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

Motor 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; y

un dispositivo (5) de escape que tiene un trayecto (16) de escape para guiar el gas de escapedescargado desde la cámara (10) de combustión a través del orificio (9a) de escape;

en el que:

el dispositivo (5) de escape comprende:

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

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

en el que la sección (33) divergente está conectada a la única cámara (10) de combustión previstaaguas arriba con respecto a la sección (33) divergente; caracterizado por

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 una velocidad mayor que el gas de escapeque fluye al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión cuando laválvula (9) de escape está abierta, 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 ramificada devuelta al trayecto (16) de escape, en el que un extremo de la sección (21) de ramificación estáconectado al trayecto (16) de escape y el otro extremo de la sección (21) de ramificación estácerrado;

en el que el dispositivo (5) de escape está configurado

de manera que el gas de escape que fluye al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) decombustión se hace pasar por la sección (32) convergente y se hace colisionar contra la onda de choqueque se ha propagado en la sección (21) de ramificación, entre la sección (21) de ramificación y la sección(33) divergente, aumentando así la presión del gas de escape en la sección (32) convergente; yde manera que el gas de escape se hace pasar por la sección (33) divergente para generar una nuevaonda de choque, y se genera una presión negativa aguas arriba con respecto a la sección (33) divergenteen el trayecto (16) de escape por la nueva onda de choque generada.

Motor, vehículo, embarcación y método 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 escape para un motor de combustión interna.

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 conjuntamente en un tubo fusionado de escape. Además, el trayecto de escape del mismo se establece para tener una longitud que aumenta la eficacia de depuración, y la tobera está prevista en la salida de escape del tubo fusionado de escape. 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 fusionado de escape, y por tanto puede mejorarse la eficacia de depuración.

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.

El documento US 2002/152747 A1 da a conocer un motor de combustión interna de dos tiempos dotado de un dispositivo silenciador. El motor está previsto para una herramienta de trabajo, tal como una sierra de cadena o una podadora. Un tubo, 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. La longitud del tubo se ajusta de manera que una onda de presión volverá al orificio de escape exactamente antes de que se cierre y retendrá el flujo saliente e incluso hará retroceder los gases de depuración al interior de un cilindro del motor.

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 convergente-divergente 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 fusionado de escape 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 fusionado de escape 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 fusionado de escape 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 novedoso que ofrece rendimientos mejorados aplicando el principio de la tobera convergentedivergente.

MEDIOS PARA RESOLVER LOS PROBLEMAS

Como medio para resolver el problema anterior se concibe conectar la sección divergente a la única cámara de combustión que está prevista aguas arriba con respecto a la misma. Como resultado de esta disposición, resulta imposible que mientras el orificio de escape de un cilindro está abierto, una onda de presión generada en el orificio de escape de otro cilindro se propague al trayecto de escape conectado al orificio de escape que se ha abierto. Por tanto, se generan una presión positiva y una presión negativa de manera alterna en una parte del trayecto de escape que está aguas arriba con respecto a la sección divergente. Sin embargo, se descubrió que, con esta estructura, no puede generarse una presión negativa grande en el trayecto de escape por los siguientes motivos y debido a los siguientes problemas. Un problema es que una onda de choque generada cuando se abre el orificio de escape en la cámara de combustión se atenúa antes de alcanzar un extremo aguas arriba de la sección divergente. Otro problema es que la presión del gas de escape que fluye en el trayecto de escape con un retardo con respecto a la onda de choque se atenúa antes de que el gas de escape alcance el extremo aguas arriba de la sección divergente. Por estos motivos, incluso aunque o bien la onda de choque o bien el gas de escape alcance el extremo aguas arriba de la sección divergente, la razón de presión de la presión P0 en la sección convergente y la presión P en la sección divergente no se vuelve menor que la razón de presión crítica. Por tanto, la velocidad del fluido que pasa por el trayecto de escape no excede la velocidad del sonido, y por tanto no puede obtenerse la función de la tobera convergente-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; y un dispositivo de escape que tiene un trayecto de escape para guiar el gas de escape descargado desde la cámara de combustión a través del orificio de escape. El dispositivo 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 una sección de ramificación para ramificar una... [Seguir leyendo]

1. Motor 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; y

un dispositivo (5) de escape que tiene un trayecto (16) de escape para guiar el gas de escape descargado desde la cámara (10) de combustión a través del orificio (9a) de escape;

en el que:

el dispositivo (5) 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; y

una sección (33) divergente prevista aguas abajo con respecto a la sección (32) convergente y que tiene un 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,

en el que la sección (33) divergente está conectada a la única cámara (10) de combustión prevista aguas arriba con respecto a la sección (33) divergente; caracterizado por

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 una velocidad mayor que el gas de escape que fluye al interior del trayecto (16) de escape desde la cámara (10) de combustión cuando la válvula (9) de escape está abierta, 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 ramificada de vuelta al trayecto (16) de escape, en el que un extremo de la sección (21) de ramificación está conectado al trayecto (16) de escape y el otro extremo de la sección (21) de ramificación está cerrado;

en el que el dispositivo (5) de escape está configurado de manera que 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 se hace 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 del gas de escape en la sección (32) convergente; y

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

2. Motor de combustión interna según la reivindicación 1,

en el que la sección (21) de ramificación está ramificada desde una parte del trayecto (16) de escape que está aguas arriba con respecto a la sección (33) divergente y tiene una sección de reflexión que puede reflejar una onda de choque,

en el que una velocidad del gas de escape descargado desde la cámara (10) de combustión cuando la válvula (9) de escape está abierta es Ve y una velocidad de propagación de la onda de choque que se propaga en el trayecto (16) de escape es Vs, una distancia Le entre el orificio (9a) de escape y una entrada de la sección (21) de ramificación y una distancia Ls entre la entrada de la sección (21) de ramificación y la sección de reflexión cumplen una relación de:

y

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

3. Motor de combustión interna según la reivindicación 1 ó 2, en el que el trayecto (16) de escape incluye además una parte que tiene un área de sección transversal de trayecto de flujo constante entre la sección (32) convergente y la sección (33) divergente.

4. Motor de combustión interna según una de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la longitud de la sección (21) de ramificación es más corta que la distancia entre el orificio (9a) de escape y una entrada de la sección (21) de ramificación.

5. Método de escape para un motor de combustión interna, que comprende las etapas de:

quemar combustible en una cámara (10) de combustión;

abrir un orificio (9a) de escape de la cámara (10) de combustión para descargar gas 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 una velocidad mayor que el gas de escape;

por medio de una sección (21) de ramificación, 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 hacer que la onda de choque colisione contra el gas de escape, aumentando de ese modo la presión del gas de escape, en el que un extremo de la sección (21) de ramificación está conectado al trayecto (16) de escape y el otro extremo de la sección (21) de ramificación está cerrado;

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 (16) de escape para generar una zona de una presión negativa en el trayecto (16) de escape, mediante lo cual la parte (33) divergente está conectada a la única cámara (10) de combustión prevista aguas arriba con respecto a la parte (33) divergente.

6. Vehículo, que comprende un motor de combustión interna según una de las reivindicaciones 1 a 4.

7. Embarcación marítima, que comprende un motor de combustión interna según una de las reivindicaciones 1 a 4.

8. Motor de combustión interna que adopta el método de escape según la reivindicación 5.