Motor, vehículo, embarcación y método de depuración de gases de escape de motor.

Motor (1) de combustión interna, que comprende:

una cámara (10) de combustión que tiene un orificio (9a) de escape;

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

un dispositivo (5) de escape que tiene un trayecto (16) de escape para guiar los gases de escapedescargados desde la cámara (10) de combustión a través del orificio (9a) de escape; y

un dispositivo (40) de depuración de escape previsto en el trayecto (16) de escape y que tiene un catalizador(41, 42);

en el que:

el dispositivo (5) de escape comprende:

una sección (32) convergente que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo menoren 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 yque tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo mayor en un extremo aguas abajode la misma que en un extremo aguas arriba de la misma; y

una sección (21) de ramificación para ramificar una onda de choque, que se propaga en unadirección aguas abajo en el trayecto (16) de escape a mayor velocidad que los gases de escapeque fluyen al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión cuando elorificio (9a) de escape está abierto, desde una parte del trayecto (16) de escape que está aguasarriba con respecto a la sección (33) divergente, y que propaga la onda de choque de vuelta altrayecto (16) de escape;

los gases de escape que fluyen al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) decombustión se hacen pasar por la sección (32) convergente y se hacen colisionar contra la onda dechoque que se ha propagado en la sección (21) de ramificación, entre la sección (21) de ramificación yla sección (33) divergente, aumentando así la presión de los gases de escape en la sección (32)convergente;

los gases de escape se hacen pasar por la sección (33) divergente para generar una nueva onda dechoque y disminuyendo así la temperatura de los gases de escape; y

el catalizador (41, 42) del dispositivo (40) de depuración de escape está previsto en una parte deltrayecto (16) de escape que está aguas abajo con respecto a la sección (33) divergente.

Motor, vehículo, embarcación y método de depuración de gases de escape de motor

CAMPO TÉCNICO

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

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Convencionalmente, se conocen motores de combustión interna que incluyen un catalizador de tres vías para depurar gases de escape tal como se propone en la publicación de patente japonesa abierta a consulta por el público n.º 07205890.

Con el fin de maximizar la eficacia de depuración del catalizador de tres vías, es necesario que la razón de aire/combustible del gas mezclado (a continuación en el presente documento, denominada “razón de aire/combustible de combustión”) sea la razón de aire/combustible teórica. Sin embargo, cuando se acciona el motor de combustión interna a la razón de aire/combustible teórica en un estado de carga alta, la temperatura de combustión se vuelve excesivamente alta, y también se vuelve alta la temperatura de los gases de escape. Cuando la temperatura de los gases de escape se vuelve excesivamente alta, el catalizador se expone a una temperatura excesivamente alta de este tipo y se deteriora debido al fenómeno de la denominada sinterización. Como resultado, disminuye la eficacia de depuración del catalizador. Por este motivo, con el fin de evitar que la temperatura de los gases de escape se vuelva excesivamente alta, se acciona el motor de combustión interna tal como se propone en la publicación de patente japonesa abierta a consulta por el público n.º 07-205890 a una razón de aire/combustible menor que la razón de aire/combustible teórica cuando está en un estado de carga alta. Por tanto, el rendimiento de depuración del catalizador de tres vías no puede utilizarse en el máximo grado posible.

El documento WO 01/21941 A1 describe un motor de combustión interna de dos tiempos, destinado principalmente a una herramienta de trabajo, preferiblemente a una sierra de cadena o a una recortadora, y dotado de un dispositivo silenciador. Un conducto, que o bien es recto o bien está doblado, y que tiene una longitud adaptada o ajustada y un extremo externo cerrado, está dispuesto en conexión con el orificio de escape del motor así como una salida, que conduce los gases de escape al aire circundante. Mediante esta disposición del conducto y la salida se reducen las pérdidas de eliminación y de ese modo se reduce el consumo de combustible específico y se consiguen gases de escape más depurados.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Es un objeto de la presente invención proporcionar un enfoque que permita a un motor de combustión interna mejorar la eficacia de depuración impidiendo que la temperatura de los gases de escape aumente para reducir el deterioro del catalizador.

Este objeto se consigue mediante un motor de combustión interna según la reivindicación 1, y mediante un método según la reivindicación 8.

