MOTOR DE CUATRO TIEMPOS DE CICLO DIVIDIDO.

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

un pistón de expansión (114) recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de expansión (104) y operativamente conectado con el cigüeñal (108) de modo que el pistón de expansión (114) se corresponde con una carrera de expansión y de una carrera de escape de un ciclo de cuatro tiempos durante una sola rotación del cigüeñal (108); un pistón de compresión (116) recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de compresión (106) y conectado operativamente con el cigüeñal (108) de modo que el pistón de compresión (116) se corresponde a 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 o conducto de cruce (144) que interconecta los cilindros de compresión (106) y de expansión (104), incluyendo el paso o conducto de cruce (144) una válvula de entrada (146) y una válvula de cruce (150) que definen una cámara de presión en su interior (148); caracterizándose en que: la válvula de cruce (150) se cierra cuando el pistón de expansión (114) desciende de su posición de centro superior absoluto a su posición de centro inferior absoluto; la combustión de gas en el interior del cilindro de expansión (104) se inicia después de que el pistón de expansión (314) alcance su posición de centro superior absoluto durante la carrera de expansión; y la válvula de cruce (150) permanece abierta durante el inicio de una combustión en el cilindro de expansión (104)

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, en el que un pistón se utiliza para las carreras o tiempos de entrada y de compresión y el otro pistón se utiliza para las carreras o tiempos de expansión (o potencia) y de escape, terminando cada una de las cuatro carreras o tiempos en una revolución del cigüeñal.

Antecedentes de la invención

Los motores de combustión interna pueden ser cualquiera de un grupo de dispositivos en los cuales los reactivos de la combustión, por ejemplo, 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 la técnica 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 el oxidante (por ejemplo, aire) y ocurre la combustión. Dicho motor obtiene su energía del calor lanzado durante la combustión de fluidos funcionales no-reactivos, por ejemplo, la mezcla oxidante-combustible. Este proceso ocurre dentro del motor y es parte del ciclo termo dinámico 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, típicamente los motores diésel.

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 que cada carrera proporcione potencia a un cigüeñal.

Refiriéndonos a las Figuras 1-4, un ejemplo de realización de un motor de combustión interna de ciclo convencional de cuatro tiempos de una técnica anterior se muestra en 10. El motor 10 incluye un bloque de motor 12 que tiene el cilindro 14 que se extiende a través de 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 1 ó 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 o conducto 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 o conducto de salida 32 de la carrera de escape (Fig. 4). Una biela 34 está acoplada de manera pivotante 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 de manera pivotante 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 o correspondencia 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 (por ejemplo, vapor de gasolina) y de aire es succionada al interior de la cámara de combustión 26 por el vacío parcial creado de esta manera. 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 ambas 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 (TDC), 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 realización 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 la técnica 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 típico motor 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 los 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 NO_x 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 Interna! Combustión Engine" (Motor de combustión interna de cuatro tiempos de ciclo dividido), presentada el 20 de Julio de 2001, incorporada aquí para referencia en su conjunto.

Una realización ejemplar 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...

1. Un motor (100) que comprende:

un cigüeñal (108), girando sobre un eje del cigüeñal (110) del motor (100);

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

un pistón de compresión (116) recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de compresión (106) y conectado operativamente con el cigüeñal (108) de modo que el pistón de compresión (116) se corresponde a 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 o conducto de cruce (144) que interconecta los cilindros de compresión (106) y de expansión (104), incluyendo el paso o conducto de cruce (144) una válvula de entrada (146) y una válvula de cruce (150) que definen una cámara de presión en su interior (148); caracterizándose en que:

la válvula de cruce (150) se cierra cuando el pistón de expansión (114) desciende de su posición de centro superior absoluto a su posición de centro inferior absoluto;

la combustión de gas en el interior del cilindro de expansión (104) se inicia después de que el pistón de expansión (314) alcance su posición de centro superior absoluto durante la carrera de expansión; y

la válvula de cruce (150) permanece abierta durante el inicio de una combustión en el cilindro de expansión (104).

2. El motor (100) de la reivindicación 1, en el cual la válvula de cruce (150) permite un flujo de gas en un sentido desde la cámara de presión (148) al cilindro de expansión (104).

3. El motor (100) de cualquier reivindicación precedente, en el cual substancialmente al menos el 5% de la combustión total ocurre antes del cierre de la válvula de cruce (150).

4. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el cual substancialmente al menos 10% de la combustión total ocurre antes del cierre de la válvula de cruce (150).

5. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el cual substancialmente al menos 15% de la combustión total ocurre antes del cierre de la válvula de cruce (150).

6. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la válvula de cruce (150) se abre 5º de ángulo de fisura antes de que el pistón de expansión (114) alcance su centro superior absoluto.

7. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la válvula de cruce (150) tiene una duración de válvula de cruce de substancialmente 69º de ángulo de fisura o menos.

8. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la válvula de cruce (150) tiene una duración de válvula de cruce de substancialmente 50º de ángulo de fisura o menos.

9. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la válvula de cruce (150) tiene una duración de válvula de cruce de substancialmente 35º de ángulo de fisura o menos.

10. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la relación de los volúmenes del cilindro de BDC a TDC para al menos el cilindro de expansión (104) y el cilindro de compresión (106) es substancialmente 40 a 1 o mayor.

11. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la relación de los volúmenes del cilindro de BDC a TDC para al menos el cilindro de expansión (104) y el cilindro de compresión (106) es substancialmente 80 a 1 o mayor.

12. El motor (100) de cualquier reivindicación precedente, en donde el pistón de expansión (114) y el pistón de compresión (116) tienen una fase TDC de substancialmente 50º de ángulo de fisura o menos.

13. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde el pistón de expansión (114) y el pistón de compresión (116) tienen una fase TDC inferior a 30º de ángulo de fisura.

14. El motor (100) de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en donde el pistón de expansión (114) y el pistón de compresión (116) tienen una fase TDC de substancialmente 25º de ángulo de fisura o menos.

15. El motor (100) de cualquier reivindicación precedente, en donde al menos ya sea la válvula de entrada (146) o la válvula de cruce (150) es una válvula que se abre hacia afuera.

16. Un método de realizar la combustión de gas en un motor (100), el motor (100) que incluye un cigüeñal (108) que rota en un eje del cigüeñal (110) del motor (100), un pistón de expansión (114) recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de expansión (104) y operativamente conectado con el cigüeñal (108) de modo que el pistón de expansión (114) se corresponde con una carrera de expansión y de una carrera de escape de un ciclo de cuatro tiempos durante una sola rotación del cigüeñal (108), un pistón de compresión (116) recibido por deslizamiento dentro de un cilindro de compresión (106) y conectado operativamente con el cigüeñal (108) de modo que el pistón de compresión (116) se corresponde 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 o conducto de cruce (144) que interconecta los cilindros de compresión (106) y de expansión, incluyendo el paso o conducto de cruce (144) una válvula de entrada (146) y una válvula de cruce (150) que definen una cámara de presión (148) en su interior, comprendiendo el método los pasos de:

       entrada de gas en el cilindro de compresión (106) del motor (100);

       compresión del gas dentro del cilindro de compresión (106);

       la abertura de la válvula de entrada (146) para permitir el flujo de gas comprimido del cilindro de compresión (106) a un paso o conducto de cruce (144) del motor (100);

       la abertura de la válvula de cruce (150) para permitir el flujo del gas comprimido del paso o conducto de cruce (144) al cilindro de expansión (104) del motor (100); y

       estando caracterizado el método por la iniciación de la combustión del gas dentro del cilindro de expansión (104) después de que el pistón de expansión (114) alcance su posición de centro superior absoluto, durante la carrera de expansión, mientras la válvula de cruce (150) aún permanece abierta.

17. El método de la reivindicación 16 que incluye asimismo el paso de:

cerrar la válvula de cruce (150) después de que al menos un 5% de la combustión total del gas haya ocurrido.

18. El método de la reivindicación 16 que incluye asimismo el paso de:

cerrar la válvula de cruce (150) después de que al menos un 10% de la combustión total del gas haya ocurrido.

19. El método de la reivindicación 16 que incluye asimismo el paso de:

cerrar la válvula de cruce (150) después de que al menos un 15% de la combustión total del gas haya ocurrido.

20. El método de la reivindicación 16, en donde la relación de los volúmenes del cilindro de BDC al TDC ya sea al menos para el cilindro de expansión (104) o para el cilindro de compresión (106) sea substancialmente de 40 a 1 o mayor.