Un motor que comprende: un condensador que incluye un montaje de placas espaciadas que proporcionan superficies refrigeradas por aire y un sumidero por debajo del montaje de placas espaciadas para recoger el condensado líquido;

un generador de vapor que incluye al menos un quemador adaptado para quemar un suministro de combustible, y una cámara de combustión que comunica con dicho al menos un quemador para generar calor dentro de dicha cámara de combustión; un montaje de accionamiento del motor principal que comprende al menos un cilindro; un pistón cautivo de modo movible dentro de dicho cilindro y que incluye una cabeza de pistón estructurada y dispuesta para realizar un movimiento oscilante, hermético dentro de dicho cilindro; un cigüeñal; una leva de cigüeñal fija a dicho cigüeñal y rotable con el mismo; una biela de conexión conectada de modo pivotante entre dicho pistón y dicha leva de cigüeñal; y una válvula de inyección accionable entre una posición cerrada y una posición abierta para liberar una carga presurizada de vapor en una porción superior de dicho cilindro; una línea de vapor para suministrar vapor a dicha válvula de inyección para su inyección en dicho cilindro tras la apertura momentánea de dicha válvula de inyección; una bomba para bombear agua desde dicho sumidero y a través de dicha línea de vapor; incluyendo dicha línea de vapor una sección dentro de dicha cámara de combustión con un área superficial expuesta dentro de dicha cámara de combustión que permite la transferencia de calor, con el fin de cambiar de fase el agua dentro de dicha línea de vapor de líquido a vapor para su suministro a dicha válvula de inyección; un pasaje de transferencia de escape para suministrar vapor de escape de dicho al menos un cilindro a dicho condensador, en el que el vapor de escape cambia de fase a líquido previamente a su recogida en dicho sumidero; y un intercambiador de calor para precalentar el aire de entrada previamente a su entrada en dicha cámara de combustión, utilizando dicho intercambiador de calor energía calorífica de los gases de escape liberados de dicha cámara de combustión

Motor termorregenerador.

Antecedentes de la invención

La presente invención se dirige a un motor de vapor y, más concretamente, a un motor termorregenerador que utiliza agua como el fluido de trabajo, así como el lubricante, y en el que el motor es altamente eficiente, ecológico y adaptado para su uso con múltiples combustibles.

Las preocupaciones medioambientales han impulsado propuestas tecnológicas de diseño de motores costosas y complejas. Por ejemplo, la tecnología de células de combustible proporciona el beneficio de funcionar sobre la base de quemar hidrógeno limpiamente. Sin embargo, el coste y tamaño de los motores de célula de combustible, así como el coste de crear, almacenar y suministrar hidrógeno con calidad de combustible sobrepasa desproporcionadamente los beneficios medioambientales. Otro ejemplo, los vehículos eléctricos limpios están limitados a desplazamientos muy cortos, y deben ser cargados regularmente con electricidad generada por medio de centrales de carbón, diesel o nucleares. Y aunque las turbinas de gas son limpias, funcionan a una velocidad constante. Las turbinas de tamaño pequeño son costosas de construir, operar y supervisar. Los motores de combustión interna diesel y de gas son eficientes, ligeros y relativamente baratos de fabricar, pero producen un nivel significativo de polución que es peligrosa para el medioambiente y la salud pública, además de ser específicos para un tipo de combustible.

El motor de vapor de ciclo de Rankine original fue inventado por James Watt hace más de 150 años. Los motores de vapor de ciclo de Rankine de la actualidad, como los divulgados en el documento WO-95/04216 y US-4901531, utilizan tubos para transportar un vapor supercalentado hasta el motor y, a continuación, a un condensador. Los tubos individuales utilizados para conducir vapor supercalentado hasta el motor tienen un área superficial significativamente expuesta, lo que limita los niveles de presión y temperatura. Las presiones y temperaturas más bajas menos deseables, a las cuales el agua puede cambiar fácilmente entre los estados líquido y gaseoso, requieren de un sistema de control complicado. Aunque los motores de vapor son generalmente voluminosos e ineficientes, tienden a ser medioambientalmente limpios. Los motores de vapor tienen unos niveles de eficiencia variables que abarcan desde el 5% de los trenes de vapor más antiguos hasta el 45% de las centrales energéticas modernas. Por el contrario, los motores de combustión interna de dos tiempos tienen una eficiencia de, aproximadamente, el 17%, mientras que los motores de combustión interna de cuatro tiempos proporcionan una eficiencia de hasta el 25%, aproximadamente. Los motores de combustión interna diesel, por otro lado, proporcionan una eficiencia de motor de hasta el 35%.

