ES2858457T3 - Bujía con lanzadera de electrodo - Google Patents

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ES2858457T3 ES17825896T ES17825896T ES2858457T3 ES 2858457 T3 ES2858457 T3 ES 2858457T3 ES 17825896 T ES17825896 T ES 17825896T ES 17825896 T ES17825896 T ES 17825896T ES 2858457 T3 ES2858457 T3 ES 2858457T3
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Abstract

Una bujía con electrodo de lanzadera (1) para un motor de combustión interna (2), comprendiendo dicha bujía (1) al menos uno de los electrodos (6, 7) y un aislante cerámico (3) alojado en una base metálica (4) que tiene un roscado de base (5), recibiendo dicha bujía (1) también una cavidad de estratificación (15) configurada para conectarse a una cámara de combustión (11) que comprende el motor de combustión interna (2) a través de un conducto de estratificación (16) mientras que un inyector de estratificación (17) puede inyectar directa o indirectamente en dicha cavidad (15) una carga piloto previamente presurizada (18), estando dicha carga (18) que que consiste de una mezcla comburente-combustible que puede encenderse fácilmente por medio de una chispa, comprendiendo dicha bujía - al menos un electrodo central (6) que desemboca en la cavidad de estratificación (15); - al menos un electrodo de lanzadera (20) que es total o parcialmente de un material eléctricamente conductor y que está alojado parcial o totalmente con una pequeña holgura en el conducto de estratificación (16), estando dicho electrodo de lanzadera (20) interpuesto entre el electrodo central (6) y un electrodo de tierra (7) y que tiene, por un lado, un extremo del lado de la cámara (21) que se orienta hacia el electrodo de tierra (7) y que se configura para ser expuesto a la presión predominante en la cámara de combustión (11) y, por otro lado, un extremo del lado de la cavidad (22) que se orienta hacia el electrodo central (6) y que está expuesto a la presión predominante en la cavidad de estratificación (15), pudiendo dicho electrodo de lanzadera (20) trasladarse en dicho conducto (16) bajo el efecto de la presión del gas hacia la cavidad de estratificación (15) cuando la presión que prevalece en esta última es menor que la presión que prevalece en la cámara de combustión (11), o hacia la cámara de combustión ( 11) cuando la presión que prevalece en esta última es menor que la presión predominante en la cavidad de estratificación (15); - al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad (23) que determina la posición del electrodo de lanzadera (20) más cercano a la cavidad de estratificación (15); - al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cámara (24) que determina la posición del electrodo de lanzadera (20) más cercano a la cámara de combustión (11).

Description

DESCRIPCIÓN
Bujía con lanzadera de electrodo
El objeto de la presente invención es una bujía con electrodo de lanzadera que permite encender una carga principal introducida en la cámara de combustión de un motor de combustión interna bien por medio de una sola chispa, bien por medio de una carga piloto en sí conocida y encendido por una chispa, dicha bujía está diseñada para optimizar la eficacia de dicha carga piloto en encender dicha carga principal.
La eficiencia máxima y media de los motores alternativos de combustión interna de la técnica anterior es relativamente baja. En los vehículos de motor, dicha eficiencia máxima es del orden del treinta y cinco por ciento para los motores de ignición por chispa de ciclo de Otto y del orden del cuarenta por ciento para los motores de ciclo de Diesel. La eficiencia media en el uso estándar para motores de vehículos de motor es comúnmente inferior al veinte por ciento para motores de ignición por chispa y veinticinco por ciento para motores Diésel.
En dichos motores, la fracción de la energía liberada por la combustión del combustible que no se convierte en trabajo que se puede usar se disipa principalmente en forma de calor al sistema de refrigeración y al escape de dichos motores.
Aparte de una eficiencia mediocre, los motores alternativos de combustión interna usados en los vehículos de motor producen gases y partículas contaminantes que son perjudiciales para el medio ambiente y la salud.
A pesar de estas características desventajosas, la falta de otras soluciones que ofrezcan un mejor compromiso en términos de energía, medio ambiente, rendimiento y economía significa que prácticamente todos los vehículos de motor en circulación en el mundo están equipados con motores de combustión interna de ciclo de Otto o de Diesel. Esta situación explica los importantes esfuerzos de investigación y desarrollo realizados por los fabricantes de motores para mejorar a toda costa el estándar energético y medioambiental de los motores de combustión interna. Estos esfuerzos tienen como objetivo, en particular, perfeccionar las tecnologías que forman dichos motores, y agregarles funcionalidades novedosas que permitan implementar nuevas estrategias.
Estas estrategias incluyen la dilución de la carga de aire y combustible en motores alternativos de combustión interna, ya sea con un gas neutro o con aire frío rico en oxígeno.
Es esta dilución la que se trata en la presente invención, que está destinada más particularmente a motores alternativos de combustión interna de encendido por chispa, que normalmente consumen gasolina o gas natural. Diluir la carga de los motores de ignición por chispa con aire frío o gases de escape enfriados previamente permite incrementar la eficiencia termodinámica media y/o máxima de dichos motores. En consecuencia, se reduce el consumo de combustible por el mismo trabajo producido.
Cuando los motores de ignición por chispa funcionan a torque parcial, la introducción de una carga diluida en su(s) cilindro(s) produce menos pérdidas de bombeo que la introducción de una carga no diluida. La reducción de dichas pérdidas surge del hecho de que la carga diluida tiene un volumen menor para el mismo contenido energético. Así, para introducir la misma cantidad de energía en dicho(s) cilindro(s), el estrangulamiento de admisión de dichos motores, normalmente realizado por medio de una válvula de mariposa, es menos pronunciado, y la presión de los gases que llegan a dicha admisión es más baja.
Además, para la misma energía introducida en el(los) cilindro(s) de los motores de ignición por chispa, diluir la carga aumenta la masa y la capacidad calorífica total de la misma. Así, en igualdad de condiciones, la combustión de dicha carga tiene lugar a una temperatura más baja. Además de reducir la cantidad de óxidos de nitrógeno producidos por la combustión, dicha baja temperatura reduce las pérdidas de calor en las paredes del (los) cilindro(s) que resultan de dicha carga transfiriendo algo de su calor a dichas paredes.
Finalmente, particularmente si la carga se diluye con un gas neutro pobre en oxígeno o incluso desprovisto de oxígeno, dicha carga es menos sensible a la auto ignición descontrolada de la mezcla aire-combustible. Dicha auto ignición es responsable de la detonación, fenómeno indeseable caracterizado por la combustión detonante que degrada la eficiencia de los motores de ignición por chispa y daña los componentes mecánicos que los forman. La sensibilidad reducida a la detonación provocada por la dilución de la carga permite que dichos motores funcionen a una relación de compresión más alta o funcionen con la ignición que se activa en el instante que es más propicio para la eficiencia, o ambos.
En este contexto particular de cargas de aire diluido y combustible, se hace una distinción entre los motores de ignición por chispa que funcionan a estequiometría y los motores que funcionan con un exceso de aire, también denominados motores de "mezcla pobre".
Los motores que operan a estequiometría solo son compatibles con un conversor catalítico de tres vías, aparato que es conocido per se y que realiza un pos-tratamiento de los contaminantes resultantes de la combustión. Dicho conversor catalítico se encarga de quemar los hidrocarburos que no fueron quemados en la cámara de combustión del motor. Los productos de esta combustión son vapor y dióxido de carbono, que ya están presentes en la atmósfera. Dicho conversor catalítico de tres vías también completa la oxidación del monóxido de carbono, el cual es notoriamente contaminante, para convertirlo también en dióxido de carbono, y reduce los óxidos de nitrógeno para convertirlos en dinitrógeno atmosférico que constituye aproximadamente el setenta y ocho por ciento de la atmósfera terrestre y que es no contaminante por su propia naturaleza.
La reducción de los óxidos de nitrógeno por catálisis de tres vías requiere que la carga introducida en el motor sea estequiométrica, es decir, que contenga la cantidad correcta de oxígeno requerida para la combustión de los hidrocarburos contenidos en dicha carga.
Un exceso de oxígeno hace que sea imposible reducir los óxidos de nitrógeno mediante el uso del conversor catalítico de tres vías. Por tanto, no es posible realizar un pos-tratamiento de los óxidos de nitrógeno contenidos en los gases de escape de los motores que funcionan con un exceso de aire mediante un conversor catalítico de tres vías.
Esto explica por qué, para cumplir con una normativa medioambiental cada vez más restrictiva, los motores que funcionan con exceso de aire reciben ahora un aparato especialmente diseñado para reducir los óxidos de nitrógeno, como una trampa de óxidos de nitrógeno o un dispositivo para la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno para producir urea. Dicho aparato se coloca generalmente a la salida de un conversor catalítico de oxidación bidireccional, que habrá quemado previamente los hidrocarburos no quemados y habrá completado la oxidación del monóxido de carbono, y cada vez más comúnmente de un filtro de partículas.
Dado que los motores Diésel funcionan naturalmente con un exceso de aire, prácticamente todos los vehículos de motor Diésel europeos han sido equipados con un aparato que realiza un pos-tratamiento de óxidos de nitrógeno para convertirlos en dinitrógeno desde que entró en vigor la norma Euro VI en Europa.
El problema de estos aparatos es que son caros, complejos, y su tamaño y obligaciones de mantenimiento son grandes, hasta el punto de que dichos aparatos prácticamente sólo se usan en motores Diesel que en la práctica sólo pueden funcionar con un exceso de aire.
En cuanto a los motores de ignición por chispa, los fabricantes de motores están usando todos los medios posibles para que funcionen a estequiometría para que sigan siendo compatibles con un conversor catalítico de tres vías que es simple y económico.
Para beneficiarse del consumo reducido de combustible causado por la dilución de la carga de los motores de ignición por chispa sin tener que sufrir las desventajas, particularmente en términos económicos, de una trampa de óxido de nitrógeno o un dispositivo para la reducción catalítica selectiva de óxidos de nitrógeno para producir urea, es necesario, por tanto, diluir dicha carga para dichos motores no con aire rico en oxígeno sino con un gas neutro desprovisto de oxígeno.
Este último gas se proporciona normalmente reciclando los gases de escape del propio motor, dichos gases ya no contienen oxígeno y están disponibles y son abundantes. Esta estrategia se conoce como recirculación de gases de escape, EGR.
Dado que dichos gases salen del escape del motor de ignición por chispa a alta temperatura, para evitar que calienten excesivamente la carga introducida en dicho motor es necesario reducir la temperatura del mismo antes de mezclarlos con los gases fríos.
Esta estrategia se conoce con el nombre de “EGR refrigerado”, que especifica que los gases de escape recirculados se enfrían antes de ser mezclados con los gases fríos captados por dicho motor.
El enfriamiento previo de los gases EGR es necesario por al menos dos razones.
En primer lugar, es necesario que la temperatura de la mezcla de gas EGR/gas frío absorbida por el motor de ignición por chispa permanezca baja para que la eficiencia volumétrica de dicho motor permanezca alta cuando está funcionando a pleno torque. En efecto, para una determinada presión de admisión, cuanto más fría esté dicha mezcla, mayor será la masa de dicha mezcla introducida en el(los) cilindro(s) de dicho motor. El enfriamiento previo de los gases EGR es aún más indispensable si dicho motor está sobrealimentado con un turbocompresor o por cualquier otro medio.
En segundo lugar, cuanto más caliente está la mezcla de gas EGR/gas frío, más promueve la aparición de detonación, lo que es perjudicial para la eficiencia de dicho motor.
El problema es que la carga diluida con EGR enfriado es pobre en oxígeno. Esto es contradictorio, ya que este es además el objetivo deseado, en particular para que la carga permanezca estequiométrica y resistente a las detonaciones. El resultado de este agotamiento de oxígeno es que la combustión es más difícil de iniciar y la combustión se propaga más lentamente que cuando dicha carga no se diluye con EGR enfriado.
En un motor de ignición por chispa, la combustión se inicia creando un arco eléctrico a alta temperatura entre dos electrodos que están separados entre sí por varias decenas de milímetros.
Cuando la carga de aire-combustible está muy diluida con EGR enfriado, el arco eléctrico pasa a través de una mezcla que es pobre en oxígeno y combustible. El riesgo de fallos de encendido aumenta si, por casualidad, el espacio de varias decenas de milímetros que separa el cátodo del ánodo de la bujía no contiene una mezcla de gas EGR/gas frío suficientemente combustible ya que, de hecho, inevitablemente se forman heterogeneidades en el espacio tridimensional de la cámara de combustión, con bolsas más ricas en oxígeno y/o combustible que otras. Si la combustión se inicia como se desea, la energía del combustible contenido en la carga comienza a liberarse en forma de calor y la llama comienza a propagarse. Para ello, dicha llama transfiere su calor a la mezcla de gas EGR/gas frío circundante gradualmente, capa combustible por capa combustible. Cada capa es llevada a su temperatura de ignición por la capa anterior, se quema y libera calor que transfiere a la siguiente capa, y así sucesivamente. De acuerdo con el principio de reacción en cadena, la llama se propaga en el espacio tridimensional de la cámara de combustión del motor de ignición por chispa.
El principal problema con el EGR enfriado es que dificulta el inicio de la combustión, luego ralentiza considerablemente la propagación de la misma, tanto por la reducción general de su temperatura como por las heterogeneidades en términos de riqueza oxidante/combustible que se encuentran en el cuerpo de la cámara de combustión y por lo tanto en la progresión del frente de llama.
