Motor de múltiples cilindros, vehículo, embarcación y método de escape de motor de múltiples cilindros.

Motor (1) de combustión interna de múltiples cilindros, que comprende:

una pluralidad de cámaras (10) de combustión que tienen cada una al menos un orificio (9a) de escape;

una pluralidad de válvulas (9) de escape para abrir o cerrar cada una el orificio (9a) de escape; y

un trayecto (16) de escape para guiar gas de escape descargado desde cada una de las cámaras (10) decombustión a través del orificio (9a) de escape:

en el que:

el trayecto (16) de escape comprende:

una sección (32) convergente que tiene una menor área de sección transversal de trayecto de flujo enun extremo aguas abajo de la misma que en un extremo aguas arriba de la misma;

una sección (33) divergente prevista aguas abajo con respecto a la sección (32) convergente y que tieneuna mayor área de sección transversal de trayecto de flujo en un extremo aguas abajo de la misma queen un extremo aguas arriba de la misma; y

una sección (173e; 181) fusionada de escape prevista aguas arriba con respecto a la sección (33)divergente para conectar una pluralidad de cámaras (10) de combustión, cuyos periodos de apertura delos orificios (9a) de escape no se solapan, sin conectar una pluralidad de cámaras (10) de combustión,cuyos periodos de apertura de los orificios (9a) de escape se solapan, en el que la sección fusionada deescape (173e; 181) está configurada para conectar una primera sección (19a; 173a) aguas arriba paraguiar el gas de escape descargado desde un primer orificio (9a) de escape y una segunda sección (19b;173d) aguas arriba para guiar el gas (9a) de escape descargado desde un segundo oficio (9a) deescape, en el que la longitud de la primera sección (19a; 173a) aguas arriba y la longitud de la segundasección (19b; 173d) aguas arriba son iguales;

una onda de choque, que se propaga en la sección (173e; 173f; 181) fusionada de escape a una velocidadmayor que el gas de escape que fluye al interior de la sección (131) fusionada de escape cuando se abre unode la pluralidad de orificios de escape conectados por la sección (131) fusionada de escape, se refleja por laválvula (9) de escape que cierra otro de la pluralidad de orificios (9a) de escape;

el gas de escape que fluye al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión sehace pasar por la sección (32) convergente y colisionar contra la onda de choque reflejada, entre un extremoaguas arriba de la sección (131) fusionada de escape y la sección (33) divergente, aumentando por tanto lapresión del gas de escape en la sección convergente; y

el gas de escape se hace pasar por la sección (33) divergente para generar una nueva onda de choque ygenerar por tanto una presión negativa en una parte del trayecto (16) de escape que está aguas arriba conrespecto a la sección (33) divergente por la nueva onda de choque generada.

Motor de múltiples cilindros, vehículo, embarcación y método de escape de motor de múltiples cilindros.

CAMPO TÉCNICO

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna de múltiples cilindros, a un vehículo, a una embarcación marítima y a un método de escape para un motor de combustión interna de múltiples cilindros.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Convencionalmente, con el fin de mejorar los rendimientos de motores de combustión interna, se han mejorado dispositivos de escape de gas de los motores de combustión interna. Por ejemplo, tal como se describe en el documento de patente 1, se ha propuesto un motor de combustión interna que incluye una tobera convergentedivergente (denominada generalmente “tobera de Laval”) con el fin de mejorar la eficacia de depuración. La tobera incluye una sección convergente que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo que disminuye a medida que avanza un fluido, una sección divergente prevista aguas abajo con respecto a la sección convergente y que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo que aumenta a medida que avanza el fluido, y una sección de garganta prevista entre la sección convergente y la sección divergente. Cuando la razón de presión de la presión P0 en la sección convergente y la presión P en la sección divergente (es decir, P/P0) es menor que la razón de presión crítica (para el aire, aproximadamente 0, 528) , la velocidad del fluido supera la velocidad del sonido en la sección divergente. El documento de patente 1 tiene el objetivo de mejorar la eficacia de depuración usando esta función de esta tobera. Específicamente, tal como se muestra en la figura 1 del documento de patente 1, seis orificios de escape del motor de combustión interna de seis cilindros en línea se fusionan en un tubo de escape fusionado. Además, el trayecto de escape del mismo se establece para tener una longitud tal que aumenta la eficacia de depuración, y la tobera está prevista en la salida de escape del tubo de escape fusionado. El documento de patente 1 describe que el flujo de gas de escape, que ha pasado por la tobera y por tanto ha aumentado su velocidad, absorbe el gas de escape que queda en el tubo de escape fusionado, y por tanto puede mejorarse la eficacia de depuración.

