DISPOSITIVO DE REGULACIóN Y MEZCLA DE GAS RECIRCULADO PARA

MOTORES DE COMBUSTIóN INTERNA, MOTOR QUE COMPRENDE DICHO DISPOSITIVO Y VEHíCULO AUTOMóVIL QUE COMPRENDE DICHO MOTOR

D E S C R I P C I ó N

OBJETO DE LA INVENCIóN

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado para motores de combustión interna, un segundo aspecto se refiere a un motor que comprende dicho dispositivo y, por último, un tercer aspecto se refiere a un vehículo automóvil que comprende dicho motor; teniendo aplicación, dichos tres aspectos, en la industria mecánica, y de manera preferente en el ámbito de la automoción.

La invención permite reducir las emisiones contaminantes a la vez que mejora el funcionamiento e incrementa el rendimiento de este tipo de motores adaptándose a las condiciones de funcionamiento en cada momento, asi como reducir los costes de producción de los motores, al integrar varios elementos en un único dispositivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIóN

Los motores de combustión interna alternativos son motores térmicos que comprenden un proceso de combustión que produce unos gases que actúan sobre un émbolo o pistón que se encuentra alojado de manera ajustada en el interior de un cilindro o camisa, produciendo su desplazamiento en el interior de dicho cilindro. Por un extremo opuesto al de

actuación de los gases los émbolos están vinculados a un cigüeñal, obteniéndose finalmente un movimiento de rotación de dicho cigüeñal a partir de un movimiento lineal alternativo de cada émbolo que comprende el motor.

En la actualidad este tipo motores se dividen en dos grupos, por un lado están los motores de explosión, es decir motores de ciclo Otto que utilizan gasolina como combustible y que comprenden bujías para producir la ignición en el interior de los cilindros, y por otro lado están los motores diesel, es decir motores en los que el encendido en el interior los cilindros consigue por compresión.

En los motores diesel el ciclo de encendido se produce mediante la compresión de una mezcla de aire y combustible, lo que produce su autoinflamación, sin la necesidad de medios adicionales, como las bujías utilizadas en los motores de explosión. Por este motivo este tipo de motores tienen que resistir elevadas presiones que permitan alcanzar la temperatura de ignición, lo que se consigue cuando el pistón se encuentra en el punto máximo superior PMS del cilindro, instante en el que es inyectado el combustible en la cámara de combustión. Para la inyección del combustible en este tipo de motores se utiliza una bomba de alta presión y al menos un inyector, de forma que la potencia obtenida en el ciclo se encuentra determinada por el volumen de combustible inyectado.

El rendimiento de un motor diesel es superior al de un motor de explosión equivalente, en gran medida como consecuencia de las elevadas presiones a las que trabajan lo que permite aprovechar mejor el combustible, denominándose motores de ^λ mezcla pobre' .

En estos motores cada ciclo comprende cuatro procesos, establecidos, bien en dos tiempos o en cuatro tiempos, en los cuales cada cilindro admite el combustible y expulsa los gases a través de válvulas de admisión y de escape respectivamente, las cuales están configuradas para mantenerse en situación de cierre, debido a la acción de un muelle, hasta que se requiere su apertura en un instante determinado, lo cual está controlado por la actuación de un árbol de levas que gira de manera sincronizada por la acción del cigüeñal, que acciona dicho árbol de levas, estando todo el conjunto coordinado mediante una correa de distribución.

Durante el funcionamiento cíclico o alternativo de este tipo de motores se plantea la necesidad de sustituir los gases que se producen en la combustión, por una nueva de mezcla de aire y combustible en el interior de cada cilindro, en lo que se denomina como proceso de renovación de la carga o proceso de alimentación.

En particular para los motores diesel, son conocidos desde la década de 1980 sofisticados sistemas electrónicos para el control de los parámetros de funcionamiento del mismo, mediante los cuales se consigue ahorrar combustible y reducir la emisión de gases tóxicos a la atmósfera.

Por otro lado el cumplimiento de normativas cada vez más restrictivas, sobre todo en el ámbito europeo, relativas a la reducción de las emisiones contaminantes de los motores de combustión interna, ha obligado a los fabricantes, sobre todo en el ámbito de la industria de vehículos automóviles, a introducir modificaciones en los elementos de dichos motores, con el objeto de cumplir con los niveles de emisiones establecidos en dichas normativas.

