así pues también a oxidar el hollín más adelante en la secuencia de combustión.

La figura 5g muestra el final de la inyección (FDI), así pues el momento cinético de la presión de inyección ha finalizado y movimientos adicionales del gas del cilindro dependen principalmente en un momento cinético proporcionado anteriormente por la presión de inyección.

La figura 5h muestra la oxidación del hollín y la dilución del chorro pulverizado tras el FDI, debido al potente mezclado de los gases del cilindro/llama.

La figura 5i muestra las últimas bolsas ricas en oxidación del hollín tras el quemado, las cuales pretende aumentar la presente invención con un mejor control de los movimientos horizontales del chorro pulverizado/llama con el propósito de conservar el momento cinético en los gases del cilindro todavía más, y así pues durante el mayor tiempo posible tras el FDI.

Una ventaja importante de la invención es que una oxidación posterior mejorada del hollín a baja temperatura puede existir sin una formación significativa de óxidos de nitrógeno (NOx). Los diferentes modos de realización de la invención para reducir emisiones de partículas/hollín pueden combinarse ventajosamente con diferentes configuraciones de tratamiento posterior de gases de escape conocidas para reducir NOx (y asimismo trampas de hollín) para disminuir todavía más las emisiones de NOx. La invención puede combinarse asimismo ventajosamente con un dispositivo de recirculación de gases de escape (EGR), mediante el cual el nivel de emisiones de NOx se puede controlar casi independientemente de las emisiones de partículas/hollín (véase, por ejemplo, EP1216347). Combinaciones de los parámetros de la cámara de combustión anteriormente descritos dentro de intervalos especificados proporcionan ventajas en la reducción de emisiones de hollín/partículas en comparación con diseños de motor convencionales, incluyendo concretamente satisfacer nuevas normas de emisiones relativas especialmente a hollín. La cámara de combustión 7 inventiva, además de los salientes inventivos mencionados, específicamente incluye un ángulo de reflexión positivo γ, baja turbulencia y elevada presión de inyección y los efectos positivos de la invención se pueden aumentar todavía más en combinación con la selección adecuada de uno o varios de los otros parámetros anteriormente mencionados.

La presente invención puede ser utilizada en motores alimentados por combustibles, tales como, por ejemplo, diesel, DME (éter dimetílico) o similares.

La invención presentada se puede aplicar a motores de tamaño de coche de pasajeros y hasta un motor dimensionado para un barco grande.

E07835159

08-09-2014

La invención no debe ser considerada como limitada a los modos de realización descritos anteriormente, sino que antes bien son concebibles un número de variantes y modificaciones adicionales dentro del ámbito de las siguientes reivindicaciones de patente.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

E07835159

08-09-2014

REIVINDICACIONES

1. Un motor de combustión interna (1) con una cámara de combustión (7), que comprende: un cuerpo del motor que incluye un cilindro del motor (2), una cabeza del cilindro (14) que forma una superficie interna (21) de la cámara de combustión (7) y al menos una abertura de admisión (9); un pistón (3) colocado para un movimiento oscilante en dicho cilindro del motor (2) entre una posición de punto muerto inferior y una posición de punto muerto superior, incluyendo dicho pistón una cabeza del pistón (16) que comprende una superficie superior (5) orientada hacia la cámara de combustión, conteniendo dicha cabeza del pistón una concavidad del pistón (6) formada por una cavidad que se abre hacia fuera, comprendiendo dicha concavidad del pistón una parte sobresaliente (17) que tiene un extremo distal (18) y una sección interna del suelo de la concavidad (19) que se extiende hacia abajo en un ángulo interior del suelo de la concavidad (α) en dirección horaria desde un plano perpendicular a un eje de oscilación (15) del pistón (3) y cuando se ve en una vista de una mitad derecha del pistón, dicha concavidad del pistón comprende además una sección externa de la concavidad (20) acampanada hacia fuera que tiene una forma cóncava curvilínea en sección transversal; un inyector (13) montado en el cuerpo del motor contiguamente a dicha parte sobresaliente de dicha concavidad del pistón para inyectar combustible en la cámara de combustión con una elevada presión de inyección, comprendiendo dicho inyector una pluralidad de orificios dispuestos para formar penachos de chorros de combustible pulverizado, que durante su progreso se convierten en llamas encendidas que impactan dentro de áreas de impacto predeterminadas sobre dicha sección externa de la concavidad (20), caracterizado porque dichas áreas de impacto están en la sección externa de la concavidad (20) durante la mayor parte de la inyección debido a que un eje central de cada orificio está orientado en un ángulo de pulverización (β) medido entre un plano perpendicular al eje de oscilación del pistón y un eje central (30) de cada chorro pulverizado, de modo que el eje de pulverización

