BRPI0903338A2

BRPI0903338A2 - pistão para um motor alternativo de combustão, e, motor de combustão interna

Info

Publication number: BRPI0903338A2
Application number: BRPI0903338-6A
Authority: BR
Inventors: Craig W Lohmann
Original assignee: Deere & Co
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2011-05-24
Also published as: US8146563B2; CN101684761A; US20100071653A1; EP2169194A2; JP2010077968A; EP2169194A3; CN101684761B

Abstract

PISTãO PARA UM MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTãO INTERNA, E, MOTOR DE COMBUSTãO INTERNA. Uma coroa de pistão para um motor diesel em que a coroa tem um rebaixo anular coaxial com um injetor injetando combustível em um padrão irradiado, de não turbilhonamento. O rebaixo tem uma parte de coroa central interna aproximadamente paralela ao ângulo do combustível injetado e uma seção externa curva para curvar o ar comprimido pelo pistão bastante significativamente para que ele seja direcionado de volta para o eixo geométrico central e misture-se com o combustível injetado ao longo da parte de coroa central interna, para promover mistura e redução de formação da fuligem.

Description

"PISTÃO PARA UM MOTOR ALTERNATIVO DE COMBUSTÃOINTERNA, E, MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA"FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

1. Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a motores de combustão internae, mais especificamente, a pistões para tais motores.

A configuração de pistões de motor de combustão interna foi oassunto de projeto e desenvolvimento por décadas. Particularmente, no campoda ignição por compressão ou motores diesel, a configuração da parte dopistão exposta ao processo de combustão foi altamente desenvolvida. A razãopara isto é que o motor de ignição por compressão baseia-se no calor decompressão para ignição do combustível que foi injetado em quantidadesmedidas e reguladas para prover a combustão apropriada, o que resulta emeficiência e potência máximas. Com o advento dos regulamentos empregadosnas emissões de motores de combustão interna pela EPA, o projeto da câmarade combustão recebeu atenção aumentada.

E comum prover uma câmara de combustão de motor dieseldentro de um cilindro tendo pistões alternativos. Os pistões são deslocados deum volume máximo a um volume mínimo durante o que o ar que entrou nacâmara de combustão é comprimido e sua temperatura aumentada. Nasvizinhanças de volume mínimo ou centro morto de topo (TDC), ocombustível é injetado no ar comprimido e a mistura resultante ignizada parafornecer o curso de expansão do pistão. Há dois sistemas principais paraorientar a injeção de combustível relativa ao pistão. O primeiro é um sistemade elevado redemoinho em que o combustível é injetado e o ar flui em ummovimento circular em torno da coroa do pistão. O outro é um arranjo deredemoinho quiescente ou zero em que o combustível é injetado por um localcentral em um padrão e distribuição radiais uniformes. Para aumentar amistura de ar comprimido e combustível, um chamado chapéu Mexicano foiproposto para a coroa do pistão. Isto envolve um pico central com uma seçãoexterna anular curva para promover mistura dentro das moléculas de ar e docombustível.

Entretanto, para sempre diminuir as limitações de emissões,particularmente na área de formação de fuligem, as configurações de coroatradicionais impõem um limite na redução da fuligem e oxidação.

O que é necessário na técnica, portanto, é um pistão tendo umaconfiguração para minimizar a fuligem e aumentar a eficiência de combustão.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Em uma forma, a invenção é um pistão para um motoralternativo de combustão interna (IC). O pistão inclui uma forma cilíndricatendo uma conexão para fornecer movimento alternativo em resposta a umevento de combustão envolvendo ar e uma quantidade de combustívelinjetado por um injetor provendo injeção de combustível de um local centralem um padrão irradiado, substancialmente de não turbilhonamento. Umacoroa é formada na extremidade da forma cilíndrica, a coroa tendo umrebaixo anular com um centro de rotação substancialmente coaxial com olocal central para o injetor. Um pico central está dentro do rebaixo e formaum ângulo com relação ao eixo geométrico central que é aproximadamenteparalelo ao combustível injetado. Uma seção externa substancialmente curvadireciona o ar comprimido pelo pistão em torno da curva e na direção do eixogeométrico central para misturar-se com e ser direcionado ao longo do picopelo combustível injetado.