Una de estas modificaciones consiste en la incorporación en los motores de combustión interna, tanto en el caso de motores de gasolina como en el caso de motores diesel, de un sistema o medios de recirculación de los gases resultantes de la combustión, siendo habitualmente conocidos estos sistemas por sus siglas en inglés como sistemas EGR, Exhaust Gas Recirculation.

Estos sistemas de recirculación tienen como objetivo principal conseguir una reducción de las emisiones de óxido de nitrógeno y/o dióxido de nitrógeno (NOx) , para lo cual se basan en hacer recircular parte del gas resultante de la combustión, introduciéndolo de nuevo en los cilindros del motor, convenientemente mezclado con aire fresco o limpio, lo que incrementa la capacidad calorífica de la mezcla, lo cual permite reducir la temperatura pico de combustión. Dado que la formación de NOx se produce a altas temperaturas, estos sistemas sirven para limitar su generación.

Actualmente la práctica totalidad de los vehículos automóviles con motores diesel comercializados, destinados tanto al transporte de pasajeros como de mercancías asi como en el ámbito de la maquinaria pesada, comprende un sistema de recirculación de gases como el anteriormente comentado.

No obstante, debido a su funcionamiento, estos sistemas de recirculación implican una serie de condicionantes para un aprovechamiento óptimo de los mismos que complican y encarecen los motores, limitando en algunos casos su régimen operativo, con los consiguientes inconvenientes, tal y como se expone a continuación.

En primer lugar la mezcla del gas a recircular procedente de la combustión con aire fresco, para la

obtención de gas recirculado que se introduce en los cilindros del motor, debe efectuarse en el menor tiempo posible, es decir de la manera más rápida posible, con el objeto de que la composición del gas recirculado que se va a introducir en cada uno de los cilindros del motor sea ^• homogénea, es decir que la composición del gas introducido en cada cilindro sea la misma en todos los cilindros que comprenda el motor, o en todo caso lo más parecida posible.

En segundo lugar, la capacidad para conseguir una recirculación de gas determinado, es decir un flujo o caudal de gas recirculado suficiente, depende de la presión existente en el colector de escape y de la presión existente en el colector de admisión. Asimismo dicha capacidad de recirculación depende de las características especificas y de los elementos de cada sistema de recirculación considerando factores como las pérdidas de carga en las conducciones o tuberías del sistema, asi como otros elementos como por ejemplo válvulas, por lo que en determinados casos la cantidad de gas recirculado no es suficiente o al menos no es la cantidad requerida para un funcionamiento óptimo del sistema de recirculación.

Por último, teniendo en consideración que los motores combustión interna actuales tienen un rango de operación muy amplio, se requiere que el sistema de regulación del gas a recircular permita controlar o regular la cantidad de gas recirculado para cada régimen o condición de funcionamiento del motor, más concretamente de su flujo o caudal y por lo tanto de presión en la zona de entrada o admisión de gas a los cilindros.

En la actualidad los dispositivos que comprenden los sistemas de recirculación comprenden piezas fijas que no

permiten una regulación del flujo de gas que se desea hacer recircular, salvo determinadas válvulas de EGR que encarecen el motor e incrementan los costes de fabricación y mantenimiento del mismo.

DESCRIPCIóN DE LA INVENCIóN

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado para motores de combustión interna, que permite reducir las emisiones contaminantes de este tipo de motores, mejorar su funcionamiento e incrementar su rendimiento adaptando el flujo o caudal de gas recirculado a las condiciones o régimen de funcionamiento del motor en cada momento, lo que permite reducir los costes de producción de los motores, al integrar varios elementos en un único dispositivo.

El dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado objeto de la invención comprende un conducto convergente, que es una pieza hueca de revolución que tiene una sección transversal variable a lo largo de su eje de revolución, concretamente tiene una parte interior que comprende una zona convergente, estando el extremo abierto próximo a dicha zona convergente operativamente conectado por una zona de entrada con una linea de admisión o sobrealimentación por la que circula el aire que admite el motor.

Por otro lado el dispositivo comprende un conducto divergente, que también es una pieza hueca de revolución, cuyo interior tiene una zona divergente, estando operativamente conectado por una zona de salida, próxima a la

zona divergente, con un colector de admisión, de forma que el dispositivo se sitúa en la linea de admisión de los motores.

