Máquina térmica, procedimiento de control de la velocidad de rotación en una máquina térmica, y procedimiento de diseño de un perfil de leva para una máquina térmica.

Máquina térmica que comprende un cuerpo (2) provisto en su interior de una cavidad anular (3),

dos sectores discoidales coaxiales (7, 7') que comprenden sendos pistones tangenciales diametralmente opuestos (7a, 7c, 7'b, 7'd) que sobresalen radial y axialmente de su correspondiente sector y pueden deslizar por el interior de la cavidad anular, en la que cada par de pistones consecutivos define una cámara (Cab, Cbc Ccd, Cda), unos medios de control de la velocidad de rotación de los dos sectores que hacen que sus velocidades de rotación varíen cíclicamente y en contrafase entre una velocidad máxima y una velocidad mínima, de manera que la velocidad de cada sector se mantiene sustancialmente máxima durante la mayor parte del tiempo de un semiciclo, y se mantiene sustancialmente mínima durante la mayor parte del tiempo del otro semiciclo, y unos medios (8) de integración de las velocidades de los sectores en una velocidad media para el eje (9) de transmisión de potencia.

Máquina térmica, procedimiento de control de la velocidad de rotación en una máquina térmica, y procedimiento de diseño de un perfil de leva para una máquina térmica.

La invención se refiere a una máquina térmica, y en particular a un motor de combustión interna, que comprende un cuerpo provisto en su interior de una cavidad anular, dos sectores discoidales coaxiales que definen conjuntamente al menos cuatro cámaras en la cavidad anular, y un mecanismo de control de la velocidad de rotación de los dos sectores discoidales coaxiales que hace que sus velocidades de rotación varíen cíclicamente y en contrafase entre una velocidad alta (máxima) y una velocidad baja (mínima) , de manera que el volumen de las cámaras también varía.

La invención también se refiere a un procedimiento de control de la velocidad de rotación de dos sectores discoidales coaxiales que definen conjuntamente al menos cuatro cámaras en una cavidad anular de una máquina térmica, en el que dichas velocidades de rotación varían cíclicamente y en contrafase entre una velocidad alta y una velocidad baja.

La invención se refiere asimismo a un procedimiento de diseño de un perfil de leva para una máquina térmica del tipo anterior.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR

Un motor alternativo convencional está compuesto por un cuerpo de motor en el que se alojan los cilindros, normalmente cuatro, por los cuales deslizan unos pistones que, por medio de unas bielas, están unidos a un eje común llamado cigüeñal que transforma el movimiento lineal alternativo en movimiento circular.

Controlando unas válvulas los momentos de entrada y salida de aire o aire enriquecido con combustible, el movimiento de los pistones produce en los cilindros unos volúmenes variables que corresponden con las cuatro etapas conocidas de un motor de combustión interna: admisión, compresión, inyección/encendido/combustión/expansión y escape. De estas etapas, solo se produce par de giro durante la expansión que tiene lugar cada dos vueltas de eje en cada cilindro, haciendo girar el cigüeñal con una fuerza proporcional al consumo de combustible, descontando las pérdidas que se producen en la transformación de movimiento lineal a movimiento circular. Teóricamente, y suponiendo que la presión de los gases de la combustión dentro del cilindro es constante, estas serian del 40% aproximadamente. A éstas habría que añadir las pérdidas por la inercia de las masas en movimiento alternativo y las pérdidas por el rozamiento del pistón sobre las paredes del cilindro cuando más presión soportan.

Sin embargo, la presión de los gases dentro del cilindro en la fase de expansión no es constante, sino que presenta un elevado valor al principio debido a la mayor temperatura y al menor volumen en que se produce, mientras que al final la presión desciende porque el volumen es mayor y la temperatura es menor. Además, queda una presión residual que provoca un ruido en el tubo de escape cuya intensidad aumenta con el régimen de velocidad y carga a la que está sometido el motor. Efectivamente, a mayor velocidad, menor reducción de temperatura y una combustión que se termina de completar en el escape. Por otro lado, a mas carga, mayor cantidad de combustible con la proporción adecuada de aire y se produce mayor presión que a su vez sigue siendo alta en el inicio de escape.

Para mitigar estos problemas se han propuesto motores de combustión interna rotativos, en los que los 'pistones' se desplazan siguiendo un movimiento circular en el interior de un ‘cilindro’ toroidal, acercándose y alejándose para proporcionar la compresión y la expansión, respectivamente. El rendimiento de estos motores depende del control de la velocidad variable de los 'pistones', ya que esta velocidad determina la ejecución de las etapas del motor, y hasta ahora no se ha propuesto ningún mecanismo de control que mejore apreciablemente el rendimiento de los motores rotativos respecto a los alternativos y a la vez esté sustancialmente exento de problemas mecánicos, de ahí que ningún motor de este tipo se haya llevado a la práctica.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Es un objetivo de la presente invención aumentar significativamente el rendimiento de los motores de combustión interna conocidos, sin menoscabo de la fiabilidad mecánica. En este contexto, el concepto ‘motor de combustión interna’ puede extenderse al más general de máquina térmica que intercambia trabajo y energía, que incluye compresores o bombas.