Em outra forma, a invenção é um motor de combustão internaincluindo um bloco de cilindros tendo pelo menos um cilindro para receberum pistão. Um pistão cilíndrico é alternável dentro do cilindro, em resposta aum evento de combustão envolvendo ar e uma quantidade de combustívelinjetado de um injetor provendo injeção de combustível de um local centralem um padrão irradiado, substancialmente de não turbilhonamento. Uminjetor de combustível injeta combustível na câmara de combustão em umaquantidade medida e regulada. O pistão tem uma coroa formada na suaextremidade faceando a câmara de combustão, a coroa tendo um rebaixoanular com um eixo geométrico central substancialmente coaxial com o localcentral para o injetor e uma parte de coroa central interna formando umângulo com relação ao eixo geométrico central, que é aproximadamenteparalelo ao combustível injetado, e uma parte externa substancialmente curvadirecionando o ar comprimido pelo pistão em torno da curva e na direção dedito eixo geométrico central, para misturar-se com e ser direcionado ao longodo pico pelo combustível.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

O acima mencionado e outros aspectos e vantagens destainvenção e a maneira de realizá-la, tornar-se-ão mais evidentes e a invençãoserá melhor entendida por referência à seguinte descrição de uma forma derealização da invenção, tomada em conjunto com os desenhosacompanhantes, em que:

A Fig. 1 é uma vista em seção transversal de um motor tendoum pistão personificando a presente invenção; e,

A Fig. 2 é uma vista detalhada expandida do pistãoincorporado na Fig. 1.

Caracteres de referência correspondentes indicam partescorrespondentes através de diversas vistas. As exemplificações expostas aquiilustram uma forma de realização da invenção, em uma forma, e taisexemplificações não são para ser interpretadas como limitantes do escopo dainvenção de forma alguma.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A Fig. 1 mostra um motor 10 do tipo motor de combustãointerna alternativo. O motor 10 opera nos principais pistões alternativosmovidos em resposta a um evento de combustão em uma câmara decombustão. Como ilustrado aqui, o movimento alternativo dos pistões éconvertido em movimento rotativo através dos recursos de um eixo demanivela. Entretanto, deve ser evidente àqueles hábeis na técnica que omovimento alternativo dos pistões pode ser utilizado na forma de um geradorelétrico linear, em que o movimento dos pistões e materiais ferromagnéticosinduzem uma saída de energia elétrica.

O motor 10 inclui um bloco 12 tendo uma pluralidade de furos14 para receber pistões alternativos 16, apenas um deles sendo mostrado. Osfuros cilíndricos 14 podem ser fundidos integrais com o bloco 12 ou, comoilustrado aqui, podem ser revestimentos separados de modo a aumentar oprocesso de recondicionamento. O pistão 16 inclui uma forma cilíndrica 18tendo uma conexão pivô 20 para receber um pino de articulação 22 conectadoa uma biela 24. A biela 24 é rotativamente conectada a um braço de manivelaou pino de manivela 26 sobre um eixo de manivela 28 adequadamentearticulado dentro do bloco 12, para prover uma saída de energia rotativa emresposta à alternância do pistão 16. Deve ser citado que uma pluralidade depistões pode ser fornecida dependendo das necessidades e ciclo de atividadedo motor 10.

O pistão 16 alterna-se dentro do cilindro 14 para definir umacâmara de combustão 30 ligada pelo cilindro 14, uma coroa 32 de pistão 16 eum cabeçote 34. O cabeçote 34 tem passagens de admissão 36 e passagens deexaustão 38. A combustão de ar passa através da passagem de admissão 36,próximo à válvula de entrada 40, para entrar na câmara de combustão 30.Produtos de combustão saem da câmara de combustão 30, próximo à válvulade exaustão 42, para o orifício de exaustão 38.

O ar de entrada, como é evidente àqueles hábeis na técnica,pode ser pressurizado por um compressor de um turbocompressor e esfriadopor meio de um pós-esfriador. Os gases de exaustão passando do orifício deexaustão 38, tipicamente passam através de uma turbina turbocompressora eentão para os dispositivos de pós-tratamento de exaustão. Também é comumprover-se a recirculação de gases de exaustão, o que fornece uma parte do gásde exaustão para o orifício de entrada 36, esfriado ou não esfriado, parareduzir as temperaturas de combustão e reduzir os óxidos de nitrogênio.

O motor 10, como ilustrado, opera em um ciclo de ignição porcompressão em que o ar que entrou na câmara de combustão 30, próximo aoorifício de entrada 36 e válvula 40, é pressurizado em tal extensão que ocombustível injetado por um bico injetor 44, via linha 46 do sistema deinjeção de combustível 48, no tempo apropriado e na quantidade apropriada, éignizado pelo cabeçote de compressão. A injeção do bico 44 pode ser por umavariedade de sistemas, incluindo eixo comum de elevada pressão, bombadistribuidora e injeção direta, em que a pressão é gerada no bico. O controledo sistema de injeção de combustível 48 é de um ECM 52 via interconexão50.