Con lo anterior en mente, es un primer objeto de la presente invención proporcionar un motor compacto y que funcione con alta eficiencia.

Es un objeto adicional de la presente invención proporcionar un motor compacto y altamente eficiente que disponga de termorregeneración y que funcione a presión supercrítica o cerca de la misma (220 bares (3200 psi)) y a alta temperatura (648ºC (1200ºF)).

Es otro objeto adicional de la presente invención proporcionar un motor altamente eficiente y compacto que sea ecológico, utilizando combustión externa, un quemador de ciclón y lubricación por agua.

Es otro objeto adicional de la presente invención proporcionar un motor de vapor compacto y altamente eficiente que tenga una capacidad de funcionamiento con múltiples combustibles, lo que permite que el motor queme una cualquiera de una variedad de fuentes de combustible y una combinación de las mismas.

Es otro objeto adicional de la presente invención proporcionar un motor de vapor compacto y altamente eficiente, ligero de peso, sin un sistema separado de refrigeración por agua y que no produzca vibraciones ni ruido de escape.

Es otro objeto adicional de la presente invención proporcionar un motor de vapor compacto y altamente eficiente que no necesite de transmisión.

Estos y otros objetos y ventajas de la presente invención serán más fácilmente aparentes con referencia a la descripción detallada y a los dibujos adjuntos.

Resumen de la invención

La presente invención se dirige a un motor compacto y altamente eficiente que utiliza agua como fluido de trabajo, así como de lubricante. El motor consiste primordialmente en un condensador, un generador de vapor y una sección principal del motor que tiene válvulas, cilindros, pistones, empujadores, un rodamiento principal, levas y un árbol de levas. El aire ambiente se introduce en el condensador mediante sopladores de entrada. La temperatura del aire es aumentada en dos fases antes de entrar en un horno de ciclón. En la primera fase, el aire entra en el condensador procedente de los sopladores. En la siguiente fase, el aire es dirigido desde el condensador y a través de intercambiadores de calor en los que el aire se calienta previamente a su entrada en el generador de vapor. En el generador de vapor, el aire precalentado se mezcla con combustible procedente de un atomizador de combustible. El quemador quema el combustible atomizando en una centrífuga, provocando que los elementos de combustible pesado se desplacen hacia los lados exteriores del horno en donde se consumen. Los gases más calientes y ligeros se desplazan a través de un pequeño haz de tubos. Los cilindros del motor se disponen en una configuración radial con las cabezas de cilindros y las válvulas prolongándose en el interior del horno de ciclón. Las temperaturas en el haz de tubos se mantienen a 648ºC (1200ºF). El haz de tubos, que transporta el vapor, es dirigido a través del horno y expuesto a las altas temperaturas. En el horno, el vapor está supercalentado y se mantiene a una presión de hasta, aproximadamente, 220 bares (3200 psi).

El vapor de escape es dirigido a través de un serpentín primario que sirve asimismo para precalentar el agua en el generador. El vapor de escape es dirigido a continuación a través de un condensador, en un sistema centrífugo de condensación por compresión, que consiste en un conjunto apilado de placas planas. Aire de refrigeración circula a través de las placas planas, es calentado en un intercambiador de calor de escape y sale al interior del horno. Este ciclo de aire recalentado aumenta enormemente la eficiencia y compacidad del motor.

La velocidad y par del motor se controlan mediante un diseño de balancín y leva que sirve para abrir y cerrar una válvula de aguja en la cabeza del motor. Cuando la válvula se abre, se inyecta vapor a alta presión y alta temperatura en el cilindro y se permite su expansión como una explosión en lo más elevado de la alta presión del pistón. Utilizando tres pistones o más se permite la autoignición.