Además, se ha determinado experimentalmente que cuanto más aumenta el contenido de EGR refrigerado en la carga, más inestable se vuelve el motor. A partir de cierto contenido de este tipo, surgen fallos de encendido y disminuye la eficiencia, que hasta este punto tendía a aumentar con el contenido de EGR refrigerado en la carga. Más allá de un cierto contenido de dicho EGR, el motor de ignición por chispa se cala, dado que la combustión ya no puede iniciarse.
También se observa que el contenido de hidrocarburos no quemados y monóxido de carbono en los gases de escape aumenta en paralelo con el contenido de EGR refrigerado en la carga. Esto se origina tanto en las bolsas de mezcla, demasiado magra para quemar adecuadamente, encontradas por la llama a medida que avanza, como en el engrosamiento de la capa límite de extinción de la llama cerca de las frías paredes internas de la cámara de combustión del motor.
También se ha descubierto, todavía de manera experimental, que cuanto mayor es la potencia de ignición, más es la posibilidad de aumentar el contenido de EGR refrigerado en la carga sin afectar en exceso de manera adversa la estabilidad del motor.
Con este fin, numerosos laboratorios de investigación, como el "South West Research Institute" en los Estados Unidos, han desarrollado dispositivos de ignición eléctrica cada vez más potentes para hacer retroceder los límites accesibles en términos de contenido de EGR refrigerado en la carga. Por supuesto, el objetivo final de esta estrategia es mejorar la eficiencia de los motores de ignición por chispa.
El problema de mejorar constantemente la potencia de las igniciones eléctricas es que su eficiencia disminuye rápidamente con su potencia. Por tanto, siempre existe la necesidad de más potencia eléctrica para obtener cada vez menos potencia de ignición adicional.
Además, una alta potencia eléctrica solo es beneficiosa si los electrodos de la bujía se separan entre sí para que la chispa tenga más posibilidades de pasar a través de una bolsa de combustible, o si se aumenta la duración de la chispa, o si la chispa se repite. Esto conduce a tensiones y potencia eléctrica cada vez más elevadas, lo que hace más compleja la producción de los aislantes eléctricos de la bujía al tiempo que reduce drásticamente la vida útil de la misma.
La dificultad para encender la carga también se origina en el hecho de que el EGR refrigerado es más beneficioso en los motores de ignición por chispa sobrealimentados para los que se busca reducir la sensibilidad a la detonación a toda costa. Sin embargo, cuanto mayor es la presión de sobre alimentación, mayor es la densidad de la mezcla de gas EGR/gas frío entre los electrodos de la bujía en el momento en que se dispara la chispa, y mayor es la tensión requerida para provocar dicha chispa.
Desde esta perspectiva, el EGR refrigerado no se dirige en la dirección correcta, ya que, para la misma energía introducida en el cilindro del motor, aumenta la masa de gas ubicada entre los electrodos, al igual que la resistencia de dichos gases a la auto ignición.
Se observa que la patente núm. FR 2986564, perteneciente al Solicitante, constituye una fuerte respuesta a estos problemas. El dispositivo de estratificación de alta presión e ignición por chispa para un motor de combustión interna objeto de dicha patente propone inyectar, a alta presión, en el centro de la bujía y poco antes de disparar la chispa, una carga piloto aproximadamente estequiométrica, altamente combustible. ya que no se ha diluido con EGR enfriado y potencialmente es ligeramente rico en combustible.
Una vez inyectada por dicho dispositivo, dicha carga piloto sumerge los electrodos de la bujía, y tan pronto como se forma un arco eléctrico entre dichos electrodos, dicha carga se enciende inmediatamente y libera la energía que contiene. Así, dicha carga constituye en sí misma el medio de ignición per se, cuya potencia es de varios cientos a varios miles de veces mayor que la del arco eléctrico que hizo posible su ignición. Es virtualmente imposible obtener tal potencia de ignición solo con medios eléctricos.
La experiencia también ha demostrado que los contenidos de EGR refrigerado del orden del cincuenta por ciento son posibles con un dispositivo de este tipo, al contrario del orden del treinta por ciento, solo con dispositivos de ignición eléctrica, incluso los más potentes disponibles.
Se observará que el enfoque adoptado por la patente núm. FR 2986564 se encuentra en formas relacionadas en la patente núm. US 4319552 de los inventores Fred N. Sauer y J. Brian Barry, o en la patente núm. DE 4140962 A1, propiedad de Bosch.
En cualquier caso, la patente núm. US6564770 de Orbital no pertenece a esta categoría ya que, de acuerdo con esta patente, se trata de formar una carga principal lo más homogénea posible a una presión relativamente baja, y no de formar una carga piloto con el fin de encender una carga principal que está altamente diluida con EGR.
El problema con el dispositivo descrito por la patente núm. FR 2986 564 y las patentes relacionadas tal como se acaban de enumerar no radica en el inicio de la combustión, que es muy eficiente, sino en la propagación de dicha combustión. En particular, cuando la fracción quemada del combustible contenido en la carga principal alcanza aproximadamente el cincuenta por ciento, la combustión se esfuerza por progresar de manera que el tiempo total requerido para quemar la totalidad de la carga principal sea mayor que el tiempo requerido para quemar la totalidad de una carga principal que no se ha diluido con EGR enfriado.
El resultado de esto es que una porción de la ganancia de energía potencial del EGR enfriado se pierde debido a la combustión que se propaga demasiado lentamente.
El beneficio máximo se obtendría del EGR enfriado si fuera posible operar un motor de ignición por chispa simultáneamente con una carga principal, cuyo contenido de EGR enfriado es del orden del cincuenta por ciento, por un lado, y con una estabilidad y duración total de combustión que son comparables a las encontradas para el mismo motor mencionado cuando este último quema una carga no diluida, por otro lado.
La solución podría provenir del uso de una precámara en donde se introduciría la carga piloto, posiblemente alojando dicha precámara los electrodos de la bujía e incluso formando parte integrante de dicha bujía, como propone la patente núm. US 4319552.
La primera ventaja de dicha precámara es que potencialmente mantiene la carga piloto lo más cerca posible de los electrodos de la bujía, lo que puede limitar la dispersión de dicha carga en la cámara de combustión principal del motor de ignición por chispa antes de la ignición de dicha carga.
La segunda ventaja de dicha precámara es que, una vez realizada la ignición, la carga piloto presuriza dicha precámara, que envía sopletes de gases ardientes a alta velocidad a la cámara de combustión principal del motor de ignición por chispa a través de orificios que comprende dicha precámara.
Esta ignición de la carga principal por medio de sopletes es altamente efectiva ya que, en lugar de partir del centro de la cámara de combustión, como es el caso de una bujía convencional, la llama se inicia en múltiples puntos de la cámara de combustión y se propaga. radialmente desde la periferia de la cámara hacia el centro de la cámara, y tangencialmente entre cada soplete.
De esta manera, la energía del combustible se libera en un espacio de tiempo muy corto, lo que favorece la eficiencia termodinámica del motor de ignición por chispa, ya que no solo la expansión es más productiva en términos de trabajo, sino la baja sensibilidad al golpe que resulta de una combustión tan rápida hace posible operar el motor con una relación volumétrica significativamente mayor.
En cualquier caso, la patente núm. US 4319552, o la solución propuesta en la patente FR 2986564 del solicitante, o en las patentes relacionadas mencionadas anteriormente, no se puede comparar con la multitud de patentes que inyectan combustible solo, ya sea en una precámara o no, y no una mezcla que consiste de aire y combustible.
Entre estas patentes, se citarán por ejemplo las conocidas con los núm. GB 2311 327 A de Fluid Research Limited, núm. 4,864,989 de Tice Technology Corp, núm. US 4,124,000 de General Motors, núm. US 4,239,023 de Ford Motor Company, núm. US 4,892,070 del inventor Dieter Kuhnert, núm. US 2001/0050069 A1 de los inventores Radu Oprea y Edward Rakosi, o bien la patente núm. US 2012/0103302 A1 del inventor William Attard, cuyo principio forma la base del sistema de ignición “Turbulent Jet Ignition” desarrollado por la compañía alemana Mahle para motores de Fórmula 1.
De hecho, existe una diferencia fundamental entre las soluciones reveladas en las últimas patentes, que abordan los motores de ignición por chispa de "mezcla pobre" y cuyo objetivo es únicamente enriquecer la carga en términos de combustible alrededor del punto de ignición, en el fundamenta que la carga en general es pobre en combustible pero rica en oxígeno, y las soluciones descritas en la patente FR 2986564 y patentes relacionadas que, por su parte, se refieren a los motores de ignición por chispa que operan con una carga que está muy diluida con eGr refrigerado y cuyo objetivo es formar una mezcla rica en combustible y en oxígeno alrededor del punto de ignición, sobre la base de que la carga total es pobre en combustible y en oxígeno.
En esta coyuntura, hemos visto que inyectando una carga piloto altamente combustible que consiste de aire y combustible para envolver los electrodos de la bujía con dicha carga, como se propone en la patente núm. FR 2986 564, permite producir la ignición de manera efectiva de una carga principal que está muy diluida con EGR.
También hemos visto que, una vez que se produce la ignición de dicha carga principal, la combustión se propaga rápidamente hasta que se ha quemado aproximadamente el cincuenta por ciento de la cantidad total de combustible contenido en dicha carga. Más allá de dicho cincuenta por ciento, la combustión se propaga más lentamente, lo que significa que, a partir de un cierto contenido de EGR en la carga principal, la eficiencia termodinámica del motor de ignición por chispa disminuye en lugar de aumentar como se esperaba.
Se ha asumido que si, según lo propuesto por la patente núm. US 4319552, las cargas piloto se inyectan en una precámara que alberga los electrodos de la bujía, este último problema de propagación de la combustión más allá del cincuenta por ciento quedaría total o parcialmente resuelto.
Esto se debe a que dicha precámara expulsaría, a través de sus orificios, sopletes de gas ardiente moviéndose a gran velocidad, lo que al mismo tiempo iniciaría la combustión en una gran longitud radial alrededor del punto de ignición, pero también distorsionaría el frente de la llama lo que promovería la propagación de la llama perpendicularmente a dichos sopletes.
Sin embargo, esta última solución no es del todo satisfactoria por un gran número de razones, algunas de las cuales han llevado al abandono de los dispositivos de ignición basados en una precámara, particularmente en el contexto de los motores de ignición por chispa.
De hecho, para que sea efectiva, la precámara debe tener una cúpula suficientemente sobresaliente para que los orificios a través de los cuales se expulsan los gases en combustión formen sopletes que no toquen las paredes internas frías del motor. Al pasar por dichos orificios a alta velocidad, dichos gases calientan dicha cúpula que, a partir de una determinada temperatura, se comporta como un “bulbo caliente” de manera similar al sistema de encendido del motor de combustión interna inventado por Stuart Herbert-Akroyd y descrito en la patente CHD4226 de 4 de diciembre de 1891. Un punto caliente de este tipo conduce potencialmente a igniciones no deseadas de la carga principal, que no se encienden con una chispa. La detonación que puede sobrevenir es tal que puede dañar o incluso destruir el motor de ignición por chispa.
Una solución puede consistir en enfriar intensamente dicha cúpula para evitar que se forme un punto caliente. Sin embargo, la exportación de calor resultante va en detrimento, por un lado, de la efectividad de los sopletes de gas ardiente, cuya temperatura y velocidad se reducen a medida que pasan por los orificios practicados en dicha cúpula, y por otro lado de la eficiencia termodinámica del motor de ignición por chispa.
En otras palabras, la cúpula está demasiado caliente o demasiado fría y, sobre todo, la ignición de la carga principal se vuelve demasiado dependiente de la precámara y de la carga piloto. Esta dependencia es una desventaja cuando el motor de ignición por chispa solo requiere una pequeña cantidad o ninguna dilución de su carga principal con EGR, lo que ocurre en varios casos.
Esto se debe a que la formación de una carga piloto de aire-combustible a alta presión tiene un costo en términos de energía. El aire debe comprimirse previamente, lo que requiere un compresor accionado por el propio motor de ignición por chispa, luego se debe inyectar combustible en dicho aire. Otra estrategia puede consistir en comprimir directamente una mezcla de aire y combustible formada previamente.
Se observará que, debido a su costo considerable en términos de energía para la misma efectividad de encendido, cuanto menor sea la masa de la carga piloto en comparación con la de la carga principal, mejor será la eficiencia energética final del motor de ignición por chispa cuando está funcionando con un alto nivel de EGR. Por tanto, es necesario hacer todo lo posible para dar a la carga piloto una eficiencia específica en la ignición de la carga principal que sea lo más grande posible con relación a la masa de dicha carga piloto.
En otras palabras, para la misma efectividad de la ignición, la carga piloto debe conducir a la compresión de la menor cantidad posible de mezcla de aire y combustible a la menor presión posible.
Sin embargo, el gasto de energía asociado con la compresión de la carga piloto no siempre está justificado, especialmente cuando la carga principal está solo ligeramente, o nada, diluida con EGR. Sin embargo, con las cargas parciales que caracterizan el funcionamiento de un motor de vehículo de motor durante la mayor parte de su tiempo de uso, las pérdidas por bombeo pueden reducirse por medio de un control flexible de las válvulas de admisión.