(30) impacta en la sección externa de la concavidad (20) y la geometría de la sección interna del suelo de la concavidad (19) en relación al eje de pulverización (30) es tal que hay un volumen y distancia entre la sección interna del suelo de la concavidad y el eje de pulverización (30) tal que se evita perturbar el contacto entre la parte del chorro pulverizado próxima a la boquilla no encendida y la sección interna de la concavidad, y porque sustancialmente a medio camino entre dichas áreas de impacto en la sección externa de la concavidad (20) y en un plano perpendicular a dicho movimiento oscilante se dispone un primer tipo de salientes que sobresalen dentro de la cámara de combustión (7) y que tienen una forma suavizada adaptada para conservar la energía cinética de la llama y para redirigir el progreso circunferencial de la llama principalmente hacia un eje central del pistón (3) con una interacción mínima llama con llama, en donde cada uno de dichos salientes tiene la forma de una cresta longitudinal que se extiende tan solo en el área externa de la concavidad en un plano sustancialmente paralelo a dicho movimiento oscilante, y en donde una sección transversal, perpendicular a la extensión de dicha cresta, de una parte superior de dicha cresta se forma con una forma curva con un radio promedio que es al menos 1/20 de un radio (R3) de la concavidad del pistón de dicho pistón (3), y en donde cada mitad de una anchura (43) de la base de una cresta se puede extender hasta un tercio de una distancia total (42) de sector de pulverización a lo largo de la forma circular de una sección externa de la concavidad.
2.

Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque un segundo tipo de salientes se disponen en dicha área de impacto, estando adaptados dicho segundo tipo de salientes para redirigir el progreso de la llama dirigido hacia el área de impacto principalmente en una dirección de progreso de la llama circunferencial en un plano sustancialmente perpendicular a dicho movimiento oscilante y con una interacción mínima llama con pared de pistón y una pérdida mínima de energía cinética.
3.

Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dicho primer tipo de salientes sobresalen más dentro de la cámara de combustión (7) en comparación con dicho segundo tipo de salientes.
4.

Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, con un primer impacto en dicha área de impacto al comienzo de la inyección y un segundo punto de impacto en dicha área de impacto al final de la inyección, caracterizado porque dicha cresta se extiende al menos de una primera posición dispuesta en un primer plano que es común a dicho primer punto de impacto y dicha primera posición, y hasta una segunda posición dispuesta en un segundo plano que es común a dicho segundo punto de impacto y dicha segunda posición, y en donde dichos planos primero y segundo son perpendiculares al movimiento oscilante de dicho pistón (3).
5.

Un motor de combustión interna de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque un eje central (30) de dichos orificios se dispone para impactar en dicha sección externa de la concavidad (20) durante la totalidad de la inyección.
6.

Un motor de combustión interna de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha abertura de admisión (9) se forma en la cabeza del cilindro (14) para dirigir aire de admisión al interior de la cámara de combustión sin efecto de turbulencia o poco efecto durante su funcionamiento.
7.

Un motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación anterior, caracterizado porque dicho efecto de turbulencia da como resultado una tasa de turbulencia en el intervalo de 0,0 a 0,7.

12

E07835159

08-09-2014
8. Un motor de combustión interna de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque una geometría de la sección interna del suelo de la concavidad (19) en relación con el eje de pulverización (30) se dispone de tal modo que hay volumen y distancia suficientes entre la sección interna del suelo de la concavidad y el eje de pulverización (30) de modo que se evita perturbar el contacto entre la parte del chorro pulverizado próxima a

5 la boquilla sin encender y la sección interna de la concavidad.
9. Un motor de combustión interna de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho combustible inyectado, cuando se inyecta, se dispone para formar una mezcla con dicho aire de admisión en dicha cámara de combustión, y porque dicha mezcla se autoenciende cuando se comprime por dicho pistón.

10
10. Un motor de combustión interna de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicho motor (1) se dispone para añadir una parte predeterminada de gas de escape recirculado a dicho aire de admisión, estando adaptada dicha parte de modo que las emisiones de óxido de nitrógeno que surgen de dicha combustión se mantienen por debajo de un nivel bajo seleccionado.

15

13