Em qualquer um dos sistemas, o combustível é injetado porum eixo geométrico A coaxial com o eixo geométrico do injetor 44 em umpadrão irradiado, a fim de permear a câmara de combustão 30. Como é bemconhecido daqueles hábeis na técnica, o número de furos distintos providos noinjetor 40, sua área de fluxo de seção transversal e o ângulo que elesproduzem com relação ao eixo geométrico central A do injetor 44 sãoselecionados de acordo com as necessidades do projeto do motor 10. Emborao local preferido do injetor 44 seja coaxial com o eixo geométrico da câmarade combustão 30, deve ser evidente para aqueles hábeis na técnica que oinjetor 44 pode ser deslocado do eixo geométrico central.

De acordo com a presente invenção, o pistão 16 tem umacoroa 32 que melhora o processo de combustão. A configuração da coroa 32 émostrada no detalhe expandido na Fig. 2. A coroa de pistão 32 tem umasuperfície superior 54 conectando-se com o corpo de pistão 18. Deve serobservado que o corpo de pistão 18 tem sulcos circunferenciais 56, 58 e 60para compressão apropriada e anéis de segmento de óleo (não mostrados).

A superfície superior 54 tem um rebaixo anular 62 definidopor um diâmetro externo 64. O rebaixo anular 62 é coaxial com o eixogeométrico do injetor 44, quer o injetor 44 esteja na linha central da câmarade combustão 30 ou em outra parte. O rebaixo 62 tem uma parte de coroacentral 66 com um pico 68 coaxial com o eixo geométrico A. A parte de coroacentral 66 funde-se em uma parte curva anular 70 tendo uma curvasubstancial no diâmetro externo 64, de modo que o ar comprimido dentro dorebaixo 62 curva-se em torno da parte 70 e é direcionado para o eixogeométrico central A.

A configuração de parte de coroa central 66 é de modo que elaseja aproximadamente paralela ao ângulo de injeção 72 de um ponto 74 doinjetor 44. A faixa de ângulos Φ - β, como mostrada na Fig. 2 com relação aoeixo geométrico A, está entre O0 e 5 o. O ângulo de abertura que a superfície departe da coroa faz com o eixo geométrico A é entre aproximadamente 50° e80°. O diâmetro externo 64, do rebaixo 62, não é maior do que 40 % dodiâmetro do pistão, fornecendo assim um movimento de chicote agressivodentro do rebaixo 62. A configuração da parte curva externa 70, em relação àparte de coroa central, é de modo que ela vire o fluido por mais do que 180°.

Na operação, o pistão 16 move-se da base do centro morto emdireção ao cabeçote 34, para diminuir o volume da câmara de combustão 30 eassim pressuriza e aumenta a temperatura do ar dentro da câmara decombustão 30. Como o pistão move-se em direção ao centro morto de topo, aparte de coroa central 66 do pico 66 faz com que o ar seja movido pico abaixoem torno da seção curva 70 sobre si mesma. Quando o evento de injeção éiniciado, a elevada pressão de injeção contribui para o movimento do arintensificar e aumentar a mistura. O resultado líquido disto é substancialmentea menor formação de fuligem. Além disso, a turbulência aumentada damistura combustível/ar deixa o relativamente pequeno copo aumentar aoxidação da fuligem para evitar uma geração de particulados. Deve serobservado na Fig. 2 que o diâmetro externo 64 e o pico 68 são curvos, demodo que evitam a ocorrência de cantos pronunciados e, assim, pontosquentes localizados e geradores de tensão. Deve ser observado que a injeçãode combustível pelo injetor 44 não pode ter redemoinho relativo ao eixogeométrico central A, a fim de promover o arraste eficiente das partículas decombustível dentro do ar. Deve também ser observado que o rebaixo 62 podeser deslocado do eixo geométrico central do pistão 16, contanto que o eixogeométrico central do rebaixo 62 seja coaxial com o eixo geométrico de uminj etor de combustível.