En cargas parciales, esta estrategia, conocida bajo el término "actuación de válvula variable", es un sustituto ventajoso de EGR y conduce a eficiencias del motor de ignición por chispa similares a las que posibilita dicho EGR sin tener que recurrir a una carga piloto costosa en energía.
Las altas cargas bajo una fuerte sobre alimentación turbo también pueden constituir otro caso en donde la carga piloto es innecesaria.
Esto se debe a que la EGR aumenta la presión de sobre alimentación requerida para la misma cantidad de energía introducida en los cilindros del motor de ignición por chispa. A cargas muy elevadas y mientras la carga de dicho motor está diluida con EGR, el compresor de sobre alimentación debe proporcionar más trabajo para obtener la potencia deseada para el motor de ignición por chispa que si la carga no estuviera diluida. Más allá de cierto nivel de EGR, la turbina colocada en el escape del motor ya no tiene suficiente potencia para accionar dicho compresor. El nivel de EGR accesible está limitado de este modo, en la medida en que la carga piloto ya no es necesaria para garantizar el inicio y propagación de la combustión.
En resumen, la situación ideal consistiría en encender la carga principal por medio de una bujía convencional cuando dicha carga esté muy poco o nada diluida con EGR, y mediante un dispositivo de ignición por carga piloto, si es posible con precámara, cuando dicha carga está muy diluida con EGR.
Una segunda bujía podría satisfacer potencialmente esta necesidad. Sin embargo, es prácticamente imposible alojar dicha segunda bujía en la culata de un motor de automóvil moderno equipado con cuatro válvulas por cilindro y un inyector que se abre directamente a la cámara de combustión.
Por tanto, si se quisiera aprovechar tanto una precámara como se describe por ejemplo en la patente US 4319552 cuando se usa una inyección de carga piloto de acuerdo con los principios establecidos en la patente FR 2986564, como también la ignición convencional con una bujía convencional, sería necesario poder guardar dicha precámara cuando la bujía convencional esté en funcionamiento, y viceversa.
Además, sería necesario que, cuando se use la precámara, esta última no pueda comportarse como un dispositivo de ignición de "bulbo caliente" como se mencionó anteriormente, o al menos que el inicio de la combustión de la carga principal se desencadene efectivamente en el momento elegido, y no en un momento descontrolado en el tiempo.
Se trata de enfriar las partes calientes de la precámara que pueden desencadenar la auto ignición, sin reducir la efectividad de dicha precámara en la difusión de sopletes de gas ardiente en el espacio tridimensional de la cámara de combustión del motor que contiene la carga principal.
Sin embargo, en la medida en que los motores sobrealimentados modernos reciben prácticamente sistemáticamente inyección directa de combustible, adoptar una precámara en donde se alojan los electrodos de la bujía con el fin de producir la ignición de una carga piloto es prácticamente imposible si se desea producir la ignición de la carga principal usando esos mismos medios sin recurrir a la carga de piloto.
De hecho, diluir en gran medida la carga con EGR refrigerado es muy ventajoso en este tipo de motor. Sin embargo, los electrodos de la bujía de los motores de inyección directa sobrealimentados deben sobresalir para que la mezcla de aire/combustible altamente combustible formada por el inyector de gasolina sumerja dichos electrodos. Sin embargo, si dichos electrodos se encuentran dentro de una precámara provista de orificios, esta condición no se cumple y ya no se puede garantizar el inicio de la combustión. Para superar este problema, sería necesario recurrir sistemáticamente a la ignición por carga piloto, cuyo coste en términos de energía no es despreciable.
La dificultad para llegar a los electrodos de la bujía con la mezcla de combustible/aire si dichos electrodos están alojados en una precámara se aborda particularmente, por ejemplo, en la patente núm. EP 1464804 A1 de Peugeot Citroen Automobiles, que reivindica una alta presión de inyección directa que permite favorecer la penetración de una porción de la mezcla aire-combustible en el interior de la precámara a través de los orificios que atraviesan la pared de dicha precámara.
Además, esta última patente incorpora los principios de la patente núm. EP 1411 221 A2, del mismo solicitante, que aborda el efecto de "bulbo caliente" potencialmente producido por la precámara y temido por los fabricantes de motores por su efecto inductor de detonaciones.
De hecho, la reivindicación 10 de dicha patente propone producir la pared de la precámara con una aleación que tiene una conductividad térmica a 20 °C de al menos 10 W/K/m y preferentemente de al menos 30 W/K/m. Se entiende que esta característica se busca para que la pared de la precámara se enfríe lo más rápido posible, para evitar el efecto de “bulbo caliente”.
La reivindicación 13 de esta misma patente también describe que las paredes y orificios de la precámara pueden estar revestidos con un material refractario, lo que demuestra la necesidad de mantener también un material suficientemente caliente para no reducir excesivamente la temperatura de los sopletes de gas en combustión y para evitar exportar demasiado calor hacia las partes frías del motor. No obstante, tal material refractario promovería el efecto prohibitivo de "bulbo caliente".
Además, se comprenderá fácilmente que los problemas potenciales descritos en las patentes núm. EP 1464804 A1 y EP 1411 221 A2 que se acaban de mencionar aparecen de manera diferente en numerosas patentes que describen bujías en donde se proporciona una precámara. Entre estas patentes, se citará la conocida con el número DE 0675272 A1 y su variante Wo 03/071644 A1, y las publicadas con los números EP 1143 126 A2 o EP 1701 419 A1.
Se observará que la idea de producir bujías con precámara integrada es antigua, como lo confirma la patente núm. US 2,047,575 del 14 de julio de 1936.
Además, las bujías descritas en estas patentes tienen una precámara "pasiva" la cual consiste de una tapa simple provista de orificios. Este tipo de precámara es usada principalmente en motores que funcionan en régimen estacionario. En efecto, la sección de los orificios de dicha precámara se proporciona para que se obtenga una diferencia de presión suficiente en el instante de ignición de la fracción de la carga contenida en la precámara, de manera que los sopletes de gases calientes alcancen una suficiente velocidad de expulsión a través de dichos orificios.
El problema es que, si bien la precámara se vacía a través de dichos orificios, también se llena a través de los mismos orificios. En consecuencia, el uso de tales bujías resulta de un equilibrio preciso entre la sección de los orificios y la velocidad de rotación del motor. Esto explica por qué este tipo de bujía no es usada en vehículos de motor en donde la velocidad del motor de ignición por chispa cambia constantemente.
Aparte de los problemas que plantea la alta temperatura de la precámara y el llenado y vaciado de la misma, se observará que, en el contexto particular de la inyección de una carga piloto que consiste de una mezcla de aire y de combustible, como se propone en patente núm. FR 2986564, existe también el problema de la dispersión de dicha carga piloto en la carga principal, antes de la ignición de dicha carga piloto. Cualquier dispersión de este tipo reduce la eficiencia específica de la carga piloto al producir la ignición de la carga principal. Esto sólo se puede compensar aumentando la masa de dicha carga piloto, lo que va en detrimento de la eficiencia energética final del motor de ignición por chispa.
El problema se origina en el hecho de que el inyector que introduce la carga piloto en la carga principal necesita tiempo para realizar la inyección de dicha carga piloto bajo una presión necesariamente superior a la de la carga principal.
Además, se observará que la presión de inyección de la carga piloto permanece aproximadamente constante, mientras que, sin embargo, la presión de la carga principal aumenta bajo el efecto de su compresión tras la elevación del pistón del motor de ignición por chispa a su punto muerto superior. El inicio de la inyección de la carga piloto se produce por tanto bajo un diferencial de presión mayor que el final de dicha inyección. Esto da como resultado que la velocidad de expulsión de los gases que forman la carga piloto sea mayor al inicio de la inyección que al final de la inyección.
A menos que se instale una precámara de gran volumen, lo que no es posible, una porción de la carga piloto saldrá inevitablemente por los orificios de la precámara y se mezclará con la carga principal, que tiene un alto contenido de EGR. La mezcla entre la carga piloto y la carga principal será particularmente pronunciada al inicio de la inyección. Por tanto, la inflamabilidad de la mezcla que consiste de aire, combustible y EGR será necesariamente heterogénea en el cuerpo de la precámara y fuera de la precámara. De esta manera se reducirá la eficacia de la carga piloto para producir la ignición lo más rápidamente posible, al igual que la eficacia de los sopletes de gas ardiente para producir la ignición de la carga principal. Esta eficacia reducida solo puede compensarse aumentando la masa de aire y combustible de la carga piloto, en detrimento de la eficiencia energética global del motor de ignición por chispa. Idealmente, por lo tanto, sería necesario dispersar la carga piloto en la carga principal por cualquier medio, antes de producir la ignición de dicha carga piloto.
Aun idealmente, y como se vió arriba, sería necesario inyectar la carga piloto de aire-combustible en una precámara solo cuando el motor de ignición por chispa esté operando con un alto contenido de EGR, mientras que, cuando dicho motor esté operando solo con EGR bajo o nulo, se usaría una bujía convencional para producir la ignición de la carga principal.
Esto seguiría siendo con el objetivo, dado que el motor está operando con un alto contenido de EGR refrigerado, de limitar la masa de la carga piloto tanto como sea posible para minimizar el costo de la misma en términos de energía para la compresión y aumentar, en la medida de lo posible, la eficacia de dicha carga piloto para producir la ignición de la carga principal.
Cuando solo se usa una bujía convencional para producir la ignición de la carga principal, sería necesario, nuevamente idealmente, que la precámara desapareciera de manera que no hubiera forma de que se comporte como una "bulbo caliente".
En última instancia, sería muy ventajoso entregar el dispositivo descrito por la patente núm. FR 2986564, que ha demostrado ser efectivo para iniciar la combustión bajo niveles muy altos de EGR refrigerado y en la propagación de esta combustión hasta que una fracción de aproximadamente el cincuenta por ciento del combustible contenido en la carga principal se ha quemado, la capacidad de propagar muy rápidamente dicha combustión hasta que se haya quemado una fracción de al menos el noventa o el cien por ciento de dicho combustible.
Esto podría lograrse por medio de una precámara como sugiere la patente núm. US 4 319 552, siempre que se eliminen los prohibitivos defectos habituales de dicha precámara y se mejore significativamente su eficacia.
Todos estos objetivos son abordados por la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención, que, de acuerdo con una modalidad particular, permite:
• con una misma bujía, para beneficiarse de las ventajas de una precámara en donde se inyecta una carga piloto y luego se enciende para encender una carga principal mediante sopletes de gas ardiente, y las ventajas de los electrodos salientes que no estén encerrados en una precámara y que sean compatibles con la inyección directa de gasolina, permitiendo encender directamente la carga principal por medio de un arco eléctrico formado entre dichos electrodos;
• impedir que la precámara genere puntos calientes que puedan causar una auto ignición no deseada de la carga principal;
• minimizar la masa de la carga principal necesaria no solo para iniciar la combustión de las cargas principales que están muy diluidas con EGR, sino también para proporcionar una rápida propagación de dicha combustión hasta que se quemen todas las cargas principales.
• Dentro de este último objetivo, evitar la dispersión de la carga piloto en la carga principal durante la inyección de dicha carga piloto en dicha carga principal.
Para lograr estos objetivos, la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención proporciona:
• guardar la precámara cuando no sea útil, sustituyéndose entonces dicha precámara por electrodos que sobresalen;
• cuando la precámara está guardada, enfriar activamente la superficie de dicha precámara expuesta a los gases calientes, entre dos ciclos de combustión;
• Mantener la precámara cerrada durante la mayor parte del tiempo de inyección de la carga piloto, que se produce en un espacio cerrado en donde los gases de la carga piloto no pueden mezclarse en modo alguno con los gases de la carga principal.
Se observará que la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención no implica aumentar significativamente la tensión eléctrica en los terminales de dicha bujía para provocar la chispa de ignición, permaneciendo dicha tensión próxima a las tensiones habitualmente usadas para las bujías convencionales.
Dicha bujía con electrodo de lanzadera se proporciona para que sea relativamente económica de producir en masa, con el fin de seguir siendo compatible con las limitaciones económicas de la mayoría de las aplicaciones para las que está destinada, incluidos los vehículos de motor. Además, se supone que la vida útil de dicha bujía es similar a la de una bujía convencional.
Se entiende que la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención se puede aplicar a cualquier motor de combustión interna de ignición por chispa, independientemente del tipo, independientemente del combustible gaseoso, líquido o sólido que consuma, e independientemente de si su carga principal se diluye con EGR enfriado o no, con un gas neutro de cualquier tipo, o con un gas rico en oxígeno o en cualquier otro oxidante.