De acuerdo con un aspecto de la invención, el mecanismo de control de la velocidad de rotación de los dos sectores discoidales coaxiales comprende unos medios para que la velocidad de cada sector discoidal coaxial se mantenga sustancialmente máxima durante al menos el 80% del tiempo de un semiciclo, preferiblemente el 90%, y se mantenga sustancialmente mínima durante al menos el 80% del tiempo del otro semiciclo, preferiblemente el 90%. Es decir, el volumen de las cámaras, que es variable y viene dado por el acercamiento y alejamiento relativos de los sectores discoidales coaxiales, tiene una variación lineal casi todo el tiempo, ya que la diferencia de velocidad de los sectores es constante casi todo el tiempo.

En la técnica anterior la velocidad sigue una curva pseudo-senoidal completa en cada ciclo, de manera que cada sector alcanza la velocidad alta o baja sólo en un punto y la diferencia de velocidades es máxima sólo en estos puntos (las velocidades están en contrafase, es decir, la velocidad de un sector aumenta cuando la del otro sector disminuye, y viceversa) , mientras que con la presente invención la diferencia de velocidades es máxima durante casi todo el tiempo, con lo cual la fuerza de la expansión se desplaza a esta diferencia máxima durante casi todo el tiempo y la potencia generada (igual a fuerza por velocidad) es asimismo máxima durante casi todo el tiempo.

El cambio de velocidad entre alta y baja, o viceversa, dura un 5 ó 10% del ciclo, aproximadamente (la mitad del 10 ó 20%, ya que hay dos cambios, entre máxima y mínima y entre mínima y máxima) , lo cual limita las aceleraciones producidas y, por tanto, los esfuerzos mecánicos.

Un motor de acuerdo con la invención se podría llamar ‘motor lógico’, porque la velocidad de los sectores adopta prácticamente sólo dos valores, alto y bajo, lo cual es análogo a los valores lógicos ‘verdadero’ y ‘falso’, ‘todo’ y ‘nada’ ó ‘1’ y ‘0’.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, las velocidades de rotación de los sectores discoidales coaxiales varían cíclicamente y en contrafase entre una velocidad máxima y una velocidad mínima, caracterizado por el hecho de que la velocidad de cada sector discoidal se mantiene sustancialmente máxima durante al menos el 80%, preferiblemente el 90%, del tiempo de un semiciclo, y se mantiene sustancialmente mínima durante al menos el 80%, preferiblemente el 90%, del tiempo del otro semiciclo.

Preferiblemente, el cociente entre la velocidad máxima y la velocidad mínima (que se puede denominar “k”) está entre 4 y 5, ya que si k es muy bajo el motor es poco eficiente, y si k es muy alto el esfuerzo, y por tanto el desgaste, mecánico es excesivo.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, la forma del perfil de leva se diseña a partir de un movimiento determinado de los sectores discoidales coaxiales construyendo el lugar geométrico de los puntos por los que pasan los rodillos, en una suerte de ingeniería inversa.

Otras características opcionales de la invención se definen en las reivindicaciones dependientes adjuntas.

Considerando que el ciclo térmico es igual a los conocidos de Otto y Diesel, el nuevo motor de la presente invención está diseñado para conseguir un mayor aprovechamiento de la presión de los gases producida por la expansión, mejorándose la eficiencia mecánica comparada con los motores de combustión interna actuales y consiguiéndose una reducción del consumo de combustible, así como una menor contaminación.

En concreto, el motor de la invención consigue transmitir aproximadamente el 92% de la potencia producida, frente a aproximadamente el 60% de la potencia producida en los sistemas convencionales.

Para conseguir este aprovechamiento, la presente invención está compuesta fundamentalmente por unas piezas rotativas responsables de la creación de los espacios para la generación de potencia, unos elementos que actúan de controladores de los movimientos de las piezas rotativas, y unos medios de integración de velocidades que transmiten el movimiento de dichas piezas rotativas al eje del motor....