Los presentes inventores descubrieron una onda de choque que se propaga en una dirección aguas abajo en un trayecto de escape cuando se abre el orificio de escape, y pensaron que usando una presión negativa generada por detrás de la onda de choque, puede suministrarse aire incluso cuando el motor de combustión interna está en un estado de carga alta. Sin embargo, esta onda de choque se genera en la proximidad del orificio de escape. Por tanto, los presentes inventores pensaron disminuir la temperatura de los gases de escape suministrando una gran cantidad de aire a las proximidades del orificio de escape. Sin embargo, se encontró que como resultado de esto, aumenta la pérdida de bombeo y así se disminuye la potencia de salida de motor de combustión interna.

Los presentes inventores pensaron en la idea de generar una nueva presión negativa generando una nueva onda de choque en el trayecto de escape, que es diferente de la onda de choque que se propaga en la dirección aguas abajo en el trayecto de escape cuando se abre el orificio de escape, y disminuyendo así la presión y temperatura en el trayecto de escape, en otras palabras, disminuyendo la presión y temperatura de los gases de escape. Esto supone aplicar el principio de la tobera convergente-divergente conocida generalmente, denominada generalmente “tobera de Laval”, a un motor de combustión interna que incluye un sistema de suministro de aire secundario. Esta 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, de aproximadamente 0, 528) , la velocidad del fluido supera la velocidad del sonido en la sección divergente. Para generar una nueva onda de choque en el trayecto de escape, los presentes inventores han previsto 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 y también han previsto una sección divergente, aguas abajo con respecto a la sección convergente, 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. Sin embargo, si se prevén meramente la sección convergente y la sección divergente en el trayecto de escape, la razón de presión de la presión P0 en la sección convergente y la presión P en la sección divergente (es decir, P/P0) no alcanza la razón de presión crítica y por tanto era imposible generar una nueva onda de choque.

Como resultado de estudios activos adicionales en los motores de combustión interna, los presentes inventores descubrieron que la onda de choque que se propaga en la dirección aguas abajo en el trayecto de escape cuando se abre el orificio de escape se propaga a mayor velocidad que los gases de escape que fluyen en ese momento al interior del trayecto de escape desde la cámara de combustión. Prestando atención a la diferencia en la velocidad entre la onda de choque y los gases de escape, los presentes inventores pensaron en una estructura para aumentar la presión P0 en la sección convergente. Se trata de una estructura que incluye una sección de ramificación para ramificar la onda de choque que precede a los gases de escape y por tanto propagar la onda de choque de vuelta al trayecto de escape. Entonces, los presentes inventores pensaron en una estructura mediante la cual la sección de ramificación se combina con un catalizador previsto en una parte del trayecto de escape que está aguas abajo con respecto a la sección divergente.

Un motor de combustión interna según la presente invención comprende una cámara de combustión que tiene un orificio de escape; una válvula de escape para abrir o cerrar el orificio de escape; un dispositivo de escape que tiene un trayecto de escape para guiar los gases de escape descargados desde la cámara de combustión a través del orificio de escape; y un dispositivo de depuración de escape previsto en el trayecto de escape y que tiene un catalizador. El dispositivo de escape comprende una sección convergente que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo menor 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 una sección de ramificación para ramificar una onda de choque, que se propaga en una dirección aguas abajo en el trayecto de escape a mayor velocidad que los gases de escape que fluyen al interior del trayecto de escape desde la cámara de combustión cuando se abre el orificio de escape, desde una parte del trayecto de escape que está aguas arriba con respecto a la sección divergente, y propagar la onda de choque de vuelta al trayecto de escape. Los gases de escape que fluyen al interior del trayecto de escape desde la cámara de combustión se hacen pasar por la sección convergente y se hacen colisionar contra la onda de choque que se ha propagado en la sección de ramificación, entre la sección de ramificación y la sección divergente, para aumentar así... [Seguir leyendo]

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

una cámara (10) de combustión que tiene un orificio (9a) de escape;