También se entiende que la carga piloto recibida por la precámara de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención puede contener un combustible y/o un oxidante diferente del combustible y/o oxidante que constituye la carga principal del motor de ignición por chispa.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención se proporciona para un motor de combustión interna que comprende al menos un cilindro en donde se puede trasladar un pistón para formar, con una culata, una cámara de combustión en donde se puede producir la ignición de una carga principal, esta última que consiste de una mezcla de comburente-combustible por un lado, y más o menos diluido con un aire rico en oxígeno o con un gas neutro por otro lado, dicho motor de combustión interna también comprende un conducto de admisión y una abertura para un conducto de escape que desemboca en dicha cámara.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende al menos electrodos y un aislante cerámico alojado en una base metálica que tiene un roscado de base, y al menos un electrodo central y al menos un electrodo de tierra, recibiendo dicha bujía también una cavidad de estratificación conectada a la cámara de combustión que comprende el motor de combustión interna a través de un conducto de estratificación, mientras que un inyector de estratificación puede inyectar directa o indirectamente en dicha cavidad una carga piloto previamente presurizada, dicha carga que consiste de una mezcla de comburente-combustible AF cuya ignición se puede producir fácilmente por medio de una chispa, dicha bujía con electrodo de lanzadera comprende, de acuerdo con la invención:
• al menos un electrodo central que se abre hacia la cavidad de estratificación;
• al menos un electrodo de lanzadera que está total o parcialmente hecho de un material eléctricamente conductor y que está alojado parcial o totalmente con un pequeño espacio en el conducto de estratificación, dicho electrodo de lanzadera está interpuesto entre el electrodo central y un electrodo de tierra y tiene, por un lado, un extremo del lado de la cámara que se orienta hacia el electrodo de tierra y que está expuesto a la presión que prevalece en la cámara de combustión y, por otro lado, un extremo del lado de la cavidad que se orienta hacia el electrodo central y que está expuesto a la presión predominante en la cavidad de estratificación, siendo dicho electrodo de lanzadera capaz de trasladarse en dicho conducto bajo el efecto de la presión del gas hacia la cavidad de estratificación cuando la presión predominante en esta última es menor que la presión predominante en la cámara de combustión, o hacia la cámara de combustión cuando la presión que prevalece en esta última es menor que la presión que prevalece en la cavidad de estratificación;
• al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad que determina la posición del electrodo de lanzadera más cercano a la cavidad de estratificación;
• al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cámara 24 que determina la posición del electrodo de lanzadera más cercano a la cámara de combustión.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un electrodo de lanzadera que cierra total o parcialmente el conducto de estratificación cuando está más cerca de la cavidad de estratificación, mientras que abre dicho conducto en una sección más ancha cuando se coloca más cerca de la cámara de combustión.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende todo o parte del conducto de estratificación que comprende un manguito aislante hecho de un material aislante eléctricamente y/o aislante térmico y/o refractario, que es integral con dicho conducto, y que está interpuesto radial y/o axialmente entre el electrodo de lanzadera y dicho conducto, pudiendo dicho electrodo de lanzadera trasladarse dentro de dicho manguito.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un manguito aislante que comprende al menos un canal longitudinal para el paso del gas que permite el paso de los gases desde la cavidad de estratificación a la cámara de combustión o viceversa, en donde, dicho canal se puede disponer dentro de dicho manguito y/o en la superficie interior o exterior del mismo.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un electrodo de lanzadera que consiste de un cuerpo de lanzadera aislante fabricado con un material eléctricamente aislante, estando dicho cuerpo atravesado en toda su longitud por un núcleo conductor con el que es integral, estando dicho núcleo fabricado de un material eléctricamente conductor, un primer extremo de dicho núcleo se orienta hacia el electrodo de tierra mientras que un segundo extremo de dicho núcleo se enfrenta al electrodo central.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad que consiste en un asiento de cierre de electrodo de lanzadera dispuesto en el conducto de estratificación o en uno de los extremos de dicho conducto, dicho asiento que coopera con una brida de cierre del electrodo de lanzadera que tiene el electrodo de lanzadera en la periferia y/o en el extremo del mismo.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un asiento de cierre de electrodo de lanzadera y una brida de cierre de electrodo de lanzadera que forman un sello cuando están en contacto entre sí, evitando dicho sello que cualquier gas pase por dicho contacto cuando la presión que prevalece en la cámara de combustión es mayor que la presión que prevalece en la cavidad de estratificación.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cámara 24 que consiste de un asiento de apertura de electrodo de lanzadera dispuesto en el conducto de estratificación o en uno de los extremos de dicho conducto, o en la base metálica, dicho asiento que coopera con una brida de apertura del electrodo de lanzadera que el electrodo de lanzadera tiene en la periferia y/o en su extremo.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un asiento de apertura de electrodo de lanzadera y una brida de apertura de electrodo de lanzadera que forman un sello cuando están en contacto entre sí para evitar que cualquier gas pase a través de dicho contacto.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un electrodo de lanzadera que comprende unos medios de guía en su periferia que mantienen dicho electrodo de lanzadera aproximadamente centrado en el conducto de estratificación, y aproximadamente en la misma orientación longitudinal que dicho conducto, independientemente de la posición axial de dicho electrodo de lanzadera con relación a dicho conducto. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un electrodo de lanzadera que comprende al menos un canal longitudinal para el paso del gas que permite que los gases pasen desde la cavidad de estratificación a la cámara de combustión o viceversa, pudiendo disponerse dicho canal en el interior y/o en la superficie de dicho electrodo de lanzadera y puede producirse en toda la longitud de dicho electrodo de lanzadera, sin embargo, los dos extremos de dicho canal se abren respectivamente en el extremo del lado de la cámara y en el extremo del lado de la cavidad, o sobre sólo una porción de dicha longitud, mientras que al menos uno de dichos dos extremos de dicho canal se abre radialmente desde la superficie exterior del electrodo de lanzadera.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende una brida de cierre de electrodo de lanzadera y una brida de apertura de electrodo de lanzadera que forman juntas una sola brida de cierreapertura que define con el conducto de estratificación, cuando dicha brida de cierre-apertura está en contacto con el Asiento de apertura del electrodo de lanzadera: una precámara de ignición del soplete que se comunica simultáneamente con la cavidad de estratificación por un lado y con la cámara de combustión a través de al menos un orificio de expulsión de gas por el otro.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende una precámara de ignición del soplete que está dispuesta dentro del manguito aislante.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un manguito aislante que sobresale de la base metálica para presentar una cúpula de expulsión saliente desde la que se abre el orificio de expulsión de gas.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende una cúpula de expulsión saliente que es una parte unida al manguito aislante.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un asiento de apertura de electrodo de lanzadera que está dispuesto en la cúpula de expulsión saliente.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende una pared periférica interior de la precámara de ignición del soplete que es cilíndrica mientras que la brida de cierre-apertura está alojada con una holgura radial baja en dicha precámara.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención prevé que, cuando el electrodo de lanzadera se coloca cerca de la cámara de combustión, es decir, en los alrededores del tope del electrodo de lanzadera del lado de la cámara con el que coopera o en contacto con ello, la brida de cierre del electrodo de lanzadera descubre al menos un orificio de expulsión de gas que conecta la cavidad de estratificación con la cámara de combustión.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende un inyector de estratificación que puede, directa o indirectamente a través de un conducto de salida del inyector, inyectar la carga piloto en la cavidad de estratificación a través de una cámara de inyección de carga piloto anular que está dispuesta en una chispa roscada. tapón en donde se atornilla la base metálica por medio del roscado de la base, o en la periferia exterior de dicha base metálica, o tanto en dicho pozo como en dicha periferia de dicha base, comunicándose dicha cámara anular con la cavidad de estratificación mediante al menos un canal de inyección de gas dispuesto aproximadamente de manera radial en la base metálica.
La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la presente invención comprende una cavidad de estratificación que está dispuesta dentro del aislante cerámico.
La siguiente descripción, realizada con referencia a los dibujos adjuntos y dada a modo de ejemplos no limitativos, permitirá comprender mejor la invención, las características de la misma y las ventajas que puede proporcionar: La Figura 1 es una vista esquemática en sección de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención, como puede instalarse en la culata de un motor de combustión interna.
La Figura 2 es una vista esquemática en sección de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención, cuyo electrodo de lanzadera es una pieza única hecha de material eléctricamente conductor que puede traducirse en un manguito aislante que comprende el conducto de estratificación, un asiento de cierre de electrodo de lanzadera que forma el tope del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad mientras que un asiento de apertura del electrodo de lanzadera forma el tope del electrodo de lanzadera del lado de la cámara, dichos dos topes que cooperan con una brida de apertura y cierre que tiene el electrodo de lanzadera.
Las Figuras 3 a 8 son vistas esquemáticas en sección de primer plano parcial de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la configuración particular mostrada en la Figura 2, ilustrando dichas vistas en primer plano varias fases de funcionamiento de dicha bujía.
La Figura 9 es una vista tridimensional de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la variante de la modalidad mostrada en la Figura 2.
La Figura 10 es una vista en sección longitudinal en corte tridimensional de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la variante de la modalidad mostrada en la Figura 2.
La Figura 11 es una vista despiezada tridimensional de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la variante de la modalidad mostrada en la Figura 2.
La Figura 12 es una vista esquemática en sección de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención, cuyo electrodo de lanzadera que consiste de un cuerpo de lanzadera aislante, atravesado en toda su longitud por un núcleo conductor con el que es integral, el tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad que consiste en un asiento de cierre de electrodo de lanzadera dispuesto en el extremo del conducto de estratificación, dicho asiento que coopera con una brida de cierre de electrodo de lanzadera que el electrodo de lanzadera tiene en su extremo.
Las Figuras 13 a 18 son vistas esquemáticas en sección de primer plano parcial de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la configuración particular mostrada en la Figura 12, ilustrando dichas vistas en primer plano varias fases de funcionamiento de dicha bujía.
La Figura 19 es una vista tridimensional de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la variante de la modalidad mostrada en la Figura 12.
La Figura 20 es una vista en sección longitudinal en corte tridimensional de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la variante de modalidad mostrada en la Figura 12.
La Figura 21 es una vista despiezada tridimensional de la bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la invención y de acuerdo con la variante de la modalidad mostrada en la Figura 12.
Descripción de la invención:
Las Figuras 1 a 21 muestran la bujía con electrodo de lanzadera 1, varios detalles de sus componentes, sus variantes y sus accesorios.
Como se ilustra en la Figura 1, la bujía con electrodo de lanzadera 1 se proporciona para un motor de combustión interna 2 que comprende al menos un cilindro 8 en donde un pistón 9 puede trasladarse para formar, con una culata 10, una cámara de combustión. 11 en donde se puede producir la ignición una carga principal 12, constituida esta última por una mezcla de combustible-comburente, y más o menos diluida con un aire rico en oxígeno o con un gas neutro.
El motor de combustión interna 2 para el que se proporciona la bujía con electrodo de lanzadera 1 comprende además un conducto de admisión 13 y un conducto de escape 14 que desembocan en la cámara de combustión 11, mientras que dicha bujía 1 comprende un aislante cerámico 3 alojado en una base metálica 4 que tiene una base roscada 5.
La bujía con electrodo de lanzadera 1 comprende comprende además al menos un electrodo central 6 y al menos un electrodo de tierra 7, mientras que también recibe una cavidad de estratificación 15 conectada a la cámara de combustión 11 por un conducto de estratificación 16 mientras que un inyector de estratificación 17 puede directa o indirectamente inyectar, en dicha cavidad 15, una carga piloto 18 previamente presurizada por un compresor de estratificación 19, consistiendo dicha carga 18 de una mezcla comburente-combustible (AF) que es fácilmente inflamable por medio de una chispa.
Las Figuras 1 a 21 muestran que la bujía con electrodo de lanzadera 1 se diferencia de la técnica anterior en que el electrodo central 6 se abre hacia la cavidad 15 de estratificación. Además, las Figuras 1 a 21 ilustran el hecho de que la bujía con electrodo de lanzadera 1 comprende un electrodo de lanzadera 20 que está total o parcialmente hecho de un material eléctricamente conductor y que está alojado parcial o totalmente con poca holgura en el conducto de estratificación 16.
Se observará en las Figuras 1 a 21 que el electrodo de lanzadera 20 está interpuesto entre el electrodo central 6 y el electrodo de tierra 7 y tiene, por un lado, un extremo del lado de la cámara 21 que se orienta hacia el electrodo de tierra 7 y que está expuesto a la presión predominante en la cámara de combustión 11 y, por otro lado, un extremo 22 del lado de la cavidad que se orienta hacia el electrodo central 6 y que está expuesto a la presión predominante en la cavidad 15 de estratificación.
Se observará que, de acuerdo con la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, el electrodo de lanzadera 20 puede trasladarse en dicho conducto de estratificación 16 bajo el efecto de la presión del gas bien hacia la cavidad de estratificación 15 cuando la presión predominante en la última es menor que la presión que prevalece en la cámara de combustión 11, o hacia la cámara de combustión 11 cuando la presión que prevalece en esta última es menor que la presión que prevalece en la cavidad de estratificación 15.
Puede observarse que el electrodo de lanzadera 20 también puede moverse en el conducto de estratificación 16 bajo el efecto de la gravedad o una aceleración, lo que no puede interpretarse como una ventaja de ningún tipo o modo de funcionamiento deseado.
La bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención comprende además al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad 23 que determina la posición del electrodo de lanzadera 20 más cercana a la cavidad 15 de estratificación.
Finalmente, dicha bujía 1 de acuerdo con la invención comprende al menos un tope 24 de electrodo de lanzadera del lado de la cámara que determina la posición del electrodo de lanzadera 20 más cercano a la cámara de combustión 11.
Se observará que, de acuerdo con una modalidad particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, el pilar 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad y/o el pilar 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara pueden consistir del electrodo 6 central y/o el electrodo de tierra 7, respectivamente.