El documento US 5216883 da a conocer un conjunto de cabeza colectora para un motor de combustión interna. El conjunto de cabeza colectora incluye un par de tubos colectores que tienen extremos de descarga, un colector montado en los extremos de descarga y tiene una carcasa que dirige impulsos de gas de escape desde ambos tubos hacia el exterior. El colector está formado para producir el flujo de impulsos de escape de manera que se acoplan de manera fluida impulsos de gas de escape desfasados en cada uno de los tubos con los otros en una cantidad suficiente para aumentar la potencia en caballos del motor a sustancialmente todas las velocidades de funcionamiento normal. Los tubos colectores próximos a la entrada al colector de cabeza están formados para la descarga de gases a lo largo de una interface o límite común de longitud transversal sustancial para efectuar el acoplamiento fluido. Adicionalmente, el colector está libre de canalización o salientes para permitir una expansión transversal no restringida de los impulsos a través del tubo colector adyacente.

DOCUMENTOS DE LA TÉCNICA ANTERIOR

DOCUMENTOS DE PATENTE

Documento de patente 1: publicación de modelo de utilidad japonés abierta a consulta por el público n.º 1-76520.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

PROBLEMAS QUE VAN A RESOLVERSE MEDIANTE LA INVENCIÓN

Los presentes inventores han estudiado motores de combustión interna que usan la función de una tobera convergentedivergente tal como se describe en el documento de patente 1. Mientras estudiaban los motores de combustión interna, los presentes inventores descubrieron que cuando la velocidad del gas de escape aumenta a la velocidad del sonido para generar una onda de choque, disminuye la presión en una zona aguas arriba con respecto a la onda de choque. Los presentes inventores concibieron mejorar los rendimientos de un motor de combustión interna generando una presión negativa en el trayecto de escape usando una disminución de este tipo de la presión en la zona aguas arriba con respecto a la onda de choque. Sin embargo, como resultado de estudiar de manera activa el documento de patente 1, los presentes inventores descubrieron que incluso aunque la velocidad del gas de escape se vuelva alta debido a la acción de la tobera convergente-divergente, no puede generarse una presión negativa en una parte del tubo de escape fusionado que está aguas arriba con respecto a la tobera por los siguientes motivos. El motor de combustión interna descrito en el documento de patente 1 es un motor de combustión interna de seis cilindros y explota cada 120 grados del ángulo de manivela. Por tanto, se genera una onda de presión en el trayecto de escape a un intervalo de 120 grados. En general, el ángulo en el que se abre el orificio de escape de un motor de combustión interna (ángulo de trabajo) es de aproximadamente 240 grados. En el motor de combustión interna descrito en el documento de patente 1, los orificios de los cilindros se fusionan en una tobera convergente-divergente en una posición aguas arriba con respecto a la misma. Por tanto, mientras el orificio de escape de un cilindro está abierto, se abre el orificio de escape de al menos uno de los cilindros restantes. Antes de que se cierre el orificio de escape de un cilindro, se abre el orificio de escape del cilindro en el que va a producirse la siguiente explosión y se genera la siguiente onda de presión. Por este motivo, el interior del tubo de escape fusionado está siempre en un estado de presión positiva. Incluso aunque la razón de presión de la presión P0 en la sección convergente y la presión P en la sección divergente (es decir, P/P0) disminuya para que sea menor que la razón de presión crítica y la velocidad del gas de escape supere la velocidad del sonido en la sección divergente, el interior del tubo de escape fusionado siempre se mantiene en estado de presión positiva. Como resultado, no puede esperarse que los rendimientos del motor de combustión interna mejoren completamente.

La presente invención realizada a la luz de tales circunstancias tiene el objetivo de proporcionar un motor de combustión interna de múltiples cilindros novedoso que incluye orificios de escape de una pluralidad de cilindros conectados entre sí, que ofrece rendimientos mejorados aplicando el principio de la tobera convergente-divergente.