Se dispone asimismo de un conducto lateral que se encuentra conectado al menos a un colector de escape y por el que circula parte de los gases de escape generados dentro del cilindro, en el proceso de combustión del motor. Dicho conducto introduce los gases dentro de un volumen cilindrico, de forma tangencial, de manera que se induce en el gas introducido un movimiento circular de rotación antes de ser mezclado con el gas de admisión que circula por la parte convergente anteriormente mencionada.

De este modo, en el dispositivo de la invención, el conducto convergente tiene una función de tobera de un gas a recircular procedente de la linea de admisión o sobrealimentación del motor, mientras que el conducto divergente tiene una función de un difusor de la mezcla, que comprende el gas a recircular convenientemente mezclado con aire fresco, que se introduce en el colector de admisión.

El eje de revolución del conducto convergente está situado de forma paralela al eje de revolución del conducto divergente, es decir están situados de manera enfrentada y paralela separados por un determinado espacio, de forma que dichos conducto convergente y conducto divergente están configurados para regular el flujo de gas recirculado mediante su movimiento relativo, lo que modifica el volumen del espacio de separación entre el conducto convergente y el conducto divergente, permitiendo la adaptación del flujo de gas recirculado en cada instante de acuerdo con las condicione de funcionamiento del motor.

El espacio que descubre una abertura u orificio que es variable en función de la separación existente entre el conducto convergente y el conducto divergente.

Con el dispositivo de la invención se consigue variar la sección de entrada de gas recirculado a la admisión del motor mediante la variación de la distancia de separación de las dos partes móviles del dispositivo, es decir del conducto convergente y el conducto divergente. Asi se consigue regular el caudal o flujo de gas recirculado mediante el control y la regulación de la pérdida de carga, es decir de presión, que se produce en la zona de salida del dispositivo, que se corresponde con la zona de entrada de gas recirculado al motor.

Asi pues, de acuerdo con la invención descrita, el dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado que la invención propone constituye un avance en los dispositivos hasta ahora utilizados y resuelve de manera satisfactoria la problemática anteriormente expuesta en la linea reducir las emisiones contaminantes, mediante un dispositivo que permite variar la sección de entrada del flujo de gas a la admisión del motor mediante la variación de la distancia de separación de las partes móviles del dispositivo.

Asimismo, el dispositivo que la invención propone cumple los condicionantes anteriormente expuestos y resuelve de manera satisfactoria la problemática que plantean, permitiendo una mejora en el funcionamiento y una reducción en las emisiones contaminantes del motor, asi como una reducción de los costes de producción del mismo, al integrar varios elementos necesarios en los sistemas de recirculación existentes hasta ahora en un único dispositivo.

Por un lado, la utilización de una zona convergente produce una aceleración del gas a recircular, favoreciendo el proceso de mezcla con aire fresco. Además la disposición de la entrada del gas recirculado ayuda a dicho proceso de mezcla.

Por otro lado, con el dispositivo de la invención se reduce la presión del gas a recircular a su salida de la zona convergente debido a la aceleración producida, lo que favorece la entrada de gas recirculado al motor, al encontrarse en condiciones de presión inferiores en la zona de salida del dispositivo, es decir en la parte de admisión del motor.

Además la utilización de geometrías variables en cuanto a la disposición de los dos conductos, convergente y divergente, con la consecuente variación de la sección de paso del gas recirculado, permite regular el flujo o caudal de gas a recircular entre un limite máximo y minimo para una determinada condición de funcionamiento, a diferencia de los dispositivos hasta ahora utilizados que comprenden piezas fijas que no permiten una regulación del flujo de gas que se desea hacer recircular.

Preferentemente el eje de revolución del conducto convergente coincide con el eje de revolución del conducto divergente, lo que define un eje de alineación del dispositivo, que evita pérdidas de presión indeseadas.

Se contempla como posibilidad que el dispositivo de la invención comprenda un anillo móvil, situado en la parte interna del conducto divergente, configurado para regular el flujo de gas recirculado mediante su movimiento relativo, por

ejemplo a rosca, con respecto a dicho conducto divergente lo que modifica el volumen del espacio de separación entre el conducto convergente y el conducto divergente.

Por otro lado se contempla la posibilidad de que el conducto convergente y el conducto divergente estén configurados para cerrar totalmente el paso de gas recirculado, estando situados en una posición en la que el conducto convergente está en contacto con el conducto divergente, lo que impide la entrada de aire fresco en el sistema de recirculación y de gas de combustión en el conducto de admisión.

