Dispositivo para reducir las emisiones de hollín en un motor de combustión interna de un vehículo.

Un motor de combustión interna (1) con una cámara de combustión (7) que comprende:

un cuerpo delmotor que incluye un cilindro del motor (2), una culata del cilindro (14) que forma una superficie interior (21) de lacámara de combustión (7) y por lo menos un puerto de admisión (9) formado en la culata del cilindro (14) para dirigirel aire de admisión al interior de la cámara de combustión sin o con bajo efecto de turbulencia durante elfuncionamiento; un pistón (3) colocado para el movimiento alternativo en dicho cilindro del motor (2) entre unaposición de punto muerto inferior y una posición de punto muerto superior, dicho pistón incluyendo una cabeza delpistón (16) que comprende una superficie superior (5) encarada a la cámara de combustión, dicha cabeza del pistónconteniendo un cubilete del pistón (6) formado por una cavidad que se abre hacia fuera, dicho cubilete del pistóncomprendiendo una parte que se prolonga (17) que tiene un extremo distante (18) y una sección interior del suelodel cubilete (19) que se extiende hacia abajo en un ángulo negativo del suelo interior del cubilete (α) desde un planoperpendicular al eje del movimiento alternativo (15) del pistón (3), dicho cubilete del pistón adicionalmentecomprendiendo una sección acampanada hacia fuera del cubilete exterior (20) que tiene una forma curvilíneacóncava en sección transversal; un inyector (13) montado en el cuerpo del motor adyacente a dicha parte que seprolonga de dicho cubilete del pistón para inyectar combustible dentro de la cámara de combustión con una altapresión de inyección, dicho inyector comprendiendo una pluralidad de orificios dispuestos para formar estelas de lapulverización de combustible, las cuales eventualmente se convierten en llamas y en el que cada uno de dichapluralidad de orificios está provisto de un eje central (30) orientado a un ángulo negativo de la pulverización (ß)desde un plano perpendicular a dicho eje del movimiento alternativo del pistón suficiente para causar que lapulverización/llama incida en dicha sección exterior del cubilete (20) y la forma curvilínea de dicha sección exteriordel cubilete es de tal tipo que un ángulo de reflexión (β), definido por dicho eje central (30) y una línea normal a unasuperficie tangente imaginaria en un punto de dicha incidencia de dicho eje central (30), es negativo durante por lomenos el inicio de la inyección a fin de incrementar el equilibrio entre los movimientos tangencial y vertical dirigidoshacia arriba de la pulverización/llama y conservar la energía de la mezcla tarde en el ciclo de combustión para elincremento de la oxidación del hollín y en el que la forma curvilínea de dicha sección exterior del cubilete tiene unradio (R1) en la gama adimensional de 0,054 hasta 0,117 y por la cual los números de la gama adimensional puedenestar provistos en una gama en la medición de la longitud para un motor con un volumen del cilindro del motorespecífico multiplicando dichos números adimensionales por dicho radio con un volumen del cilindro de dicho motorespecífico y elevado a un tercio y caracterizado porque dicho ángulo de reflexión (γ) de dicha incidencia está en lagama de

Dispositivo para reducir las emisiones de hollín en un motor de combustión interna de un vehículo

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo para controlar el proceso de combustión en un motor de combustión interna. La invención especialmente se refiere a un dispositivo de ese tipo para reducir las emisiones de hollín en motores de combustión interna en los cuales la mezcla de combustible/gas del cilindro se enciende por el calor de compresión generado en el cilindro.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las partículas de hollín (o particulados) son un producto el cual, durante la combustión, tanto se pueden formar

como oxidar a continuación en dióxido de carbono (CO2) . La cantidad de partículas de hollín medida en los gases del escape es la diferencia neta entre el hollín formado y el hollín oxidado. El proceso es muy complicado. La combustión con combustible pesado, esto es una mezcla rica combustible/aire con un mezclado pobre a una elevada temperatura produce una alta formación de hollín. Si las partículas de hollín formadas pueden ser llevadas junto con las sustancias que oxidan, tales como los átomos de oxígeno (O) , moléculas de oxígeno (O2) , hidróxido (OH) , a una temperatura suficientemente alta para una buena velocidad de oxidación, entonces una mayor parte de las partículas de hollín se pueden oxidar. En un motor diesel, el proceso de oxidación se considera que está en el mismo orden de magnitud que la formación, lo cual significa que la producción neta de hollín es la diferencia entre la cantidad formada de hollín y la cantidad oxidada de hollín. La emisión neta de hollín por lo tanto puede estar influida en primer lugar por la reducción de la formación de hollín y en segundo lugar por el incremento de la oxidación del

