Un motor (100) que comprende: un cigüeñal (108), que gira sobre un eje de cigüeñal (110) del motor (100);

un pistón de expansión (114) que es recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de expansión (104) y conectado operativamente al cigüeñal (108), de modo que el pistón de expansión (114) recíproca con una carrera de expansión y una carrera de evacuación de un ciclo de cuatro tiempos durante una sola rotación del cigüeñal (108); un pistón de compresión (116) que es recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de compresión (106) y conectado al cigüeñal (108), de modo que el pistón de compresión (116) recíproca con una carrera de entrada y una carrera de compresión del mismo ciclo de cuatro tiempos durante la misma rotación del cigüeñal (108); y un paso de cruce (144) interconecta los cilindros de compresión (106) y expansión (104), el paso de cruce (144) incluye una válvula de entrada (146) y una válvula de cruce (150) que definen en su interior una cámara de presión (148); y un sistema de inyección de combustible operativo para añadir fuel al extremo de salida del paso de cruce (144); donde la combustión se inicia en el cilindro de expansión (104) caracterizado por: el cilindro de expansión (104) comprende además una válvula de escape (154) dispuesta sobre el cilindro de expansión (104). La válvula de escape (154) está separada de la válvula de cruce (150)

Motor de cuatro tiempos de ciclo dividido.

Campo de la invención

La presente invención está relacionada con los motores de combustión interna. Más específicamente, la presente invención está relacionada con un motor de ciclo dividido que tiene un par de pistones: un pistón se utiliza para las carreras de entrada y compresión y el otro pistón se utiliza para las carreras de expansión (o potencia) y de escape, terminando cada una de las cuatro carreras en una revolución del cigüeñal.

Transfondo de la invención

Los motores de combustión interna pueden ser cualquiera de un grupo de dispositivos en los cuales los reactivos de la combustión, p. ej. oxidante y combustible, y los productos de la combustión sirven como fluidos funcionales del motor. Los componentes básicos de un motor de combustión interna son bien conocidos en el arte e incluyen el bloque de motor, la culata, los cilindros, los pistones, las válvulas, el cigüeñal y el árbol de levas. Las culatas, los cilindros y las tapas de los pistones forman típicamente las cámaras de combustión en las cuales se introduce el combustible y oxidante (p. ej., aire) y ocurre la combustión. Tal motor obtiene su energía del calor lanzado durante la combustión de fluidos funcionales no-reactivos, p. ej. la mezcla oxidante-combustible. Este proceso ocurre dentro del motor y es parte del ciclo termodinámico del dispositivo. En todos los motores de combustión interna, el trabajo útil se genera de los productos calientes, gaseosos de la combustión, que actúan directamente en las superficies móviles del motor, tales como la tapa o la corona de un pistón. Generalmente, el movimiento recíproco de los pistones se transfiere al movimiento rotatorio de un cigüeñal a través de las bielas. Los motores de combustión interna (IC) se pueden clasificar en motores de ignición por chispa (SI) y motores de ignición de compresión (CI). Los motores SI, es decir motores de gasolina típicos, utilizan una chispa para encender la mezcla aire/combustible, mientras que el calor de la compresión enciende la mezcla aire/combustible en los motores CI, es decir, motores diésel típicamente.

El motor de combustión interna más común es el motor con ciclo de cuatro tiempos, un concepto cuyo diseño básico no ha cambiado en más de 100 años. Ello se debe a su simplicidad y rendimiento excepcional como motor en el transporte terrestre y otras industrias. En un motor con ciclo de cuatro tiempos, la potencia se recupera del proceso de combustión en cuatro desplazamientos distintos del pistón (carreras) de un solo pistón. Por consiguiente, un motor con ciclo de cuatro tiempos se define aquí como un motor que requiere cuatro carreras completas de uno o más pistones para cada carrera de expansión (o potencia), es decir para cada carrera que dé potencia a un cigüeñal.