Por otro lado, un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un motor de combustión interna que comprende un dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado de acuerdo con cualquiera de los dispositivos anteriormente descritos.

Por último, un tercer aspecto de la presente invención se refiere a un vehículo automóvil que comprende un motor de combustión interna de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención.

DESCRIPCIóN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, una figura en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado una sección longitudinal del dispositivo de la

invención, en la que puede apreciarse la posición relativa de los elementos que comprende, habiéndose representado con flechas los flujos de gases en el interior del dispositivo.

REALIZACIóN PREFERENTE DE LA INVENCIóN

A la vista de la figura reseñada puede observarse como en una de las posibles realizaciones del primer aspecto de la invención, el dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado para motores de combustión interna comprende un conducto convergente (4), que es una pieza hueca de revolución que tiene parte interior que comprende una zona convergente (5) , estando el extremo abierto próximo a dicha zona convergente (5) operativamente conectado por una zona de entrada (6), bien a la atmósfera, mediante una tubería de admisión de aire, o bien al circuito de sobrealimentación de un motor en el caso de que se trate de motores sobrealimentados .

Por otro lado el dispositivo comprende un conducto divergente (1), que es una pieza hueca de revolución, cuyo interior tiene una zona divergente (2), estando operativamente conectado por una zona de salida (3) , próxima a la zona divergente (2), con el colector de admisión del motor.

Asimismo el dispositivo comprende un conducto lateral (12), conectado a un volumen situado en una parte central (13) del conducto divergente (1), estando conectado dicho conducto lateral (12) con al menos a un colector de escape del motor. Por el conducto lateral (12) se introduce gas de combustión en el dispositivo. Este gas de .combustión es

forzado a realizar movimientos circulares de rotación dentro del volumen interior de la parte central (13), antes de ser mezclado con aire de admisión (14), es decir con el aire de la zona de entrada (6) .

El conducto convergente (4) tiene una función de tobera del aire de admisión (14) procedente del ambiente o del sistema de sobrealimentación, mientras que el conducto divergente (1) tiene una función de un difusor de la mezcla de aire con gas recirculado (10), que entra por un conducto lateral (12) al dispositivo conectado con al menos un colector de escape. La mezcla de aire con gas recirculado (10) sale del dispositivo por la zona de salida (3) y se introduce en el colector de admisión.

El eje de revolución del conducto convergente (4) coincide con el eje de revolución del conducto divergente (1), definiendo un eje de alineación (8), de forma que el conducto convergente (4) está situado de manera enfrentada al conducto divergente (1), estando separados por un determinado espacio (7), de forma que dichos conducto convergente (4) y conducto divergente (1) están configurados para regular el flujo de gas recirculado (10) mediante su movimiento relativo, lo que modifica el volumen del espacio (7) de separación entre dicho conducto convergente (4) y dicho conducto divergente (1), permitiendo la adaptación del flujo de gas recirculado (10) en cada instante de acuerdo con las condicione de funcionamiento del motor.

Asimismo el dispositivo comprende un anillo móvil (11), situado en la parte interna del conducto convergente (4), configurado para regular el flujo de gas recirculado (10) mediante su movimiento relativo, a rosca, con respecto

al conducto convergente (4) lo que modifica el volumen del espacio (7) de separación entre el conducto convergente (4) y el conducto divergente (1) .

El conducto convergente (4) y el conducto divergente (1) están configurados para cerrar totalmente el paso de gas recirculado (10), cuando están situados en una posición en la que el conducto convergente (4) está en contacto con el conducto divergente (1), lo que impide la entrada de aire fresco en el sistema de recirculación, asi como la entrada de gas recirculado al conducto de admisión del motor.

Por otro lado, un segundo aspecto de la presente invención se refiere a un motor de combustión interna que comprende un dispositivo de regulación y mezcla de gas recirculado de acuerdo con cualquiera de los dispositivos anteriormente descritos.

Por último, un tercer aspecto de la presente invención se refiere a un vehículo automóvil que comprende un motor de combustión interna de acuerdo con el segundo aspecto de la presente invención.

A la vista de esta descripción y figura, el experto en la materia podrá entender que las realizaciones de la invención que se han descrito pueden ser combinadas de múltiples maneras dentro del objeto de la invención. La invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero para el experto en la materia resultará evidente que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes sin exceder el objeto de la invención reivindicada.