MEDIOS PARA RESOLVER LOS PROBLEMAS

Un motor de combustión interna de múltiples cilindros según la presente invención comprende una pluralidad de cámaras de combustión que tienen cada una al menos un orificio de escape; una pluralidad de válvulas de escape para abrir o cerrar cada una el orificio de escape; y un trayecto de escape para guiar el gas de escape descargado desde cada una de las cámaras de combustión a través del orificio de escape. El trayecto de escape comprende una sección convergente que tiene una menor área de sección transversal de trayecto de flujo en un extremo aguas abajo de la misma que en un extremo aguas arriba de la misma; una sección divergente prevista aguas abajo con respecto a la sección convergente y que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo mayor en un extremo aguas abajo de la misma que en un extremo aguas arriba de la misma; y sección fusionada de escape prevista aguas arriba con respecto a la sección divergente para conectar una pluralidad de cámaras de combustión, cuyos periodos de apertura de los orificios de escape no se solapan, sin conectar una pluralidad de cámaras de combustión, cuyos periodos de apertura de los orificios de escape se solapan. Una onda de choque, que se propaga en la sección fusionada de escape a una velocidad mayor que el gas de escape que fluye al interior de la sección fusionada de escape cuando se abre uno de la pluralidad de orificios de escape conectados por la sección fusionada de escape, se refleja por la válvula de escape que cierra otro de la pluralidad de orificios de escape. El gas de escape que fluye al interior del trayecto de escape desde la cámara de combustión se hace pasar por la sección convergente y se hace colisionar contra la onda de choque reflejada, entre un extremo aguas arriba de la sección fusionada de escape y la sección divergente, aumentando así la presión del gas de escape en la sección convergente. El gas de escape se hace pasar por la sección divergente para generar una nueva onda de choque y generar por tanto una presión negativa en una parte del... [Seguir leyendo]

1. Motor (1) de combustión interna de múltiples cilindros, que comprende:

una pluralidad de cámaras (10) de combustión que tienen cada una al menos un orificio (9a) de escape;

una pluralidad de válvulas (9) de escape para abrir o cerrar cada una el orificio (9a) de escape; y

un trayecto (16) de escape para guiar gas de escape descargado desde cada una de las cámaras (10) de combustión a través del orificio (9a) de escape:

en el que:

el trayecto (16) de escape comprende:

una sección (32) convergente que tiene una menor área de sección transversal de trayecto de flujo en un extremo aguas abajo de la misma que en un extremo aguas arriba de la misma;

una sección (33) divergente prevista aguas abajo con respecto a la sección (32) convergente y que tiene una mayor área de sección transversal de trayecto de flujo en un extremo aguas abajo de la misma que en un extremo aguas arriba de la misma; y

una sección (173e; 181) fusionada de escape prevista aguas arriba con respecto a la sección (33) divergente para conectar una pluralidad de cámaras (10) de combustión, cuyos periodos de apertura de los orificios (9a) de escape no se solapan, sin conectar una pluralidad de cámaras (10) de combustión, cuyos periodos de apertura de los orificios (9a) de escape se solapan, en el que la sección fusionada de escape (173e; 181) está configurada para conectar una primera sección (19a; 173a) aguas arriba para guiar el gas de escape descargado desde un primer orificio (9a) de escape y una segunda sección (19b; 173d) aguas arriba para guiar el gas (9a) de escape descargado desde un segundo oficio (9a) de escape, en el que la longitud de la primera sección (19a; 173a) aguas arriba y la longitud de la segunda sección (19b; 173d) aguas arriba son iguales;

una onda de choque, que se propaga en la sección (173e; 173f; 181) fusionada de escape a una velocidad mayor que el gas de escape que fluye al interior de la sección (131) fusionada de escape cuando se abre uno de la pluralidad de orificios de escape conectados por la sección (131) fusionada de escape, se refleja por la válvula (9) de escape que cierra otro de la pluralidad de orificios (9a) de escape;

el gas de escape que fluye al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión se hace pasar por la sección (32) convergente y colisionar contra la onda de choque reflejada, entre un extremo aguas arriba de la sección (131) fusionada de escape y la sección (33) divergente, aumentando por tanto la presión del gas de escape en la sección convergente; y

el gas de escape se hace pasar por la sección (33) divergente para generar una nueva onda de choque y generar por tanto una presión negativa en una parte del trayecto (16) de escape que está aguas arriba con respecto a la sección (33) divergente por la nueva onda de choque generada.

2. Motor (1) de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende:

una primera cámara (10) de combustión que tiene el primer orificio (9a) de escape;

una segunda cámara (10) de combustión que tiene el segundo oficio (9a) de escape;

una primera válvula (9) de escape para abrir o cerrar el primer orificio (9a) de escape; y

una segunda válvula (9) de escape para abrir o cerrar el segundo oficio (9a) de escape;

en el que la velocidad del gas de escape que fluye al interior del trayecto (16) de escape cuando se abre cada uno de los orificios (9a) de escape es Ve y la velocidad de propagación de la onda de choque que se propaga en el trayecto (16) de escape es Vs, la distancia Le1 entre el primer orificio (9a) de escape y la sección (181) de conexión y la distancia Le2 entre el segundo oficio (9a) de escape y la sección (181) de conexión cumplen las relaciones de:

y y

en el que el tiempo desde que se abre cada uno de los orificios (9a) de escape hasta que se cierra cada uno de los orificios (9a) de escape es tv, la distancia Ld entre la sección de conexión y el extremo aguas arriba de la sección divergente cumple las relaciones de:

3. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 2, que comprende además: una tercera cámara (10) de combustión que tiene un tercer orificio (9a) de escape; y una tercera válvula (9) de escape para abrir o cerrar el tercer orificio (9a) de escape; en el que:

una tercera sección aguas arriba fusionada para guiar el gas de escape descargado desde el tercer

orificio (9a) de escape está conectada a la sección de conexión; un periodo en el que el tercer orificio de escape está abierto no se solapa con el periodo en el que el primer orificio de escape está abierto o el periodo en el que el segundo oficio de escape está abierto; y

la distancia Le3 entre el tercer orificio de escape y la sección de conexión cumple las relaciones de:

y

4. Método de escape para un motor de combustión interna de múltiples cilindros, que comprende las etapas de:

quemar combustible en una primera cámara (10) de combustión; abrir una válvula (9) de escape para abrir o cerrar un primer orificio (9a) de escape de la primera cámara (10) de combustión para descargar gas de escape desde la primera cámara (10) de combustión a un trayecto (16) de escape y generar una onda de choque que se propaga en el trayecto (16) de escape a una velocidad mayor que el gas de escape;

reflejar al menos una parte de la onda de choque por una válvula (9) de escape que cierra un segundo oficio (9a) de escape de una segunda cámara (10) de combustión y provocar que la onda de choque reflejada colisione contra el gas de escape, aumentando de ese modo la presión del gas de escape;

provocar que el gas de escape fluya al interior de una parte (32) convergente del trayecto (16) de escape que tiene una menor área de sección transversal de trayecto de flujo en una sección aguas abajo de la misma que en una sección aguas arriba de la misma, aumentando de ese modo la presión del gas de escape; y

provocar que el gas de escape fluya al interior de una parte (33) divergente del trayecto (16) de escape que tiene una mayor área de sección transversal de trayecto de flujo en una sección aguas abajo de la misma que en una sección aguas arriba de la misma, generando de ese modo una nueva onda de choque que se propaga en una dirección aguas abajo en el trayecto de escape para generar una zona de una presión negativa en el trayecto de escape,

en el que el trayecto (16) de escape comprende una sección (173e; 181) fusionada de escape prevista aguas arriba con respecto a la sección divergente y configurada para conectar una primera sección (19a; 173a) aguas arriba para guiar el gas de escape descargado desde el primer orificio (9a) de escape y una segunda sección (19b; 173d) aguas arriba para guiar el gas (9a) de escape descargado desde el segundo oficio (9a) de escape, en el que la longitud de la primera sección (19a; 173a) aguas arriba y la longitud de la segunda sección (19b; 173d) aguas arriba son iguales.

5. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende: cuatro de las cámaras de combustión; y dos de las secciones (181) fusionadas de escape; en el que cada una de las secciones fusionadas de escape conecta los orificios (9a) de escape formados

en dos de las cámaras (10) de combustión.

6. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende: seis de las cámaras (10) de combustión; y dos de las secciones fusionadas de escape; en el que cada una de las secciones fusionadas de escape conecta los orificios de escape formados en

tres de las cámaras de combustión.

7. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende: seis de las cámaras de combustión; y tres de las secciones fusionadas de escape; en el que cada una de las secciones fusionadas de escape conecta los orificios de escape formados en

dos de las cámaras de combustión.

8. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende: dos de las cámaras de combustión; y una de las secciones fusionadas de escape; en el que cada una de las secciones fusionadas de escape conecta los orificios de escape formados en

dos de las cámaras de combustión.

9. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende: tres de las cámaras de combustión; y una de las secciones fusionadas de escape;

en el que cada una de las secciones fusionadas de escape conecta los orificios de escape formados en tres de las cámaras de combustión.

10. Motor de combustión interna de múltiples cilindros según la reivindicación 1, que comprende: ocho de las cámaras de combustión; y 5 cuatro de las secciones fusionadas de escape;

en el que cada una de las secciones fusionadas de escape conecta los orificios de escape formados en dos de las cámaras de combustión.

11. Vehículo, que comprende un motor de combustión interna según la reivindicación 1.

12. Embarcación marítima, que comprende un motor de combustión interna según la reivindicación 1.