Refiriéndonos a las Figuras 1-4, un ejemplo de representación de un motor de combustión interna de ciclo convencional de cuatro tiempos de un método anterior se muestra en 10. El motor 10 incluye un bloque de motor 12 que tiene el cilindro 14 que se extiende por él. El cilindro 14 tiene el tamaño apropiado para recibir el pistón recíproco 16. Acoplada a la parte superior del cilindro 14 se encuentra la culata 18, que incluye una válvula de entrada 20 y una válvula de salida 22. La parte inferior de la culata 18, el cilindro 14 y la parte superior (o corona 24) del pistón 16 forman una cámara de combustión 26. En la carrera de entrada (Fig. 1), una mezcla aire/combustible se introduce en la cámara de combustión 26 a través de un paso de entrada 28 y por la válvula de entrada 20, en donde la mezcla se enciende mediante la bujía 30. Los productos de la combustión se expulsan posteriormente a través de la válvula de salida 22 y del paso de salida 32 de la carrera de escape (Fig. 4). Una biela 34 está acoplada pivotalmente en su extremo distal superior 36 al pistón 16. Un cigüeñal 38 incluye una porción mecánica de compensación llamada el tiro 40 del cigüeñal, que está acoplada pivotalmente al extremo distal inferior 42 de la biela 34. El acoplamiento mecánico de la biela 34 al pistón 16 y el tiro 40 del cigüeñal sirve para convertir el movimiento recíproco (según lo indica la flecha 44) del pistón 16 al movimiento rotatorio (según lo indica la flecha 46) del cigüeñal 38. El cigüeñal 38 se une mecánicamente (no mostrado) a un árbol de levas 48 de la entrada y a un árbol de levas 50 de salida, que controla con precisión la abertura y el cierre de la válvula de entrada 20 y de la válvula de salida 22 respectivamente. El cilindro 14 tiene una línea central (eje pistón-cilindro) 52, que es también la línea central de reciprocación del pistón 16. El cigüeñal 38 tiene un centro de la rotación (eje del cigüeñal) 54.

Refiriéndonos a la Fig. 1, con la válvula de entrada 20 abierta, el pistón 16 desciende primero (según lo indica la dirección de la flecha 44) en la carrera de entrada. Una masa predeterminada de una mezcla inflamable de combustible (p. ej. vapor de la gasolina) y de aire es succionada al interior de la cámara de combustión 26 por el vacío parcial creado de este modo. El pistón continúa descendiendo hasta alcanzar su centro inferior absoluto (BDC), es decir, el punto en el cual el pistón está más alejado de culata 18.

Refiriéndonos a la Fig. 2, con tanto las válvulas de entrada 20 y de salida 22 cerradas, la mezcla se comprime mientras el pistón 16 asciende (según lo indica la dirección de la flecha 44) en la carrera de compresión. Mientras el extremo de la carrera se acerca al centro superior absoluto (IDC), es decir, el punto en el cual el pistón 16 está en el punto más cercano de la culata 18, el volumen de la mezcla se comprime en esta representación a una octava parte de su volumen inicial (debido a una relación de compresión 8 a 1). Según el pistón se acerca al TDC, se genera una chispa eléctrica por el hueco de la bujía (30) lo cual inicia la combustión.

Refiriéndonos a la Fig. 3, la carrera de potencia sigue con ambas válvulas 20 y 22 aún cerradas. El pistón 16 se acciona hacia abajo (según lo indica la flecha 44) hacia el centro inferior absoluto (BDC), debido a la expansión de los gases ardientes que presionan la corona 24 del pistón 16. El principio de la combustión en el motor convencional 10 ocurre generalmente un poco antes de que el pistón 16 alcance el TDC para una mayor eficiencia. Cuando el pistón 16 alcanza el TDC, hay un volumen 60 de separación significativo entre la parte inferior de la culata 18 y la corona 24 del pistón 16.

Refiriéndonos a la Fig. 4, durante la carrera de escape, el pistón ascendente 16 fuerza los productos de la combustión usados a través de la válvula abierta 22 de salida (o escape). El ciclo se repite entonces. Para este motor 10 de ciclo de cuatro tiempos de un método anterior, se requieren cuatro tiempos de cada pistón 16, a saber: entrada, compresión, expansión y escape, y dos revoluciones del cigüeñal 38 para terminar un ciclo, es decir, para proporcionar una carrera de potencia.

El problema reside en que la eficiencia termodinámica total del motor típico 10 de cuatro tiempos solamente llega a un tercio (1/3). Es decir, aproximadamente 1/3 de la energía del combustible llega al cigüeñal como útil, 1/3 se pierde en el calor residual y 1/3 se pierde por el escape. Además, con estrictos requisitos en materia de emisiones y el mercado y la necesidad de legislar el aumento de la eficiencia, los fabricantes de motores pueden considerar la tecnología de mezcla pobre como una vía para el aumento de la eficiencia. No obstante, como la mezcla pobre no es compatible con convertidores catalíticos de tres vías, las mayores emisiones de NOx en tales técnicas se deben enfocar de otra manera.

Refiriéndonos a la Fig. 5, una alternativa al motor de cuatro tiempos convencional anteriormente descrito es un motor de cuatro tiempos de ciclo dividido. Del motor de ciclo dividido se trata generalmente en la patente Nº 6.543.225 de los EE.UU. otorgada a Scuderi, titulada "Split Four Stroke Internal Combustion Engine" (Motor de combustión interna de cuatro tiempos de ciclo dividido), presentado el 20 de Julio de 2001.