Como variante, el electrodo de lanzadera 20 puede comprender medios de bloqueo de giro a lo largo de su eje longitudinal, que impiden que gire alrededor de dicho eje sin impedir que se traslade en el conducto de estratificación 16.
Se observará que, ventajosamente, el electrodo de lanzadera 20 y/o el conducto de estratificación 16 en donde se traslada pueden revestirse con un material anti-fricción conocido per se y/o un material anti-adherente y/o un material refractario.
Además, el electrodo de lanzadera 20 puede ser hueco o tener medios para aligeramiento, mientras que todos los tipos de electrodo conocidos para los expertos en la técnica se pueden aplicar al electrodo central 6, el electrodo de tierra 7, el extremo del lado de la cámara 21 o el extremo del lado de la cavidad 22.
De acuerdo con una modalidad particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención que se puede ver particularmente en las Figuras 2 a 21, el electrodo de lanzadera 20 puede cerrar total o parcialmente el conducto de estratificación 16 cuando está más cerca de la cavidad de estratificación 15, mientras que puede abrir dicho conducto 16 sobre una sección más ancha cuando se coloca más cerca de la cámara de combustión 11. Como se ilustra en las Figuras 2 a 11, todo o parte del conducto de estratificación 16 puede comprender un manguito aislante 25 hecho de un material eléctricamente aislante y/o térmicamente aislante y/o refractario, que es integral con dicho conducto 16 y que está interpuesto radial y/o axialmente entre el electrodo de lanzadera 20 y dicho conducto 16, siendo dicho electrodo de lanzadera 20 capaz de trasladarse dentro de dicho manguito 25. Se observa que, de acuerdo con una modalidad particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, el manguito aislante 25 puede ser integral del aislante cerámico 3 y estar dispuesto en la misma parte de material que este último.
Como variante, se puede dejar un espacio de aire entre al menos una parte del manguito aislante 25 y el conducto de estratificación 16 para limitar los intercambios de calor entre dicho manguito 25 y dicho conducto 16.
Las Figuras 3 a 8 y 11 muestran que, como variante de modalidad de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, el manguito aislante 25 puede comprender al menos un canal longitudinal para el paso del gas 35 que permite el paso de los gases desde la cavidad de estratificación 15 hasta la cámara de combustión 11 o viceversa, en donde dicho canal 35 puede estar dispuesto dentro de dicho manguito 25 y/o en la superficie interior o exterior del mismo.
Las Figuras 12 a 21 muestran en particular que el electrodo de lanzadera 20 consiste en un cuerpo de lanzadera aislante 26 que a su vez está hecho de un material eléctricamente aislante, dicho cuerpo 26 está atravesado en toda su longitud por un núcleo conductor 27 con el que es integral, dicho núcleo 27 está hecho de un material eléctricamente conductor, un primer extremo 28 de dicho núcleo 27 se orienta hacia el electrodo de tierra 7 mientras que un segundo extremo 29 de dicho núcleo 27 mira hacia el electrodo central 6.
Las Figuras 3 a 8, la Figura 11, las Figuras 13 a 18 y las Figuras 20 y 21 permiten ver claramente que el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad puede consistir en un asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera dispuesto en el conducto de estratificación 16 o en uno de los extremos de dicho conducto 16, dicho asiento que coopera 30 con una brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera que tiene el electrodo de lanzadera 20 en la periferia y/o en el extremo del mismo.
Se observa que, si el conducto de estratificación 16 aloja un manguito aislante 25, el asiento 30 de cierre de lanzadera de electrodo puede disponerse en dicho manguito 25 o en cualquiera de los extremos de dicho manguito 25.
También se observa que la brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera se puede producir a partir de un material aislante térmico y/o refractario y se puede unir al electrodo de lanzadera 20 producido a partir de material conductor eléctrico.
Como modalidad particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, el asiento de cierre 30 del electrodo de lanzadera y la brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera pueden formar un sello cuando están en contacto entre sí, evitando dicho sello que cualquier gas pase a través de dicho contacto cuando la presión que prevalece en la cámara de combustión 11 es mayor que la presión que prevalece en la cavidad de estratificación 15. Las Figuras 2 a 8 muestran claramente que el tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara puede consistir en un asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera dispuesto en el conducto de estratificación 16 o en uno de los extremos de dicho conducto 16, o en la base metálica 4, dicho el asiento 32 coopera con una brida 33 de apertura del electrodo de lanzadera que tiene el electrodo de lanzadera 20 en la periferia y/o en el extremo de la misma.
Se observa que, si el conducto de estratificación 16 aloja un manguito aislante 25, el asiento 32 de la abertura de la lanzadera del electrodo puede estar dispuesto en dicho manguito 25 o en cualquiera de los extremos de dicho manguito 25.
También se observa que la brida 33 de apertura del electrodo de lanzadera se puede producir a partir de un material aislante térmico y/o refractario y estar unida al electrodo de lanzadera 20, este último se produce a partir de un material conductor de electricidad.
También se observará que el asiento 32 de la abertura del electrodo de lanzadera y la brida 33 de la abertura del electrodo de lanzadera pueden formar un sello cuando están en contacto entre sí para evitar que cualquier gas pase a través de dicho contacto.
La Figura 21 permite observar claramente que el electrodo de lanzadera 20 puede comprender medios de guiado 34 en su periferia que mantienen dicho electrodo de lanzadera 20 aproximadamente centrado en el conducto de estratificación 16, y aproximadamente en la misma orientación longitudinal que dicho conducto 16, independientemente de la posición axial de dicho electrodo de lanzadera 20 con relación a dicho conducto 16. Las Figuras 2 a 21, excepto la Figura 9 y la Figura 19, muestran que el electrodo de lanzadera 20 puede comprender al menos un canal longitudinal 35 para el paso de gas que permite que los gases pasen desde la cavidad de estratificación 15 a la cámara de combustión 11 o viceversa, donde dicho canal 35 puede estar dispuesto en el interior y/o sobre la superficie de dicho electrodo de lanzadera 20 y puede producirse en toda la longitud de dicho electrodo de lanzadera 20, sin embargo, los dos extremos de dicho canal 35 se abren respectivamente en el extremo del lado de la cámara 21 y en el extremo del lado de la cavidad 22, o sólo sobre una porción de dicha longitud, mientras que al menos uno de dichos dos extremos de dicho canal 35 se abre radialmente desde la superficie exterior del electrodo de lanzadera 20.
Como se muestra en las Figuras 2 a 8 y las Figuras 10 y 11, la brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera y la brida 33 de apertura del electrodo de lanzadera pueden formar juntas una sola brida 36 de cierre-apertura que se define con el conducto de estratificación 16, cuando dicha brida de cierre-apertura 36 está en contacto con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera, una precámara 37 de ignición del soplete.
Se observa que, en este caso, la precámara de ignición del soplete 37 se comunica simultáneamente con la cavidad de estratificación 15 por un lado y con la cámara de combustión 11 a través de al menos un orificio de expulsión de gas 38 por otro lado, cuyo orificio de expulsión de gas, por ejemplo, puede disponerse de forma aproximadamente radial, en la base metálica 4 o en el manguito aislante 25.
Se observará que el orificio 38 de expulsión de gas puede estar más o menos orientado hacia la cámara de combustión 11 y salir más o menos tangencialmente a la circunferencia de la base 4 metálica. Además, la geometría del orificio 38 de expulsión de gas puede variar en dependencia de si el chorro de gas que sale de dicho orificio 38 se proporciona para ser más dirigido o más difuso.
A manera de ejemplo, el orificio 38 de expulsión de gas puede ser cilíndrico, cónico o también formar una convergencia o una divergencia. Además, la brida 36 de cierre-apertura se puede producir a partir de un material aislante térmico y/o refractario y se puede unir al electrodo de lanzadera 20 producido a partir de material conductor de la electricidad.
Las Figuras 3 a 8 y las Figuras 10 y 11 muestran que la precámara 37 de ignición del soplete se puede disponer dentro del manguito aislante 25.
En este caso, el manguito aislante 25 puede sobresalir de la base metálica 4 para presentar una cúpula de expulsión 47 sobresaliente desde la que se abre el orificio de expulsión de gas 38, pudiendo dicha cúpula 47, por ejemplo, mantenerse en su lugar en dicha base 4 mediante orejetas o un collar de prensado.
Además, y como se ilustra en las Figuras 2 a 11, la cúpula 47 de expulsión que sobresale puede ser una parte unida al manguito aislante 25 que también consiste en un material eléctricamente aislante y/o térmicamente aislante y/o refractario.
Esta configuración particular permite en particular montar la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención y particularmente instalar la brida 36 de cierre-apertura que constituye el electrodo de lanzadera 20 en la precámara 37 de ignición del soplete.
Las Figuras 3 a 8 muestran que el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera puede disponerse en la cúpula 47 de expulsión que sobresale.
Como se hace particularmente claro en las Figuras 10 y 11, la pared periférica interior de la precámara 37 de ignición del soplete puede ser cilíndrica mientras que la brida 36 de cierre-apertura se puede alojar con una holgura radial baja en dicha precámara 37 para dejar un pequeño juego radial entre dicha brida 36 y dicha pared, independientemente de la posición del electrodo de lanzadera 20 con con relación al conducto de estratificación 16, dicho bajo juego radial constituye un paso restringido que ralentiza los gases entre la cavidad de estratificación 15 y la cámara de combustión 11.
Además, se puede ver en las Figuras 13, 16, 17 y 18 que, cuando el electrodo de lanzadera 20 se coloca cerca de la cámara de combustión 11, es decir, en los alrededores del tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara con que coopera o en contacto con ella, la brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera puede descubrir al menos un orificio 38 de expulsión de gas que conecta la cavidad 15 de estratificación con la cámara de combustión 11, pudiendo por ejemplo disponer dicho orificio 38 aproximadamente de manera radial en la base 4 y estar más o menos orientada hacia la cámara de combustión 11 y salir más o menos tangencialmente a la circunferencia de la base metálica 4.
Además, la geometría del orificio 38 de expulsión de gas puede variar en dependencia de si el chorro de gas que sale de dicho orificio 38 se proporciona para ser más dirigido o más difuso. A manera de ejemplo, el orificio 38 de expulsión de gas puede ser cilíndrico, cónico o también formar una convergencia o una divergencia.
De acuerdo con una variante particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, particularmente mostrada en las Figuras 2 y 12, el inyector de estratificación 17 puede inyectar directa o indirectamente a través de un conducto de salida 42 del inyector la carga piloto 18 en la cavidad 15 de estratificación a través de una cámara anular 39 de inyección de carga piloto.
En este caso, la cámara anular de inyección de carga piloto 39 está dispuesta o bien en un pozo de bujía roscado 40 en donde la base metálica 4 está atornillada por medio de la rosca base 5, o en la periferia exterior de dicha base metálica 4, o ambas en dicho pozo 40 y en dicha periferia de dicha base 4, dicha cámara anular 39 se comunica con la cavidad de estratificación 15 a través de al menos un canal de inyección de gas 41 dispuesto aproximadamente de manera radial en la base metálica 4 u opcionalmente tangencialmente a la misma.
Se observará que, como otra variante de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, la cavidad de estratificación 15 está dispuesta en el interior del aislante cerámico 3. Como alternativa, dicha cavidad 15 puede revestirse con un material térmicamente aislante y/o refractario.
Se observará que los principales componentes novedosos de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, tales como el electrodo de lanzadera 20, el pilar 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad o el pilar 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara, pueden ser alojados en una base unida a la culata 10, en donde se atornilla la base metálica de una bujía convencional, que carece de un electrodo de tierra que se orienta hacia el electrodo central de la misma.
Funcionamiento de la invención:
El funcionamiento de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención se comprende fácilmente a la luz de las Figuras 1 a 21.
La Figura 1 ilustra que la bujía con electrodo de lanzadera 1 está montada aquí en un motor de combustión interna 2, estando atornillada la base metálica 4 de la misma en la culata 10 del motor 2.
Para describir el funcionamiento de la misma en detalle, se usará la modalidad ilustrativa de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, como se ilustra en las Figuras 2 a 11, en las que se puede observar que el electrodo de lanzadera 20 es una sola pieza hecha de material eléctricamente conductor que, en este caso, es un metal. De acuerdo con este ejemplo, el electrodo de lanzadera 20 se puede trasladar a un manguito aislante 25 que comprende el conducto de estratificación 16 y que está interpuesto radialmente entre el electrodo de lanzadera 20 y el conducto de estratificación 16 y que consiste de un material aislante eléctrica y térmicamente tal como una cerámica o equivalente.
Se puede observar que el manguito aislante 25 comprende tres canales longitudinales 35 para el paso del gas de sección ancha, que permiten el paso de los gases desde la cavidad de estratificación 15 a la cámara de combustión 11 o viceversa. Dichos canales 35 están dispuestos dentro de dicho manguito 25.
Se observa que, de acuerdo con esta modalidad ilustrativa no limitativo de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad consiste de un asiento 30 de cierre de electrodo de lanzadera dispuesto en el extremo del manguito aislante 25 dicho asiento que coopera 30 con una brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera que tiene el electrodo de lanzadera 20 en la periferia de la misma. Se entiende que el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera y la brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera forman un sello cuando están en contacto entre sí, para evitar que cualquier gas pase por dicho contacto cuando la presión que prevalece en la cámara de combustión 11 es mayor que la que prevalece en la cavidad de estratificación 15.