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

un dispositivo (5) de escape que tiene un trayecto (16) de escape para guiar los gases de escape descargados desde la cámara (10) de combustión a través del orificio (9a) de escape; y

un dispositivo (40) de depuración de escape previsto en el trayecto (16) de escape y que tiene un catalizador (41, 42) ;

en el que:

el dispositivo (5) de escape comprende:

una sección (32) convergente que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo menor 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 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

una sección (21) de ramificación para ramificar una onda de choque, que se propaga en una dirección aguas abajo en el trayecto (16) de escape a mayor velocidad que los gases de escape que fluyen al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión cuando el orificio (9a) de escape está abierto, desde una parte del trayecto (16) de escape que está aguas arriba con respecto a la sección (33) divergente, y que propaga la onda de choque de vuelta al trayecto (16) de escape;

los gases de escape que fluyen al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión se hacen pasar por la sección (32) convergente y se hacen colisionar contra la onda de choque que se ha propagado en la sección (21) de ramificación, entre la sección (21) de ramificación y la sección (33) divergente, aumentando así la presión de los gases de escape en la sección (32) convergente;

los gases de escape se hacen pasar por la sección (33) divergente para generar una nueva onda de choque y disminuyendo así la temperatura de los gases de escape; y

el catalizador (41, 42) del dispositivo (40) de depuración de escape está previsto en una parte del trayecto (16) de escape que está aguas abajo con respecto a la sección (33) divergente.

2. Motor (1) de combustión interna según la reivindicación 1, en el que la velocidad de los gases de escape descargados desde la cámara (10) de combustión cuando el orificio (9a) de escape está abierto 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 Le entre el orificio (9a) de escape y una entrada de la sección (21) de ramificación y la distancia Ls por la que se propaga la onda de choque en la sección (21) de ramificación cumplen la relación de:

Le/Ve : (Le + 2Ls) N s;

y

siendo el tiempo desde que se abre el orificio (9a) de escape hasta que se cierra el orificio (9a) de escape tv, la distancia Ld entre la entrada de la sección (21) de ramificación y la sección (33) divergente cumple la relación de:

3. Motor (1) de combustión interna según la reivindicación 1 ó 2, en el que el dispositivo (5) de escape incluye el trayecto (16) de escape que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo que no

disminuye entre el extremo aguas abajo de la sección (33) divergente y el extremo aguas arriba del catalizador (41, 42) .

4. Motor (1) de combustión interna según la reivindicación 1 ó 2, en el que el dispositivo (40) de depuración de escape incluye el catalizador (41, 42) que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo que es, en el extremo aguas arriba de la misma, la misma que, o mayor que, el área de sección transversal de trayecto de flujo del extremo aguas abajo de la sección (33) divergente.

5. Motor (1) de combustión interna según la reivindicación 1 ó 2, en el que:

el dispositivo (40) de depuración de escape incluye el catalizador (41, 42) que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo que es, en el extremo aguas arriba de la misma, la misma que, o mayor que, el área de sección transversal de trayecto de flujo del extremo aguas abajo de la sección (33) divergente; y

el dispositivo (5) de escape incluye el trayecto (16) de escape que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo que se mantiene igual o aumenta entre el extremo aguas abajo de la sección (33) divergente y el extremo aguas arriba del catalizador (41, 42) .

6. Vehículo, que comprende un motor (1) de combustión interna según una de las reivindicaciones 1 a 5.

7. Embarcación marítima, que comprende un motor (1) de combustión interna según una de las reivindicaciones 1 a 5.

8. Método de depuración de gases de escape para un motor (1) de combustión interna, que comprende las etapas de:

quemar combustible en una cámara (10) de combustión;

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

ramificar al menos una parte de la onda de choque desde el trayecto (16) de escape y propagar la onda de choque ramificada de vuelta al trayecto (16) de escape para provocar que la onda de choque colisione contra los gases de escape, aumentando así la presión de los gases de escape;

provocar que los gases de escape fluyan al interior de una parte (32) 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 así la presión de los gases de escape;

provocar que los gases de escape fluyan al interior de una parte (33) 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 así una nueva onda de choque que se propaga en una dirección aguas abajo en el trayecto (16) de escape y disminuyendo así la temperatura de los gases de escape; y

provocar que los gases de escape pasen por el catalizador (41, 42) para depurar los gases de escape.

9. Motor (1) de combustión interna que adopta un método de depuración de gases de escape según la reivindicación 8.