Un ejemplo de la representación del concepto del motor de ciclo dividido se muestra de modo general en 70. El motor 70 de ciclo dividido substituye dos cilindros adyacentes de un motor de cuatro tiempos convencional por una combinación de un cilindro 72 de compresión y un cilindro 74 de expansión. Estos dos cilindros 72, 74 realizarían...

1. Un motor (100) que comprende:

un cigüeñal (108), que gira sobre un eje de cigüeñal (110) del motor (100);

un pistón de expansión (114) que es recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de expansión (104) y conectado operativamente al cigüeñal (108), de modo que el pistón de expansión (114) recíproca con una carrera de expansión y una carrera de evacuación de un ciclo de cuatro tiempos durante una sola rotación del cigüeñal (108);

un pistón de compresión (116) que es recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de compresión (106) y conectado al cigüeñal (108), de modo que el pistón de compresión (116) recíproca con una carrera de entrada y una carrera de compresión del mismo ciclo de cuatro tiempos durante la misma rotación del cigüeñal (108); y

un paso de cruce (144) interconecta los cilindros de compresión (106) y expansión (104), el paso de cruce (144) incluye una válvula de entrada (146) y una válvula de cruce (150) que definen en su interior una cámara de presión (148); y un sistema de inyección de combustible operativo para añadir fuel al extremo de salida del paso de cruce (144);

donde la combustión se inicia en el cilindro de expansión (104) caracterizado por:

el cilindro de expansión (104) comprende además una válvula de escape (154) dispuesta sobre el cilindro de expansión (104). La válvula de escape (154) está separada de la válvula de cruce (150).

2. El motor (100) de la reivindicación 1, en la cual el sistema de inyección de combustible está configurado para añadir combustible al extremo de salida del paso de cruce (144), configurado para que se corresponda con el tiempo de apertura de la válvula de cruce (150).

3. El motor (100) de cualquier reivindicación anterior que comprenda el pistón de expansión (114) y el pistón de compresión (116) con una fase TDC de 50º de ángulo de fisura o inferior.

4. El motor [100] de cualquier reivindicación anterior que comprenda el pistón de expansión (114) y el pistón de compresión (116) con una fase TDC de 30º de ángulo de fisura o inferior.

5. El motor [100] de cualquier reivindicación anterior que comprenda el pistón de expansión (114) y el pistón de compresión (116) con una fase TDC de 25º de ángulo de fisura o inferior.

6. El motor (100) de cualquier reivindicación anterior que comprenda la duración de la válvula de cruce (150) de 50º de ángulo de fisura o inferior.

7. El motor (100) de cualquier reivindicación anterior que comprenda la válvula de cruce (150) con una duración de válvula de cruce de 35º de ángulo de fisura o inferior.

8. El motor [100] de cualquier reivindicación anterior en la que la válvula de cruce (150) permanezca abierta durante al menos parte de la combustión en el cilindro de expansión (104).

9. El motor de [100] de la reivindicación 8 dentro del que al menos el 5% de la combustión total se produce antes del cierre de la válvula de cruce (150).

10. El motor de [100] de la reivindicación 8 dentro del que al menos el 10% de la combustión total se produce antes del cierre de la válvula de cruce (150).

11. El motor de [100] de la reivindicación 8 dentro del que al menos el 15% de la combustión total se produce antes del cierre de la válvula de cruce (150).

12. El motor (100) de cualquier reivindicación anterior que comprenda la válvula de cruce (150) con una duración de válvula de cruce de 69º de ángulo de fisura o inferior.

13. Un motor (100) de cualquier reivindicación anterior, en la que la válvula de cruce (150) se abre hacia afuera y está configurada para abrirse alejándose del cilindro de expansión (104).

14. Un motor (100) de cualquier reivindicación anterior, en el que la relación de volúmenes de cilindro desde el punto muerto inferior hasta el punto muerto superior de uno de los cilindros de expansión (104) y de compresión (106) sea de 40 a 1 o superior.

15. Un motor (100) de cualquier reivindicación anterior, en la que el pistón de expansión (114) dirige el pistón de compresión (116) mediante un ángulo de fase y el motor (100) está configurado de modo que el pistón de expansión (114) descienda desde su posición de punto muerto superior, y el pistón de compresión (116) ascienda hacia su posición de punto muerto superior, con en la válvula de entrada (146) y la válvula de cruce (150) abiertas.

16. Un motor (100) de acuerdo con la reivindicación 15, en el que durante las carreras de entrada y salida, la válvula de entrada (146) y la válvula de cruce (150) están cerradas.