1. Máquina térmica que comprende:

- un cuerpo (2) provisto en su interior de una cavidad anular (3) ;

- dos sectores discoidales coaxiales (7, 7’) que definen conjuntamente al menos cuatro cámaras (Cab, Cbc, Ccd, Cda) en la cavidad anular;

-un mecanismo de control de la velocidad de rotación de los dos sectores discoidales que hace que sus velocidades de rotación varíen cíclicamente y en contrafase entre una velocidad máxima y una velocidad mínima, de manera que el volumen de las cámaras también varía; caracterizada por el hecho de que: dicho mecanismo de control de velocidad comprende una estructura eslabonada (12) provista de cuatro eslabones (15) dispuestos en un paralelogramo deformable paralelo a los sectores discoidales (7, 7’) , estando dichos eslabones conectados entre sí por medio de unas uniones giratorias situadas (17) en sus extremos, y comprendiendo cada eslabón (15) un rodillo (18) situado junto a uno de sus extremos; comprendiendo también el mecanismo de control de velocidad al menos un perfil de leva (13) que se extiende en paralelo a los sectores discoidales (7, 7’) y a lo largo del cual pueden rodar los rodillos (18) de los eslabones (15) , de manera que la forma del perfil de leva (13) se diseña a partir de un determinado movimiento de los sectores discoidales (7, 7’) construyendo el lugar geométrico de los puntos por los que pasan los rodillos (18) , siendo dicho determinado movimiento tal que la velocidad de cada sector discoidal se mantiene sustancialmente máxima durante al menos el 90% del tiempo de un semiciclo, y se mantiene sustancialmente mínima durante al menos el 90% del tiempo del otro semiciclo.

2. Máquina térmica según la reivindicación 1, caracterizada por el hecho de que cada sector discoidal (7; 7’) comprende al menos dos pistones tangenciales (7a, 7c, 7’b, 7’d) diametralmente opuestos que sobresalen radial y axialmente de su correspondiente sector discoidal y pueden deslizar por el interior de la cavidad anular (3) , en la que cada par de pistones consecutivos, uno de un sector y el otro del otro sector, define una de las mencionadas cámaras (Cab; Cbc; Ccd; Cda) , siendo dichos pistones tangenciales sustancialmente huecos.

3. Máquina térmica según la reivindicación 2, caracterizada por el hecho de que los pistones tangenciales (7a, 7c, 7’b, 7’d) comprenden unos retenes radiales (22, 23) que son unas láminas sustancialmente planas configuradas para curvarse elásticamente durante su instalación.

4. Máquina térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que el mecanismo de control de velocidad comprende dos de dichos paralelogramos deformables de cuatro eslabones (15) , separados axialmente y con cada eslabón provisto de su rodillo (18) , y dos perfiles de leva (13) que se extienden en paralelo a los sectores discoidales (7, 7’) , de manera que los rodillos de un paralelogramo deformable pueden rodar a lo largo de uno de los perfiles de leva y los rodillos del otro paralelogramo deformable pueden rodar a lo largo del otro perfil de leva.

5. Máquina térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que al menos un perfil de leva (13) sigue sustancialmente una pseudo-epicicloide de dos lóbulos.

6. Máquina térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que la estructura eslabonada (12) está conectada a los dos sectores discoidales (7, 7’) por medio de unas barras (14) perpendiculares a los mismos, de manera que un primer par de barras pasa a través de sendos orificios (19) del primer sector discoidal

(7) diametralmente opuestos y de sendas ranuras tangenciales (20’) del segundo sector discoidal (7’) diametralmente opuestas, y un segundo par de barras (14) pasa a través de sendas ranuras tangenciales (20) del primer sector discoidal (7) diametralmente opuestas y de sendos orificios (19’) del segundo sector discoidal (7’) diametralmente opuestos.

7. Máquina térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que los eslabones (15) están conectados a las barras (14) por medio de unas uniones (16) situadas sustancialmente en el punto medio de cada eslabón.

8. Máquina térmica según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por el hecho de que comprende un eje de transmisión (9) que está dispuesto concéntricamente en la cavidad anular (3) y sirve de apoyo a los sectores discoidales (7, 7’) a través de unos rodamientos, y cuatro piñones cónicos (10) que están repartidos uniformemente alrededor del eje de transmisión y engranados a unas coronas (11) provistas en los sectores discoidales.

9. Procedimiento de control de la velocidad de rotación de dos sectores discoidales coaxiales (7, 7’) que definen conjuntamente al menos cuatro cámaras (Cab, Cbc, Ccd, Cda) en una cavidad anular (3) de una máquina térmica, en el que dichas velocidades de rotación varían cíclicamente y en contrafase entre una velocidad máxima y una velocidad mínima, caracterizado por el hecho de que la velocidad de cada sector discoidal se mantiene sustancialmente máxima

durante al menos el 90% del tiempo de un semiciclo, y se mantiene sustancialmente mínima durante al menos el 90% del tiempo del otro semiciclo.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado por el hecho de que el cociente entre la velocidad máxima y la velocidad mínima está entre 4 y 5.