Breve descripción de los dibujos

Para una comprensión más completa de la naturaleza de la presente invención, se debe hacer referencia a la siguiente descripción detallada tomada en conjunto con los dibujos adjuntos, en los cuales:

la figura 1 es un diagrama general que ilustra un flujo de aire a través del motor de la presente invención;

la figura 2 es un diagrama general que ilustra un flujo de agua y vapor a través del motor.

La figura 3 es una vista en alzado lateral, mostrada en sección transversal que ilustra los componentes principales del motor;

la figura 4 es una vista en planta superior, en sección transversal parcial, tomada a lo largo del plano de la línea 4-4 de la figura 3;

la figura 5 es una vista en planta superior, en sección transversal parcial, tomada a lo largo del plano de la línea 5-5 de la figura 3;

la figura 6 es una vista en planta superior aislada de un montaje de disco de cigüeñal;

la figura 7 es una vista en sección transversal aislada que muestra un montaje de válvula de alivio de compresión, un montaje de válvula de inyección y una cabeza de cilindro;

la figura 8 es un diagrama de carrera de potencia;

la figura 9 es una vista en sección transversal de un control de gases y de un montaje de temporizado del motor acoplado en avance a baja velocidad;

la figura 10 es una vista en sección transversal de un control de gases y de un montaje de temporizado del motor acoplado en...

1. Un motor que comprende:

un condensador que incluye un montaje de placas espaciadas que proporcionan superficies refrigeradas por aire y un sumidero por debajo del montaje de placas espaciadas para recoger el condensado líquido;

un generador de vapor que incluye al menos un quemador adaptado para quemar un suministro de combustible, y una cámara de combustión que comunica con dicho al menos un quemador para generar calor dentro de dicha cámara de combustión;

un montaje de accionamiento del motor principal que comprende

al menos un cilindro;

un pistón cautivo de modo movible dentro de dicho cilindro y que incluye una cabeza de pistón estructurada y dispuesta para realizar un movimiento oscilante, hermético dentro de dicho cilindro;

un cigüeñal;

una leva de cigüeñal fija a dicho cigüeñal y rotable con el mismo;

una biela de conexión conectada de modo pivotante entre dicho pistón y dicha leva de cigüeñal; y

una válvula de inyección accionable entre una posición cerrada y una posición abierta para liberar una carga presurizada de vapor en una porción superior de dicho cilindro;

una línea de vapor para suministrar vapor a dicha válvula de inyección para su inyección en dicho cilindro tras la apertura momentánea de dicha válvula de inyección;

una bomba para bombear agua desde dicho sumidero y a través de dicha línea de vapor;

incluyendo dicha línea de vapor una sección dentro de dicha cámara de combustión con un área superficial expuesta dentro de dicha cámara de combustión que permite la transferencia de calor, con el fin de cambiar de fase el agua dentro de dicha línea de vapor de líquido a vapor para su suministro a dicha válvula de inyección;

un pasaje de transferencia de escape para suministrar vapor de escape de dicho al menos un cilindro a dicho condensador, en el que el vapor de escape cambia de fase a líquido previamente a su recogida en dicho sumidero; y

un intercambiador de calor para precalentar el aire de entrada previamente a su entrada en dicha cámara de combustión, utilizando dicho intercambiador de calor energía calorífica de los gases de escape liberados de dicha cámara de combustión.

2. El motor de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho montaje de accionamiento del motor principal comprende:

una pluralidad de dichos cilindros, cada uno de los cuales tiene dicho pistón y dicha cabeza de pistón cautivos de modo movible en el mismo;

una pluralidad de bielas de conexión conectadas cada una de ellas de modo pivotante a dicho pistón de un cilindro respectivo de la pluralidad de cilindros; y

una pluralidad de válvulas de inyección, estando cada una de dicha pluralidad de válvulas de inyección situadas de modo operativo para liberar la carga presurizada de vapor en un cilindro respectivo de dicha pluralidad de cilindros tras ser accionadas a dicha posición abierta.