Aún de acuerdo con esta modalidad ilustrativa, también se observa que el tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara consiste en un asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera también dispuesto en el manguito aislante 25, dicho asiento 32 que coopera con una brida 33 de apertura del electrodo de lanzadera que el electrodo de lanzadera 20 tiene en la periferia y/o en su extremo.
Se observa que el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera y la brida 33 de apertura del electrodo de lanzadera forman un sello cuando están en contacto entre sí para evitar que cualquier gas pase a través de dicho contacto.
Se observa que, de acuerdo con la modalidad ilustrativa particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, usada aquí para ilustrar el funcionamiento de la misma, la brida 31 de cierre del electrodo de lanzadera y la brida 33 de apertura del electrodo de lanzadera se combinan para forman juntas una sola brida 36 de cierre-apertura. Esto es particularmente claro en las Figuras 2 a 8 y en las Figuras 10 y 11.
Se observa además en la Figura 3, en las Figuras 6 a 8 y en la Figura 10 que, cuando la brida 36 de cierre-apertura está en contacto con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera con el que coopera, define, con el manguito aislante 25, una precámara 37 de encendido del soplete que comunica simultáneamente con la cavidad 15 de estratificación, por un lado, y con la cámara de combustión 11 a través de ocho orificios 38 de expulsión de gas por otro lado.
De acuerdo con el ejemplo aquí usado, consideraremos que el diámetro de dichos orificios 38 es de quince centésimas de milímetro.
Como se ilustra en particular en las Figuras 2 a 11, para recibir la precámara 37 de ignición del soplete, el manguito aislante 25 se extiende mediante una cúpula 47 de expulsión que sobresale, dentro de la cual está dispuesta dicha precámara 37. Se observa que dicha cúpula 47 sobresale de la base metálica 4 y los orificios de expulsión de gas 38 se abren desde dicha cúpula 47.
Como puede verse en las Figuras 2 a 11, la cúpula de expulsión 47 que sobresale es una parte unida al manguito aislante 25 que también consiste de un material térmicamente aislante y/o refractario, mientras que el asiento de apertura del electrodo de lanzadera 32 está realmente dispuesto en dicha cúpula 47.
Se observará que la pared periférica interior de la precámara 37 de ignición del soplete es cilíndrica mientras que la brida 36 de cierre-apertura está alojada con una holgura radial baja en dicha precámara 37, por ejemplo, cinco centésimas de milímetro, de modo que dejar una holgura radial baja entre dicha brida 36 y dicha pared, independientemente de la posición del electrodo de lanzadera 20 con relación al conducto de estratificación 16. Dicha holgura radial reducida obliga a la mayoría de los gases transferidos desde la cámara de combustión 11 a la cavidad de estratificación 15, o viceversa, a pasar a través de los orificios de expulsión de gas 38 en lugar de entre la pared periférica interior de la precámara 37 de ignición del soplete y la brida 36 de cierre-apertura.
Se observa que, en dependencia de si la presión que prevalece en la cavidad de estratificación 15 es menor o mayor que la presión que prevalece en la cámara de combustión 11, se puede hacer que el electrodo de lanzadera 20 se coloque sobre su tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad 23, como se ilustra en las Figuras 4 y 5, o en su tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara, como se ilustra en las Figuras 2 y 3, las Figuras 6 a 8 y la Figura 10.
En este caso, y como se acaba de describir, el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad es el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera, mientras que el tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara consiste en el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera.
Cuando el electrodo de lanzadera 20 está en contacto con el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad, el espacio que queda entre el extremo del lado de la cámara 21 y el electrodo de tierra 7 es, de acuerdo con este ejemplo ilustrativo, siete décimas de milímetro, mientras que el el espacio que queda entre el extremo 22 del lado de la cavidad y el electrodo central 6 es una décima de milímetro.
A la inversa, y como se apreciará fácilmente, cuando el electrodo de lanzadera 20 está en contacto con el tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara, el espacio que queda entre el extremo del lado de la cámara 21 y el electrodo de tierra 7 es una décima de milímetro, mientras que el espacio que queda entre su extremo 22 del lado de la cavidad y el electrodo central 6 es de siete décimas de milímetro.
Así, la longitud total del arco eléctrico, o para darle otro nombre, la chispa, que debe producirse entre el electrodo de tierra 7 y el electrodo central 6, es constante a ocho décimas de milímetro, mientras que la distancia a ser recorrido por el electrodo de lanzadera 20 para ir de un pilar 23, 24 al otro es de seis décimas de milímetro.
Así, ventajosamente, la tensión eléctrica a producir para crear dicho arco eléctrico permanece constante y cercana a los valores habitualmente usados en el contexto de las bujías para motores de ignición por chispa, pero la mayor longitud de dicho arco se produce en la cámara de combustión 11 cuando el electrodo de lanzadera 20 está en contacto con el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad, y en la cavidad de estratificación 15 cuando el electrodo de lanzadera 20 está en contacto con el tope 24 del electrodo de lanzadera del lado de la cámara.
Para comprender el funcionamiento de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, es útil analizar el funcionamiento de la misma durante las cuatro carreras del motor 2 de combustión interna.
En primer lugar, consideraremos que dicho motor 2 está quemando una carga principal 12 que está prácticamente sin diluir y, por tanto, altamente combustible. Por tanto, no es necesario recurrir a una carga piloto 18, lo que permite ahorrar en la compresión de dicha carga piloto 18 y dotar a dicho motor 2 de una eficiencia máxima en este contexto. Con el electrodo de lanzadera 20 en contacto con el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad, durante la carrera de admisión del motor 2 de combustión interna, el pistón 9 desciende al cilindro 8. El volumen de la cámara de combustión 11 aumenta y la presión que prevalece en dicha cámara 11 disminuye. Una carga principal 12 se introduce en el cilindro 8 a través del conducto de admisión 13 del motor de combustión interna 2 a través de una válvula de admisión 45.
Por tanto, la presión que prevalece en la cámara de combustión 11 se vuelve momentáneamente más baja que la que prevalece en la cavidad de estratificación 15. En consecuencia, los gases contenidos en la cavidad de estratificación 15 aplican una fuerza a la brida 36 de cierre-apertura que, hasta este punto, había formado un contacto sellado con el asiento de cierre 30 del electrodo de lanzadera con el que coopera. Tal situación se ilustra en la Figura 6.
Después de dicha fuerza, el contacto entre la brida 36 de cierre-apertura y el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera se rompe y el electrodo de lanzadera 20 se mueve hacia la cámara de combustión 11 hasta que la brida 36 de apertura-cierre entra en contacto con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera, también mostrado en la Figura 6.
Al hacerlo así, los gases quemados o no quemados del ciclo anterior que todavía están contenidos en la cavidad de estratificación 15 escapan de esta última y se dirigen hacia la cámara de combustión 11 principalmente, y respectivamente, a través de los tres canales longitudinales 35 para el paso de gas que comprenden el manguito aislante 25, la precámara 37 de ignición del soplete y los orificios 38 de expulsión de gas.
También se habrá observado que, durante su recorrido, la brida 36 de cierre-apertura habrá abierto gradualmente el paso a los gases a través de los canales longitudinales 35 para el paso del gas al descubrir los orificios de expulsión de gas 38, primero parcialmente, luego cada vez más y finalmente completamente, a medida que avanza hacia el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera.
La secuencia que se acaba de describir permite encontrar la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención en la situación ilustrada en la Figura 3.
Habiendo alcanzado el pistón 9 su punto muerto inferior y habiéndose vuelto a cerrar la válvula de admisión 45, dicho pistón 9 comienza a subir de nuevo en el cilindro 8 ya comprimir la carga principal 12. El volumen de la cámara de combustión 11 disminuye y la presión predominante en dicha cámara 11 aumenta hasta llegar a ser superior a la predominante en la cavidad de estratificación 15.
En consecuencia, los gases contenidos en la cámara de combustión 11 aplican una fuerza a la brida 36 de cierreapertura que, hasta este punto, había formado un contacto sellado con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera con el que coopera. En consecuencia, el electrodo de lanzadera 20 se mueve hasta que la brida 36 de cierre-apertura entra en contacto con el asiento de cierre 30 del electrodo de lanzadera para formar un contacto sellado con este último de nuevo. Esto conduce a la situación que se muestra en la Figura 4.
Se observará que, en todos los casos, excepto durante el breve momento en donde la brida 36 de cierre-apertura forma un contacto sellado con el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera, es predominantemente la presión dinámica de los gases asociada con su desplazamiento desde la cavidad de estratificación 15 a la cámara de combustión 11, o viceversa, que actúa sobre dicha brida 36 para trasladar el electrodo de lanzadera 20.
Se entiende que la cantidad de gas que pasa a través de la brida de cierre-apertura 36 para pasar de la cámara de combustión 11 a la cavidad de estratificación 15, o viceversa, depende del movimiento del pistón 9 pero también de la relación entre, en primer lugar, el volumen total de dicho gas contenido en el cilindro 8 y la cámara de combustión 11 y, en segundo lugar, el volumen total de dicho gas contenido en la precámara de ignición del soplete 37, los canales longitudinales 35 para el paso del gas, la cavidad de estratificación 15, los canales 41 de inyección de gas, la cámara anular 39 de inyección de carga piloto y el conducto 42 de salida del inyector.
También se observará que, cuando la brida 36 de cierre-apertura forma un contacto sellado con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera, y cuando la presión aumenta en la cámara de combustión 11, la sección total que dicha brida 36 expone a la presión de los gases contenida en dicha cámara 11 es significativamente mayor que la sección total de los orificios 38 de expulsión de gas. Esto hace posible producir suficiente fuerza sobre el electrodo de lanzadera 20 para empujarlo hacia la cavidad de estratificación 15 cuando el pistón 9 vuelve a subir en el cilindro 8, a una velocidad suficientemente alta.
Con el pistón 9 que continúa subiendo en el cilindro 8, comprime la carga principal 12, que presiona la brida 36 de cierre-apertura cada vez más poderosamente contra el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera.
Cuando se va a producir la ignición de la carga principal 12, se aplica una corriente de alto voltaje al electrodo central 6 de manera que se produzca un arco eléctrico de una décima de milímetro entre dicho electrodo central 6 y el extremo 22 del lado de la cavidad del electrodo de lanzadera 20, mientras que se produce un segundo arco eléctrico de siete décimas de milímetro entre el electrodo 7 de tierra y el extremo del lado de la cámara 21 del electrodo de lanzadera 20. Esta situación se muestra en la Figura 5.
Los gases combustibles presentes opcionalmente en la cavidad de estratificación 15 no se encienden porque la distancia entre el electrodo central 6 y el extremo 22 del lado de la cavidad del electrodo de lanzadera 20 es insuficiente. De hecho, dicha distancia es menor que el grosor de la capa de extinción de llama, conocida per se, que recubre la superficie interna de la cavidad de estratificación 15.
La carga principal 12, por su parte, se enciende en condiciones similares a las que se encuentran en cualquier motor de ignición por chispa que funcione con una carga principal 12 prácticamente sin diluir y altamente combustible. Una vez que el pistón 9 ha alcanzado su punto muerto superior, vuelve a descender al cilindro 8 para expandir los gases que forman la carga principal 12, que ahora están calientes. Dicho pistón 9 realiza este descenso mientras produce trabajo sobre un cigüeñal 43 que tiene el motor de combustión interna 2, mediante una varilla de conexión 44 con la que coopera dicho cigüeñal 43.
Con el pistón 9 acercándose a su punto muerto inferior, la válvula de escape 46 del motor de combustión interna 2 se abre y los gases quemados comienzan a escapar de la cámara de combustión 11 a través del conducto de escape 14. La presión que prevalece en dicha cámara 11 cae repentinamente, volviéndose rápidamente menor que la predominante en la cavidad 15 de estratificación.
Los gases contenidos en la cavidad de estratificación 15 aplican entonces una fuerza a la brida de cierre-apertura 36 que, hasta este punto, había formado un contacto sellado con el asiento de cierre del electrodo de lanzadera 30 con el que coopera.
Siguiendo dicha fuerza, y como se muestra en la Figura 6, el electrodo de lanzadera 20 se mueve hacia la cámara de combustión 11 hasta que la brida de cierre-apertura 36 entra en contacto con el asiento de apertura del electrodo de lanzadera 32, o no si el tiempo permitido para este movimiento es demasiado corto, ya que, debido a que el pistón 9 ha pasado su punto muerto inferior, está comenzando a expulsar los gases quemados de la cámara de combustión 11 a través del conducto de escape 14.
Durante el recorrido de escape del pistón 9, se entiende que la presión de los gases aumentará sustancialmente en la cámara de combustión 11, en la medida en que el electrodo de lanzadera 20 es capaz de volver a partir hacia la cavidad de estratificación 15, hasta que la brida de cierre-apertura 36 entra en contacto o no entra en contacto con el asiento de cierre 30 del electrodo de lanzadera. Esta situación, que puede ocurrir total o parcialmente, se ilustra en la Figura 4.