hollín. Las emisiones de monóxido de carbono (CO) y las emisiones de hidrocarbono (HC) normalmente son muy bajas a partir de un motor diesel. Todavía los porcentajes se pueden elevar si combustible sin quemar termina en regiones relativamente frías. Regiones de este tipo son, en particular, zonas con una refrigeración intensa colocadas cerca de la pared del cilindro. Otro ejemplo es la cavidad entre el pistón y la camisa del cilindro.

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

Un proceso de combustión en el cual el combustible es inyectado directamente en el interior del cilindro y se enciende por la temperatura y la presión incrementadas en el cilindro generalmente es referido como el proceso diesel. Cuando el combustible se enciende en el cilindro, los gases de la combustión presentes en el cilindro sufren un mezclado turbulento con el combustible que quema, de modo que se forma una llama de difusión de la mezcla controlada. La combustión de la mezcla combustible/gas en el cilindro da lugar a la generación de calor, la cual causa que el gas en el cilindro se expanda y lo cual de ese modo causa que el pistón se mueva en el cilindro.

Dependiendo del número de parámetros, tales como la presión de inyección del combustible, la cantidad de gases de escape recirculados hacia el cilindro, el tiempo de inyección del combustible y la turbulencia que prevalece en el cilindro, se obtienen diferentes rendimientos y valores de las emisiones del motor.

Más adelante en este documento siguen dos ejemplos de instalaciones del estado de la técnica que intentan 45 disminuir tanto el hollín como las emisiones de NOx controlando la llama e intentando romper el muy conocido "intercambio" entre emisiones de hollín y emisiones de óxido de nitrógeno, el cual es típico del motor diesel e "intercambio" el cual es difícil de influir. La mayoría de las medidas las cuales reducen las emisiones de hollín incrementan las emisiones de óxido de nitrógeno.

El documento EP 1216347 muestra una instalación para controlar el proceso de combustión en un motor de combustión controlando la llama de la combustión, con el propósito de disminuir las emisiones de hollín y de NOx. El combustible es inyectado en el interior de la cámara de combustión con una energía cinética suficientemente alta (alta presión de inyección) de modo que se suministra energía cinética a la pulverización de tal modo que se consigue el proceso de mezclado interior en la pulverización y el proceso de mezclado global a gran escala entre el

combustible y el gas del cilindro, manteniendo de ese modo las emisiones de hollín por debajo de un nivel seleccionado. La proporción del gas del escape del circulado se selecciona de tal modo que las emisiones de óxido de nitrógeno se mantengan por debajo de un nivel seleccionado.

El documento US 6732703 muestra una instalación para hacer mínimas las emisiones de NOx y las partículas de 60 hollín. En este caso, la pulverización del combustible choca en la sección interior del suelo del cubilete durante la inyección a fin de enfriar la combustión disminuyendo de ese modo la creación de NOx. El combustible es inyectado con alta presión y el pistón está conformado para mantener el impulso en la estela de la pulverización y la mezcla de combustible/aire de modo que un mezclado bueno del oxígeno disponible y el hollín ocurra tarde en el proceso de combustión. Gran cantidad de impulso se pierde cuando la estela de la pulverización choca con la sección interior

del suelo del cubilete.

Los documentos JP 2002 276375, EP 0 849 448, JP 2001 115844 y JP 8296442 exponen ejemplos adicionales de la técnica anterior que describen cada uno de ellos las prestaciones como se definen en el preámbulo de la reivindicación 1.

Debido a la próxima legislación futura sobre emisiones para los motores de combustión existe la necesidad de reducir adicionalmente los niveles de emisión de hollín a fin de cubrir las próximas demandas.