Embora esta invenção tenha sido descrita com relação a pelomenos uma forma de realização, a presente invenção pode ser aindamodificada dentro do espírito e escopo desta descrição. Este pedido é,portanto, destinado a cobrir quaisquer variações, usos ou adaptações dainvenção utilizando seus princípios gerais. Além disso, este pedido destina-sea cobrir tais desvios da presente descrição que se situem dentro da práticaconhecida ou costumeira da técnica a que esta invenção pertence e que sesituem dentro dos limites das reivindicações anexas.

Claims

1. Pistão para um motor alternativo de combustão interna (IC),dito pistão caracterizado pelo fato de compreender:uma forma cilíndrica tendo uma conexão para provermovimento alternativo em resposta a um evento de combustão envolvendo are uma quantidade de combustível injetado por um injetor provendo injeção decombustível de um local central em um padrão irradiado, substancialmente denão turbilhonamento; e,uma coroa formada na extremidade de dita forma cilíndrica, ditacoroa tendo um rebaixo anular com um eixo geométrico central substancialmentecoaxial com o local central de dito injetor e incluindo uma parte de coroa centralinterna e pico formando um ângulo com relação à dito eixo geométrico central,que é aproximadamente paralelo com o combustível injetado, e uma parte externasubstancialmente curva direcionando o ar comprimido por dito pistão em torno dacurva e em direção ao eixo geométrico central, para misturar-se com e serdirecionado ao longo do pico por dito combustível.

2. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de o diâmetro externo de dito rebaixo anular não ser maior do que 40 %do diâmetro de dito pistão.

3. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de o ângulo entre dita parte de coroa central interna e o trajeto de injeçãode combustível ser entre 0 e 5 graus.

4. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de dito local central ser coaxial com o eixo geométrico do pistão.

5. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de a parte curva de dito rebaixo ser configurada em relação à parte decoroa central, de modo que ela vire o fluido por mais do que 180°.

6. Pistão de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fatode o ângulo de abertura de dita parte de coroa central interna ser entre 50° e 80°.

7. Pistão de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de o ângulo entre dito pico e dito combustível injetado ser entre 0 e 5 %.

8. Pistão de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelofato de o ângulo de abertura de dita parte de coroa central interna com relaçãoao eixo geométrico central de dito pistão ser entre 50° e 80°.

9. Pistão de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de o eixo geométrico central ser coaxial com o eixo geométrico central dedito cilindro.

10. Pistão de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelofato de as interseções no meio de dito rebaixo e dita coroa de pistão seremarredondadas.

11. Motor de combustão interna, caracterizado pelo fato decompreender:um bloco cilíndrico tendo pelo menos um cilindro para receberum pistão;um pistão cilíndrico alternativo dentro de dito cilindro, emresposta a um evento de combustão envolvendo ar e uma quantidade decombustível injetado por um injetor provendo injeção de combustível de umlocal central em um padrão irradiado, substancialmente de nãoturbilhonamento.um injetor de combustível injetando combustível na ditacâmara de combustão em uma quantidade medida e regulada;dito pistão tendo uma coroa formada na sua extremidade faceandodita câmara de combustão, a coroa tendo um rebaixo anular com um eixogeométrico central substancialmente coaxial com o local central de dito injetor euma parte de coroa central interna formando um ângulo com relação ao eixogeométrico central que é aproximadamente paralelo com o combustível injetado euma parte externa substancialmente curva direcionando o ar comprimido por ditopistão em torno da curva e na direção de dito eixo geométrico central, paramisturar-se com e ser direcionado ao longo de dito pico por dito combustível.

12. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o diâmetro externo de dito rebaixo anular nãoser maior do que 40 % do diâmetro de dito pistão.

13. Pistão de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de a parte de coroa central interna ser configurada para ter umângulo entre 0 porcento e 5 porcento do ângulo com o qual o combustível éinjetado em dita câmara de combustão.

14. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de dito local central ser coaxial com o eixogeométrico do pistão.

15. Pistão de acordo com a reivindicação 11, caracterizadopelo fato de a parte curva de dito rebaixo ser configurada em relação à partede coroa central interna de modo que ela vire o fluido por mais do que 180°.

16. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o ângulo de abertura de dita parte de coroacentral interna ser entre 50° e 80°.

17. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de a parte de coroa central interna formar um ânguloentre O0 e 5o com relação ao combustível injetado em dita câmara de combustão.

18. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o ângulo de abertura de dita parte de coroacentral interna ser entre 50° e 80°.

19. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de o eixo geométrico central ser coaxial com oeixo geométrico central de dito pistão.

20. Motor de combustão interna de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo fato de as interseções de dito rebaixo com ditas coroasserem arredondadas.