Una vez que el pistón 9 ha vuelto a alcanzar su punto muerto superior al final del recorrido de escape, el motor de combustión interna 2 puede efectuar un nuevo ciclo termodinámico de cuatro tiempos, entendiéndose que la ignición del mismo puede efectuarse mediante la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención en condiciones análogas a las encontradas en cualquier motor de ignición por chispa 2 equipado con una bujía convencional y que opera una carga principal 12 sin diluir, o relativamente sin diluir y, por lo tanto, altamente combustible.
Las ventajas de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención solo son notables cuando la carga principal 12 está muy diluida, por ejemplo, con gases de escape recirculados refrigerados o "EGR refrigerado". En efecto, la mezcla de gases resultante es más resistente a la ignición y no favorece en absoluto la rápida propagación de su combustión en el espacio tridimensional de la cámara de combustión 11.
En tales condiciones, se recomienda recurrir a una carga piloto 18, con la condición de que dicha carga 18 sea efectiva no solo para iniciar la combustión sino también para propagar dicha combustión en el menor tiempo posible, siendo estos dos objetivos directamente dirigidos por la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención.
De acuerdo con la modalidad ilustrativa no limitativa de la bujía con electrodo de lanzadera 1 usada aquí para ilustrar su funcionamiento, asumiremos que la carga piloto 18 contiene un porcentaje del combustible contenido por la carga principal 12.
Como se describió anteriormente, con el electrodo de lanzadera 20 en contacto con el tope 23 del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad, durante la carrera de admisión de dicho motor 2, el pistón 9 desciende hacia el cilindro 8.
El volumen de la cámara de combustión 11 aumenta y la presión que prevalece en dicha cámara 11 disminuye. Una carga principal 12 muy diluida con EGR enfriado se introduce en el cilindro 8 por la válvula de admisión 45 a través del conducto de admisión 13 del motor de combustión interna 2.
Como se describió anteriormente, la presión que prevalece en la cámara de combustión 11 se vuelve momentáneamente más baja que la que prevalece en la cavidad de estratificación 15. En consecuencia, los gases contenidos en la cavidad de estratificación 15 aplican una fuerza a la brida 36 de cierre-apertura que, hasta este punto, había formado un contacto sellado con el asiento de cierre 30 del electrodo de lanzadera con el que coopera. Siguiendo dicha fuerza, y como se ilustra en la Figura 6, el contacto entre la brida 36 de cierre-apertura y el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera se rompe y el electrodo de lanzadera 20 se mueve hacia la cámara de combustión 11 hasta que la brida 36 de cierre-apertura entra en contacto con el asiento de apertura del electrodo de lanzadera 32.
De esta manera, los gases quemados o no quemados del ciclo anterior que aún están contenidos en la cavidad de estratificación 15 escapan de esta última y se dirigen hacia la cámara de combustión 11 respectivamente a través de los tres canales longitudinales 35 para el paso de gas que comprenden el manguito aislante 25, la precámara 37 de ignición del soplete y los ocho orificios 38 de expulsión de gas.
Habiendo alcanzado el pistón 9 su punto muerto inferior y habiéndose vuelto a cerrar la válvula de admisión 45, dicho pistón 9 comienza a subir de nuevo en el cilindro 8 y a comprimir la carga principal 12 que está fuertemente diluida con EGR refrigerado. El volumen de la cámara de combustión 11 disminuye y la presión que prevalece en dicha cámara 11 aumenta hasta llegar a ser mayor que la que prevalece en la cavidad de estratificación 15.
En consecuencia, los gases contenidos en la cámara de combustión 11 aplican una fuerza a la brida 36 de cierreapertura que, hasta este punto, había formado un contacto sellado con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera con el que coopera. En consecuencia, y como se ilustra en la Figura 4, el electrodo de lanzadera 20 se mueve rápidamente hasta que la brida 36 de cierre-apertura entra en contacto con el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera para formar un nuevo contacto sellado con este último.
Con el pistón 9 subiendo en el cilindro 8, la presión que prevalece en la cámara de combustión 11 sigue aumentando mientras que la presión que prevalece en la cavidad de estratificación 15 ya no sube y conserva el valor que tenía en el instante en que la brida de cierre-apertura 36 se apoyó contra el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera para formar un contacto sellado con el mismo.
La cavidad de estratificación 15 forma ahora un volumen protegido en donde los gases contenidos en la cámara de combustión 11 ya no pueden penetrar.
A partir de este instante, el inyector de estratificación 17 comienza a inyectar una carga piloto 18, que consiste de una mezcla de comburente-combustible AF fácilmente inflamable, en la cavidad de estratificación 15 a través del conducto de salida del inyector 42, y a través de la cámara anular de inyección de carga piloto 39 dispuesta en el hueco roscado de la bujía 40.
Como puede verse en las Figuras 2 a 12, esto es posible por el hecho de que la cámara anular 39 de inyección de carga piloto se comunica con la cavidad 15 de estratificación por medio -de acuerdo con este ejemplo no limitativode ocho canales 41 de inyección de gas dispuestos radialmente en la base metálica 4 a la altura de la cámara anular 39 de inyección de carga piloto.
Con la cavidad de estratificación 15 formando, en primer lugar, un volumen cerrado y protegido, la mezcla de comburente-combustible fácilmente inflamable AF que forma la carga piloto 18 no se diluye en absoluto con gases que no son fácilmente inflamables porque están muy diluidos con el EGR enfriado que forma la carga principal 12. Solo quedan los gases residuales diluidos con EGR que fueron introducidos en la cavidad de estratificación 15 antes de que la brida 36 de cierre-apertura llegara a tope contra el asiento 30 de cierre del electrodo de lanzadera, representando dichos gases diluidos solo un pequeño por ciento de la carga piloto 18.
Se observará que el inicio de la inyección de la carga piloto 18 en la cámara de estratificación 15 por el inyector de estratificación 17 fue accionado por orden de un ordenador de gestión, no mostrado, del motor de combustión interna 2, teniendo en cuenta la dinámica y el caudal de dicho inyector 17 y de manera que que la presión que prevalece en dicha cavidad 15 sea mayor que la que prevalece en la cámara de combustión 11 solo unos pocos grados de rotación del cigüeñal 43 antes de que se encienda la carga principal 12.
Cuando la presión que prevalece en la cavidad de estratificación 15 es realmente mayor que la que prevalece en la cámara de combustión 11, se aplica una fuerza a la brida de cierre-apertura 36 por los gases que consisten principalmente de la mezcla de comburente-combustible AF fácilmente inflamable.
Esto da como resultado que dicha brida 36 se mueva rápidamente hacia la cámara de combustión 11 para hacer tope contra el asiento 32 de abertura del electrodo de lanzadera y formar un contacto sellado con él. Esto se ilustra más claramente en la Figura 7.
Durante su movimiento, la brida 36 de cierre-apertura permitió que una pequeña porción de la mezcla AF de comburente-combustible fácilmente inflamable que constituye la carga piloto 18 escapase principalmente a través de los orificios 38 de expulsión de gas.
Una vez que ha entrado en contacto con el asiento 32 de apertura del electrodo de lanzadera, dicha brida 36 ha distanciado de ese modo el extremo 22 del lado de la cavidad del electrodo de lanzadera 20 en siete décimas de milímetro del electrodo central 6 de manera que una corriente de alto voltaje puede ahora aplicarse al electrodo central 6 de manera que se produzca un arco eléctrico de siete décimas de milímetro entre dicho electrodo central 6 y el extremo 22 del lado de la cavidad del electrodo de lanzadera 20, mientras que un segundo arco eléctrico de una décima de milímetro se produce entre el electrodo 7 de tierra y el extremo del lado de la cámara 21 del electrodo de lanzadera 20. Esta situación se ilustra en la Figura 8.
Dado que la carga piloto 18 está sometida localmente al calor de la chispa así creada, y debido al hecho de que consiste principalmente en una mezcla AF de comburente-combustible fácilmente inflamable, se enciende rápidamente mientras la presión aumenta violentamente en la cavidad de estratificación 15 y en la cámara de inyección de carga piloto anular 39 a varios bares por encima de la presión que prevalece al mismo tiempo en la cámara de combustión 11.
Esto da como resultado que una fracción adicional no quemada de la carga piloto 18 sea expulsada a la cámara de combustión 11 a través de los ocho orificios de expulsión de gas 38, siendo dicha fracción seguida inmediatamente por sopletes de gas ardiente que producen su ignición, dichos sopletes también producen la ignición de la porción de los gases que constituyen la carga piloto 18 que fue expulsada a través de los orificios de expulsión de gas 38 antes de que se disparara la chispa, como se muestra en la Figura 7.
Esta configuración particular tiene varias ventajas, todas dirigidas a la ignición más efectiva posible de la carga principal 12 con la carga piloto 18, siendo esta última lo más pequeña posible para minimizar el costo de la misma en términos de energía de compresión, en particular por medios del compresor de estratificación 19.
En primer lugar, como se ha visto, la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención permite evitar cualquier dispersión excesiva de la carga piloto 18 en la carga principal 12 durante la inyección de dicha carga piloto 18 y antes de producir su ignición.
A continuación, la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención permite, en unos pocos micro segundos, que una porción de la carga piloto 18 penetre en la carga principal 12 para enriquecerla muy localmente en la mezcla de comburente-combustible fácilmente inflamable AF antes de producir la ignición de dicha porción por medio de los sopletes de gas ardiente. Esta particularidad permite evitar que los gases calientes conviertan demasiado calor en pura pérdida a las paredes internas de la cavidad de estratificación 15 y, particularmente, a las de los canales longitudinales 35 de paso del gas, de la precámara de ignición del soplete 37 y de los orificios de expulsión de gas 38.
Además, como se muestra claramente en la Figura 8, los gases en combustión expulsados por los ocho orificios de expulsión de gas 38 dispuestos radialmente en la cúpula de expulsión 47 que sobresale forman sopletes de gas en combustión que producen la ignición de la carga principal 12 en múltiples ubicaciones en la cámara de combustión 11, la combustión de dicha carga 12 se propaga entonces radialmente desde la periferia de dicha cámara 11 hacia el centro de dicha cámara 11, y tangencialmente entre cada soplete.
La fuerte turbulencia local resultante de la penetración de dichos sopletes en el volumen de la cámara de combustión 11 también promueve la distorsión del frente de llama generado por cada uno de dichos sopletes, lo que aumenta aún más su efectividad para promover la rápida combustión de la carga principal 12.
Se observará en este punto que cuanto mayor sea el volumen de gas entre el electrodo central 6 y los orificios de expulsión de gas 38 en comparación con el volumen de gas entre la salida del inyector de estratificación 17 y dicho electrodo central 6, mayor será la masa de mezcla comburente-combustible (AF) no quemada expulsada por los orificios de expulsión de gas 38 antes de la formación de los sopletes.
Por tanto, es posible que los ingenieros de fabricación de motores elijan esta relación adaptando apropiadamente las posiciones relativas y los volúmenes de los diversos elementos que constituyen la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención.
También se puede observar que la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención permite asegurar fácilmente la limpieza de la cúpula de eyección 47 que sobresale, incluso cuando el motor de combustión interna 2 ha estado funcionando durante mucho tiempo con una carga principal sin diluir 12 y por tanto sin haber recurrido a una carga piloto 18.
En efecto, es notoriamente conocido que la cabeza del aislante cerámico de las bujías, que se introduce en la cámara de combustión 11 de los motores de ignición por chispa, debe retener una temperatura idealmente de entre aproximadamente cuatrocientos grados Celsius para quemar todo el carbón o depósitos de petróleo cocido, y ochocientos grados centígrados, más allá de esta temperatura los surgen graves riesgos de auto ignición descontrolada de la carga principal 12.
Por tanto, se observa que, en dependencia de de la configuración particular de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención que se acaba de usar como ejemplo para ilustrar el funcionamiento de la misma, es la cúpula de eyección 47 que sobresale la que puede ensuciarse debido a falta de temperatura, o provocar la auto ignición incontrolada de la carga principal 12 por exceso de temperatura.
El ensuciamiento de la brida de cierre-apertura 36, por su parte, no plantea ningún problema en particular porque dicha brida 36 se eleva a una alta temperatura cuando es tocada por los gases en combustión que salen o entran en la cavidad de estratificación 15, luego se enfría una vez finalizada la combustión de la carga principal 12 ha tenido lugar descansando varias veces sobre el asiento de cierre del electrodo de lanzadera 30 con el que coopera.
Cuando la combustión de la carga principal 12 no requiere una carga piloto 18, la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención se comporta más como una bujía "fría", estando la cúpula de eyección 47 que sobresale directamente en contacto con la base metálica 4 que está en contacto con la culata 10 que normalmente se mantiene a unos ciento diez grados Celsius cuando el motor 2 de combustión interna ha alcanzado su temperatura nominal de funcionamiento.
Se observará que se puede dejar un espacio de aire entre una parte del manguito aislante 25 y el conducto de estratificación 16 para limitar los intercambios de calor entre dicho manguito 25 y dicho conducto 16. Esto permite, en particular, regular la temperatura media de la cúpula de expulsión 47 que sobresale.
Como alternativa, es posible limpiar térmicamente la cúpula 47 de expulsión que sobresale realizando inyecciones regulares de cargas piloto 18 por medio del inyector de estratificación 17, dichas cargas piloto aumentan la temperatura de dicha cúpula 47 hasta obtener la limpieza deseada.