Es, por lo tanto, un objeto de la presente invención superar las deficiencias de la técnica anterior y proporcionar un motor de combustión interna que contenga una instalación de cámara de combustión diseñada para reducir emisiones de hollín indeseables suficientemente como para cumplir con los nuevos límites regulados. Por lo tanto, un objetivo importante de la invención sujeto es minimizar la cantidad de hollín promoviendo una combustión eficaz del combustible en el interior de la cámara de combustión asegurando el completo quemado/oxidación del hollín formado durante el proceso de combustión.

Otro objeto de la presente invención es proporcionar un motor en el que la forma, posición y dimensiones de las diversas características de la instalación de la cámara de combustión, incluyendo el cubilete del pistón y el ángulo de pulverización de la inyección, causen que la pulverización/llama incidan sobre y en contacto con la superficie del cubilete del pistón en la sección exterior del cubilete y que la forma curvilínea de dicha sección exterior del cubilete sea tal que el ángulo de reflexión de dicha incidencia de dicho eje central sea negativo durante por lo menos el inicio de la inyección a fin de incrementar el equilibrio entre los movimientos tangencial y vertical dirigido hacia arriba de la pulverización/llama.

Todavía otro objeto de la presente invención es proporcionar un motor diesel capaz de funcionar con mejoras significantes en la emisión de hollín comparadas con por ejemplo un motor US02, mientras satisface también las limitaciones del diseño mecánico para un motor comercialmente aceptable.

Un objeto más específico de la presente invención es proporcionar un motor que incluya una instalación de cámara de combustión que tenga dimensiones y unas relaciones dimensionales para asegurar la oxidación de una cantidad suficiente de hollín durante la combustión para minimizar el hollín disponible para la descarga al sistema del escape. Esto se puede realizar sin incrementar la creación de NOx.

Según la invención, los objetos anteriores y otros objetos más detallados se pueden conseguir proporcionando un motor con una instalación de cámara de combustión que tenga unas ciertas combinaciones previamente determinadas de los parámetros de diseño de la cámara de combustión, incluyendo las dimensiones y las relaciones 35 dimensionales específicas de la cámara de combustión. Por ejemplo, en la forma de realización preferida un motor con una cámara de combustión comprende: un cuerpo del motor que incluye un cilindro del motor, una culata del cilindro que forma una cara interior de la cámara de combustión y por lo menos un puerto... [Seguir leyendo]

1. Un motor de combustión interna (1) con una cámara de combustión (7) que comprende: un cuerpo del motor que incluye un cilindro del motor (2) , una culata del cilindro (14) que forma una superficie interior (21) de la 5 cámara de combustión (7) y por lo menos un puerto de admisión (9) formado en la culata del cilindro (14) para dirigir el aire de admisión al interior de la cámara de combustión sin o con bajo efecto de turbulencia durante el funcionamiento; un pistón (3) colocado para el movimiento alternativo en dicho cilindro del motor (2) entre una posición de punto muerto inferior y una posición de punto muerto superior, dicho pistón incluyendo una cabeza del pistón (16) que comprende una superficie superior (5) encarada a la cámara de combustión, dicha cabeza del pistón 10 conteniendo un cubilete del pistón (6) formado por una cavidad que se abre hacia fuera, dicho cubilete del pistón comprendiendo una parte que se prolonga (17) que tiene un extremo distante (18) y una sección interior del suelo del cubilete (19) que se extiende hacia abajo en un ángulo negativo del suelo interior del cubilete (a) desde un plano perpendicular al eje del movimiento alternativo (15) del pistón (3) , dicho cubilete del pistón adicionalmente comprendiendo una sección acampanada hacia fuera del cubilete exterior (20) que tiene una forma curvilínea 15 cóncava en sección transversal; un inyector (13) montado en el cuerpo del motor adyacente a dicha parte que se prolonga de dicho cubilete del pistón para inyectar combustible dentro de la cámara de combustión con una alta presión de inyección, dicho inyector comprendiendo una pluralidad de orificios dispuestos para formar estelas de la pulverización de combustible, las cuales eventualmente se convierten en llamas y en el que cada uno de dicha pluralidad de orificios está provisto de un eje central (30) orientado a un ángulo negativo de la pulverización ( ) 20 desde un plano perpendicular a dicho eje del movimiento alternativo del pistón suficiente para causar que la pulverización/llama incida en dicha sección exterior del cubilete (20) y la forma curvilínea de dicha sección exterior del cubilete es de tal tipo que un ángulo de reflexión (y) , definido por dicho eje central (30) y una línea normal a una superficie tangente imaginaria en un punto de dicha incidencia de dicho eje central (30) , es negativo durante por lo menos el inicio de la inyección a fin de incrementar el equilibrio entre los movimientos tangencial y vertical dirigidos 25 hacia arriba de la pulverización/llama y conservar la energía de la mezcla tarde en el ciclo de combustión para el incremento de la oxidación del hollín y en el que la forma curvilínea de dicha sección exterior del cubilete tiene un radio (R1) en la gama adimensional de 0, 054 hasta 0, 117 y por la cual los números de la gama adimensional pueden estar provistos en una gama en la medición de la longitud para un motor con un volumen del cilindro del motor específico multiplicando dichos números adimensionales por dicho radio con un volumen del cilindro de dicho motor