3. El motor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho generador de vapor comprende:

al menos un soplador para suministrar un flujo de aire a dicha cámara de combustión;

un atomizador de combustible para dirigir el combustible suministrado en forma de niebla atomizada al flujo de aire; y

un encendedor para prender la niebla atomizada de combustible.

4. El motor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicha sección de dicha línea de vapor incluye una pluralidad de líneas derivadas dentro de dicha cámara de combustión.

5. El motor de acuerdo con la reivindicación 4, que comprende además:

una válvula de división en la unión entre una porción individual de línea de dicha línea de vapor y dichas líneas derivadas, estando estructurada y dispuesta dicha válvula de división para igualar las presiones de flujo del vapor entre la pluralidad de líneas derivadas.

6. El motor de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicha pluralidad de cilindros se dispone en una configuración radial.

7. El motor de acuerdo con la reivindicación 2, que comprende además:

una pluralidad de válvulas de espacio muerto, estando situada cada una de dichas válvulas de espacio muerto de modo operativo con un cilindro respectivo de dicha pluralidad de cilindros, y estando estructuradas y dispuestas dichas válvulas de espacio muerto para reducir la compresión de vapor dentro de dichos cilindros a bajas revoluciones del motor, y estando estructuradas y dispuestas además cada una de dicha pluralidad de válvulas de espacio muerto para mantener una elevada compresión de vapor dentro de dichos cilindros a altas revoluciones del motor.

8. El motor de acuerdo con la reivindicación 1, que comprende además:

un empujador acoplado de modo operativo con dicha válvula de inyección; y

un balancín empujado por resorte acoplado de modo operativo con dicho empujador para abrir momentáneamente dicha válvula de inyección.

9. El motor de acuerdo con la reivindicación 8, que comprende además

un anillo de levas montado de modo movible sobre dicho cigüeñal;

un lóbulo que sobresale hacia fuera de dicho anillo de levas; y

un seguidor de estrangulación conectado operativamente con dicho anillo de levas y dicho empujador, estando estructurado y dispuesto dicho seguidor de estrangulación para impulsar dicho empujador contra dicha válvula de inyección tras entrar en contacto dicho seguidor de estrangulación con dicho lóbulo sobre dicho anillo de levas para abrir momentáneamente dicha válvula de inyección a medida que dicho anillo de levas gira.

10. Un motor que comprende:

un condensador que incluye un montaje de placas espaciadas que proporcionan superficies refrigeradas por aire y un sumidero por debajo del montaje de placas espaciadas para recoger el condensado líquido;

una cámara de combustión;

al menos un cilindro;

un pistón cautivo de modo movible dentro de dicho cilindro y que incluye una cabeza de pistón estructurada y dispuesta para realizar un movimiento oscilante, hermético dentro de dicho cilindro;

un cigüeñal;

una leva de cigüeñal fija a dicho cigüeñal y rotable con el mismo;

una biela de conexión conectada de modo pivotante entre dicho pistón y dicha leva de cigüeñal;

una válvula de inyección accionable entre una posición cerrada y una posición abierta para liberar una carga presurizada de vapor en una porción superior de dicho cilindro;

un empujador acoplado de modo operativo con dicha válvula de inyección;

un balancín empujado por resorte acoplado de modo operativo con dicho empujador para abrir momentáneamente dicha válvula de inyección;

una línea de vapor para suministrar vapor a dicha válvula de inyección para su inyección en dicho cilindro tras la apertura momentánea de dicha válvula de inyección;

una bomba para bombear agua desde dicho sumidero y a través de dicha línea de vapor;

incluyendo dicha línea de vapor una sección derivada de tubos dispuestos en un paquete dentro de dicha cámara de combustión, y proporcionando dicho montaje de manojo de tubos un área superficial expuesta dentro de dicha cámara de combustión para transferir calor con el fin de cambiar la fase del agua dentro de dicha línea de vapor de líquido a vapor y calentar el vapor hasta una temperatura que produzca un vapor supercalentado para su suministro a dicha válvula de inyección;

un pasaje de transferencia de escape para suministrar vapor de escape de dicho al menos un cilindro a dicho condensador, en el que el vapor de escape cambia de fase a líquido previamente a su recogida en dicho sumidero; y

un intercambiador de calor para precalentar el aire de entrada previamente a su entrada en dicha cámara de combustión, utilizando dicho intercambiador de calor energía calorífica de los gases de escape liberados de dicha cámara de combustión.