Por el contrario, y si está justificado, también es posible reducir la temperatura de la cúpula de expulsión saliente 47 realizando, por ejemplo, inyecciones de aire solo en la cavidad de estratificación 15, por ejemplo, durante las carreras de admisión o escape del motor de combustión interna 2.
Debe tenerse en cuenta el papel decisivo del electrodo de lanzadera 20 en la limitación de la tensión de ignición. De hecho, una alta tensión de ignición reduce en gran medida la vida útil de las bujías, en particular por la corrosión de los electrodos que comprenden. Además, tal tensión requiere aislantes sólidos que son difíciles de alojar y susceptibles de romperse bajo el efecto de la temperatura.
Siendo todo lo demás igual, la tensión de ignición requerida es aproximadamente proporcional a la longitud del espacio entre electrodos, mientras que dicha tensión debe ser tanto mayor cuanto mayor sea la densidad de los gases entre dichos electrodos.
La dificultad asociada a la estrategia del EGR refrigerado es, por tanto, totalmente comprensible, siendo el EGR refrigerado especialmente recomendado para motores de ignición por chispa que están sobrealimentados, por ejemplo, por un turbocompresor, y que permite aumentar ventajosamente la relación volumétrica de dichos motores y, por tanto, su eficiencia media, que a cambio aumenta la presión de la carga principal 12 en el momento en que se produce la ignición.
Esto conduce a una alta densidad de gas entre los electrodos, lo que justifica unir estos últimos para evitar tener que recurrir a una tensión de ignición demasiado alta.
Dado que el electrodo de lanzadera 20 se mueve para dejar alternativamente la longitud de chispa más larga en la cavidad de estratificación 15 o en la cámara de combustión 11, la longitud total de dicha chispa permanece invariablemente limitada a ocho décimas de milímetro de acuerdo con el ejemplo usado aquí para ilustrar el funcionamiento de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención.
El espacio resultante entre electrodos es siempre suficiente, ya que si el motor está funcionando con una carga principal 12 muy diluida con EGR refrigerado, la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención recurre a una carga piloto 18 que consiste de una mezcla comburente-combustible altamente inflamable AF, mientras que si la carga principal 12 no se diluye, el espacio entre electrodos permanece de acuerdo con las reglas técnicas habitualmente aplicadas por los expertos en la técnica.
Por lo tanto, el electrodo de lanzadera 20 hace posible tener dos ubicaciones de ignición discretas, en este caso la cavidad de estratificación 15 y la cámara de combustión 11, sin requerir que se proporcione un sistema de ignición dual, cada uno con su propia bobina y cables conductores, que se volvería difícil de alojar, o un mayor espacio total entre electrodos que requeriría una alta tensión de ignición.
La elección de uno u otro se realiza automáticamente en dependencia de si el inyector de estratificación 17 está inyectando una carga piloto 18 en la cavidad de estratificación 15.
También se observará que la bujía con electrodo de lanzadera 1 permite que el motor de combustión interna 2 funcione normalmente, como cualquier motor 2 operando una carga principal 12 que no se diluye con EGR refrigerado en caso de falla en el compresor de estratificación 19, el inyector de estratificación 17 o cualquier otro elemento que permita suministrar a la cavidad de estratificación 15 una mezcla AF de comburente-combustible altamente inflamable.
En este caso, la ignición de la carga principal 12 ya no se produce a través de ninguna precámara "pasiva", ya que este tipo de precámara no está adaptada a motores de vehículos de motor que operan con velocidades y cargas infinitamente variables, sino a través de electrodos que sobresalen que son compatibles con la inyección directa de gasolina, cuyo funcionamiento es similar al de las bujías habituales de producción masiva que se venden en la industria automotriz.
La variante de modalidad, ilustrada en las Figuras 2 a 11, de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención, se eligió a manera de ejemplo para ilustrar el funcionamiento de la misma. Se observará que otra variante de modalidad de dicha bujía 1 ilustrada en las Figuras 12 a 21 se basa en principios similares y que la explicación que se acaba de dar se puede adaptar fácilmente a dichas Figuras 12 a 21 que están dispuestas en el mismo orden relativo en relación con dicha operación.
Las posibilidades de la bujía con electrodo de lanzadera 1 de acuerdo con la invención no se limitan a las aplicaciones que se acaban de describir, y además debe entenderse que la descripción anterior se ha dado únicamente a manera de ejemplo y que en modo alguno limita el alcance de dicha invención, que no se apartará de la sustitución de los detalles de implementación descritos por cualquier otro equivalente.

Claims (20)

  1. REIVINDICACIONES
    i. Una bujía con electrodo de lanzadera (1) para un motor de combustión interna (2), comprendiendo dicha bujía (1) al menos uno de los electrodos (6, 7) y un aislante cerámico (3) alojado en una base metálica (4) que tiene un roscado de base (5), recibiendo dicha bujía (1) también una cavidad de estratificación (15) configurada para conectarse a una cámara de combustión (11) que comprende el motor de combustión interna (2) a través de un conducto de estratificación (16) mientras que un inyector de estratificación (17) puede inyectar directa o indirectamente en dicha cavidad (15) una carga piloto previamente presurizada (18), estando dicha carga (18) que que consiste de una mezcla comburente-combustible que puede encenderse fácilmente por medio de una chispa, comprendiendo dicha bujía
    • al menos un electrodo central (6) que desemboca en la cavidad de estratificación (15);
    • al menos un electrodo de lanzadera (20) que es total o parcialmente de un material eléctricamente conductor y que está alojado parcial o totalmente con una pequeña holgura en el conducto de estratificación (16), estando dicho electrodo de lanzadera (20) interpuesto entre el electrodo central (6) y un electrodo de tierra (7) y que tiene, por un lado, un extremo del lado de la cámara (21) que se orienta hacia el electrodo de tierra (7) y que se configura para ser expuesto a la presión predominante en la cámara de combustión (11) y, por otro lado, un extremo del lado de la cavidad (22) que se orienta hacia el electrodo central (6) y que está expuesto a la presión predominante en la cavidad de estratificación (15), pudiendo dicho electrodo de lanzadera (20) trasladarse en dicho conducto (16) bajo el efecto de la presión del gas hacia la cavidad de estratificación (15) cuando la presión que prevalece en esta última es menor que la presión que prevalece en la cámara de combustión (11), o hacia la cámara de combustión ( 11) cuando la presión que prevalece en esta última es menor que la presión predominante en la cavidad de estratificación (15);
    • al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cavidad (23) que determina la posición del electrodo de lanzadera (20) más cercano a la cavidad de estratificación (15);
    • al menos un tope de electrodo de lanzadera del lado de la cámara (24) que determina la posición del electrodo de lanzadera (20) más cercano a la cámara de combustión (11).
  2. 2. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo de lanzadera (20) cierra total o parcialmente el conducto de estratificación (16) cuando está más cerca de la cavidad de estratificación (15), mientras que abre dicho conducto (16) sobre una sección más ancha cuando se coloca más cerca de la cámara de combustión (11).
  3. 3. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque todo o parte del conducto de estratificación (16) comprende un manguito aislante (25) hecho de un material eléctricamente aislante y/o térmicamente aislante y/o refractario, que es integral con dicho conducto (16), y que está interpuesto radial y/o axialmente entre el electrodo de lanzadera (20) y dicho conducto (16), siendo dicho electrodo de lanzadera (20) capaz de trasladarse dentro de dicho manguito (25).
  4. 4. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizada porque el manguito aislante (25) comprende al menos un canal longitudinal (35) para el paso de gas que permite que los gases pasen desde la cavidad de estratificación (15) a la cámara de combustión (11) o viceversa, en donde dicho canal (35) puede disponerse dentro de dicho manguito (25) y/o sobre la superficie interior o exterior del mismo.
  5. 5. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo de lanzadera (20) consiste de un cuerpo de lanzadera aislante (26) hecho de un material eléctricamente aislante, siendo dicho cuerpo (26) atravesado en toda su longitud por un núcleo conductor (27) con el que es integral, dicho núcleo (27) estando hecho de un material eléctricamente conductor, un primer extremo (28) de dicho núcleo (27) que se orienta hacia el electrodo de tierra (7) mientras que un segundo extremo (29) de dicho núcleo (27) se orienta hacia el electrodo central (6).
  6. 6. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el tope del electrodo de lanzadera del lado de la cavidad (23) consiste en un asiento de cierre del electrodo de lanzadera (30) dispuesto en el conducto de estratificación (16) o en uno de los extremos de dicho conducto (16), dicho asiento (30) que coopera con una brida de cierre del electrodo de lanzadera (31) que el electrodo de lanzadera (20) tiene en la periferia y/o en su extremo.
  7. 7. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque el asiento de cierre del electrodo de lanzadera (30) y la brida de cierre del electrodo de lanzadera (31) forman un sello cuando están en contacto entre sí, dicho sello que impide que cualquier gas pase por dicho contacto cuando la presión que prevalece en la cámara de combustión (11) es mayor que la presión predominante en la cavidad de estratificación (15).
  8. 8. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el tope de electrodo de lanzadera del lado de la cámara (24) consiste en un asiento de apertura del electrodo de lanzadera (32) dispuesto en el conducto de estratificación (16) o en uno de los extremos de dicho conducto (16), o en la base metálica (4), dicho asiento (32) que coopera con una brida de apertura del electrodo de lanzadera (33) que el electrodo de lanzadera (20) tiene en la periferia y/o en el extremo de la misma.
  9. 9. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizada porque el asiento de apertura del electrodo de lanzadera (32) y la brida de abertura del electrodo de lanzadera (33) forman un sello cuando están en contacto entre sí para evitar que cualquier gas pase a través de dicho contacto.
  10. 10. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo de lanzadera (20) comprende unos medios de guía (34) en su periferia que mantienen dicho electrodo de lanzadera (20) aproximadamente centrado en el conducto de estratificación (16), y aproximadamente en la misma orientación longitudinal que dicho conducto (16), independientemente de la posición axial de dicho electrodo de lanzadera (20) con con relación a dicho conducto (16).
  11. 11. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el electrodo de lanzadera (20) comprende al menos un canal longitudinal (35) para el paso del gas que permite que los gases pasen desde la cavidad de estratificación (15) a la cámara de combustión (11) o viceversa, en donde dicho canal (35) puede estar dispuesto en el interior y/o en la superficie de dicho electrodo de lanzadera (20) y puede producirse en toda la longitud de dicho electrodo de lanzadera (20), sin embargo, los dos extremos de dicho canal (35) se abren respectivamente en el extremo del lado de la cámara (21) y en el extremo del lado de la cavidad (22), o solo sobre una porción de dicha longitud, mientras que al menos uno de dichos dos extremos de dicho canal (35) se abre radialmente desde la superficie exterior del electrodo de lanzadera (20).
  12. 12. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con las reivindicaciones 6 y 9, caracterizada porque la brida de cierre del electrodo de lanzadera (31) y la brida de apertura del electrodo de lanzadera (33) forman juntas una sola brida de cierre-apertura (36) que define con el conducto de estratificación (16) -cuando dicha brida de cierre-apertura (36) está en contacto con el asiento de apertura del electrodo de lanzadera (32)- una precámara de ignición del soplete (37) que comunica simultáneamente con la cavidad de estratificación (15) por un lado y con la cámara de combustión (11) a través de al menos un orificio de expulsión de gas (38) por otro lado.
  13. 13. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con las reivindicaciones 3 y 12, caracterizada porque la precámara de ignición del soplete (37) está dispuesta dentro del manguito aislante (25).
  14. 14. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizada porque el manguito aislante (25) sobresale de la base metálica (4) para presentar una cúpula de expulsión saliente (47) desde la cual se abre el orificio de expulsión de gas (38).
  15. 15. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizada porque la cúpula de expulsión saliente (47) es una parte unida al manguito aislante (25).
  16. 16. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 14, caracterizada porque el asiento de apertura del electrodo de lanzadera (32) está dispuesto en la cúpula de expulsión saliente (47).
  17. 17. 17.La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizada porque la pared periférica interior de la precámara de ignición del soplete (37) es cilíndrica mientras que la brida de cierreapertura (36) está alojada con una holgura radial baja en dicha precámara (37).
  18. 18. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizada porque, cuando el electrodo de lanzadera (20) se coloca cerca de la cámara de combustión (11), es decir en los alrededores del tope del electrodo de lanzadera del lado de la cámara (24) con el que coopera o en contacto con el mismo, la brida de cierre del electrodo de lanzadera (31) deja al descubierto al menos un orificio de expulsión de gas (38) que conecta la cavidad de estratificación (15) con la cámara de combustión (11).
  19. 19. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el inyector de estratificación (17) puede, directa o indirectamente a través de un conducto de salida del inyector (42), inyectar la carga piloto (18) en la cavidad de estratificación (15) a través de una cámara anular de inyección de carga piloto (39) que está dispuesta en un pozo de bujía roscado (40) en donde se atornilla la base metálica (4) por medio del roscado de la base (5), o en la periferia exterior de dicha base metálica (4), o tanto en dicho pozo (40) como en dicha periferia de dicha base (4), dicha cámara anular (39) se comunica con la cavidad de estratificación (15) a través de al menos un canal de inyección de gas (41) dispuesto aproximadamente de manera radial en la base metálica (4).
  20. 20. La bujía con electrodo de lanzadera de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque la cavidad de estratificación (15) está dispuesta dentro del aislante cerámico (3).
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