específico y elevado a un tercio y caracterizado porque dicho ángulo de reflexión (y) de dicha incidencia está en la gama de <0 hasta -50 grados cuando dicho pistón (3) está en la posición del punto muerto superior.

2. Un motor de combustión interna según la reivindicación 1 caracterizado porque dicho inyector (13) está

instalado para inyectar combustible con una presión de inyección promedio en la gama de 1000 hasta 3000 bar. 35

3. Un motor de combustión interna según la reivindicación 2 caracterizado porque dicha presión de inyección promedio está en la gama de 1500 hasta 2500 bar.

4. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque

dicho eje central (30) de dichos orificios está dispuesto para incidir con dicha sección exterior del cubilete (20) durante la inyección completa.

5. Un motor de combustión interna según la reivindicación 1 caracterizado porque la forma curvilínea de dicha sección exterior del cubilete tiene un radio (R1) en la gama adimensional de 0, 066 hasta 0, 101. 45

6. Un motor de combustión interna según la reivindicación 4 o 5 caracterizado porque la forma curvilínea de dicha sección exterior del cubilete tiene un radio (R1) que es sustancialmente constante a lo largo de su perfil.

7. Un motor de combustión interna según la reivindicación 4 o 5 caracterizado porque la forma curvilínea de 50 dicha sección exterior del cubilete tiene un radio (R1) que varía a lo largo de su perfil.

8. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho ángulo de reflexión (y) de dicha incidencia está en la gama de <0 hasta -50 durante el inicio de la inyección y la mayor parte de dicha inyección y porque dicho ángulo de reflexión (y) es ligeramente positivo durante el final de la 55 inyección.

9. Un motor de combustión interna según las reivindicaciones 1 hasta 7 caracterizado porque dicho ángulo de reflexión (y) de dicha incidencia está en la gama de <0 hasta -50 grados durante la inyección completa.

10. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho ángulo de reflexión (y) de dicha incidencia está en la gama de -10> y > -35 grados.

11. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el

número de dichos orificios es 4 o más. 65

12. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el número de dichos orificios es de 5 hasta 7.

13. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque 5 dicho efecto de turbulencia resulta en un radio de turbulencia en la gama de 0, 0 hasta 0, 7.

14. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la geometría de la sección interior del suelo del cubilete (19) con relación al eje de la pulverización (30) está dispuesta de tal modo que existe volumen y distancia suficiente entre la sección interior del suelo del cubilete y el eje de la pulverización (30) de modo que se evita el contacto perturbador entre la parte sin encender la pulverización cerca de la boquilla y la sección interior del cubilete.

15. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho combustible inyectado, cuando se inyecta, se dispone para que forme una mezcla con dicho aire de admisión 15 en dicha cámara de combustión y dicha mezcla se auto enciende cuando es comprimida por dicho pistón.

16. Un motor de combustión interna según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque dicho motor (1) está instalado para añadir una parte previamente determinada del gas del escape recirculado a dicho aire de admisión, dicha parte estando adaptada de modo que las emisiones de óxido de nitrógeno que emergen de dicha combustión se mantienen por debajo de un nivel bajo seleccionado.