11. Un motor que comprende:

un condensador que incluye un montaje de placas espaciadas que proporcionan superficies refrigeradas por aire y un sumidero por debajo del montaje de placas espaciadas para recoger el condensado líquido;

una cámara de combustión;

un montaje de generación de calor para quemar un suministro de combustible y producir una centrífuga de aire caliente y llamas dirigidas dentro de dicha cámara de combustión;

un montaje de accionamiento del motor principal que comprende:

al menos un cilindro;

un pistón cautivo de modo movible dentro de dicho cilindro y que incluye una cabeza de pistón estructurada y dispuesta para realizar un movimiento oscilante, hermético dentro de dicho cilindro;

un cigüeñal;

una leva de cigüeñal fija a dicho cigüeñal y rotable con el mismo;

una biela de conexión conectada de modo pivotante entre dicho pistón y dicha leva de cigüeñal;

una válvula de inyección accionable entre una posición cerrada y una posición abierta para liberar una carga presurizada de vapor en una porción superior de dicho cilindro;

un empujador acoplado de modo operativo con dicha válvula de inyección;

un balancín empujado por resorte acoplado de modo operativo con dicho empujador para abrir momentáneamente dicha válvula de inyección;

una línea de vapor para suministrar vapor a dicha válvula de inyección para su inyección en dicho cilindro tras la apertura momentánea de dicha válvula de inyección;

una bomba para bombear agua desde dicho sumidero y a través de dicha línea de vapor;

incluyendo dicha línea de vapor una sección dirigida a través de dicha cámara de combustión en la cual se calientan agua y vapor dentro de dicha sección de dicha línea de vapor por exposición al calor dentro de dicha cámara de combustión para producir vapor dentro de dicha línea de vapor para su suministro a dicha válvula de inyección y al interior de dicho cilindro tras la apertura de dicha válvula de inyección;

un primer intercambiador de calor para precalentar el aire de entrada previamente a su entrada en la cámara de combustión, utilizando dicho primer intercambiador de calor el calor de los gases de escape liberados de dicha cámara de combustión; y

un segundo intercambiador de calor para calentar el agua en dicha línea de vapor antes de entrar en dicha sección de dicha línea de vapor dentro de dicha cámara de combustión, y utilizando dicho segundo intercambiador de calor el calor del vapor de escape de dicho al menos un cilindro.

12. Un procedimiento para producir energía en un motor que tiene al menos un cilindro, un pistón cautivo de modo movible dentro de dicho cilindro y que incluye un pistón con una cabeza de pistón para el movimiento oscilante, hermético dentro de dicho cilindro, un cigüeñal, una leva de cigüeñal fija a dicho cigüeñal y rotable con el mismo, y una biela de conexión conectada de modo pivotante entre dicho pistón y dicha leva de cigüeñal;

comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

bombear líquido desde un depósito a través de una o más líneas que conducen a una válvula de inyección en dicho al menos un cilindro;

generar calor en una cámara de combustión quemando una mezcla de combustible y aire;

dirigir una sección de la una o más líneas a través de dicha cámara de combustión para exponer el líquido bombeado a través de la una o más líneas al calor de dicha cámara de combustión;

producir vapor dentro de dicha sección de la una o más líneas a partir del calor de dicha cámara de combustión;

inyectar el vapor en dicho cilindro y contra dicha cabeza de pistón para forzar dicho pistón a una carrera de combustión descendente, girando por lo tanto dicha leva de cigüeñal y dicho cigüeñal;

precalentar el aire de entrada previamente a su entrada en dicha cámara de combustión utilizando el calor de los gases de escape que salen de dicha cámara de combustión;

precalentar el líquido que viaja a través de la una o más líneas previamente a su entrada en dicha sección dentro de dicha cámara de combustión;

dirigir la corriente de escape desde dicho cilindro al interior de un condensador;

condensar el vapor de escape para producir líquido; y

dirigir el líquido al interior de dicho depósito.