Motor de émbolo alternativo turbocargado, con un tanque a presión conectado para superar el retraso del turbo, y un método para el funcionamiento de dicho motor.

Motor de émbolo alternativo con

a. al menos, una cámara de combustión con

b.

un émbolo dispuesto en su interior de manera que se pueda mover, que presenta una conexión operativamecánica con un cigüeñal (25), y en donde

c. la, al menos una, cámara de combustión presenta, al menos, una válvula de admisión (10) y, al menos, unaválvula de escape (13), las cuales

d. presentan una conexión operativa mecánica con el cigüeñal mediante, al menos, un árbol de levas, de maneraque las válvulas de admisión y de escape (10, 13) se abren y se cierran en cada caso una vez cada dos ciclos deelevación del émbolo, así como

e. al menos, un dispositivo (4) de comportamiento fluido dinámico que se utiliza para incrementar una presión en unvolumen de admisión (9) antes de la cámara de combustión, el cual presenta una conexión operativa con la cámarade combustión a través de, al menos, una válvula de admisión (10), así como

f. a través de un dispositivo para la inyección de combustible dosificado, así como

g. al menos, una válvula de mariposa (8) que se utiliza para influir sobre la presión en el volumen de admisión (9), endonde

h. la, al menos una, cámara de combustión presenta una válvula de carga (11) que conecta de manera operativa lacámara de combustión directamente con un tanque de aire comprimido (14), caracterizado porque

i. la válvula de carga (11) presenta una conexión operativa con el cigüeñal mediante un árbol de levas, en donde

j. existe un mecanismo de activación que se utiliza para la interrupción de la conexión operativa mecánica entre laválvula de carga y el cigüeñal, de manera que la válvula de carga (11) permanezca cerrada durante una pluralidadde ciclos de elevación, y en donde

k. la conexión operativa de la válvula de carga (11) con el cigüeñal (25) se conforma de manera que la válvula decarga (11) se abra durante dos ciclos de elevación del émbolo correspondiente, cuando la válvula de admisión (10)se encuentra en el proceso de cierre, o cuando ya se encuentra cerrada y se cierra nuevamente antes de que elémbolo correspondiente haya completado el movimiento que reduce el volumen del cilindro.

Motor de émbolo alternativo turbocargado, con un tanque a presión conectado para superar el retraso del turbo, y un método para el funcionamiento de dicho motor

Área de la presente invención La presente invención hace referencia a un motor de combustión interna cargado mejorado, que opera en base a cuatro tiempos y que presenta un tanque a presión con el fin de superar el retraso del turbo.

Fundamento de la presente invención Los motores de émbolo alternativo fueron inventados hace más de cien años, y desde entonces han sido perfeccionados continuamente, sin embargo, su máximo rendimiento termodinámico es limitado. En los comienzos de esta tecnología, cuando un motor de émbolo alternativo se accionaba en su rendimiento máximo, se quemaba sólo aproximadamente la mitad de combustible en comparación con los motores de hoy en día. En el momento actual, el motivo principal de un aprovechamiento insuficiente de los motores de émbolo alternativo consiste en que el motor generalmente sólo se acciona con una carga parcial (circulación urbana, velocidad constante, etc.) , en estos casos los rendimientos no resultan óptimos. Dado que los conductores exigen un rendimiento máximo elevado, una fracción elevada consiste en el funcionamiento con carga parcial y, de esta manera, el consumo de combustible resulta relativamente elevado.

El concepto de solución más simple y económico para dicho problema, consiste en la utilización de motores de émbolo alternativo con una cilindrada menor, dado que dichos motores presentan un rendimiento elevado en la mayoría de las situaciones de conducción. Para considerar el deseo del conductor de obtener un rendimiento máximo, dicho motor de émbolo alternativo de tamaño reducido puede ser cargado con la ayuda de un turbocompresor que aprovecha la entalpía del gas de escape. De esta manera, el rendimiento de un motor de émbolo alternativo se puede lograr con una cilindrada equivalente al doble en comparación con la habitual, sin la necesidad de sacrificar el rendimiento alcanzado en el margen de carga descrito.

Dicho concepto resulta simple y económico, y también ya es utilizado en parte por empresas de automóviles. Sin embargo, en el caso de dicho concepto (especialmente cuando se utiliza en motores de gasolina, en el caso de los motores diesel es estándar) existe un motivo por el cual dicho concepto se utiliza escasas veces: el denominado "retraso del turbo": Ante las aceleraciones requeridas por el conductor, en presencia de un número reducido de revoluciones del motor de émbolo alternativo cargado, falta aire en el sistema cargado, hecho que conduce a un comportamiento de respuesta no óptimo.

Dicho problema se puede solucionar mediante la conexión de un tanque de aire comprimido en el cilindro (= cámaras de combustión) : Cuando el conductor exige un momento de torsión elevado, se puede introducir aire adicional directamente (!) en las cámaras de combustión mediante la apertura de la válvula de carga, además del aire que ha sido introducido previamente mediante las válvulas de admisión. Dicho aire adicional permite la inyección de una mayor cantidad de combustible para el ciclo correspondiente (los cuatro tiempos del motor de émbolo alternativo: aspiración de gas fresco, compresión, combustión / expansión, expulsión de los gases quemados) . De esta manera, no sólo se obtiene momentáneamente un momento de torsión elevado para la combustión, sino que también se genera un flujo de entalpía de gas de escape que acciona la turbina y, de esta manera, también el compresor del turbocompresor. De esta manera, el compresor comprime una mayor cantidad de aire a un nivel de presión mayor. La presión incrementada del lado de admisión del motor de émbolo alternativo, conduce a que durante el proceso de admisión ingrese una mayor cantidad de aire al motor de émbolo alternativo, con lo cual se rompe el "círculo vicioso del aire faltante” (el motor produce en primer lugar un momento de torsión reducido; por lo tanto, produce una entalpía de gas de escape reducida; por consiguiente, no se acciona el turbocompresor de una manera suficiente; el compresor del turbocompresor requiere de una cantidad reducida de aire fresco; de esta manera sólo llega una cantidad de aire limitada a las cámaras de combustión; por lo tanto, sólo se puede inyectar una cantidad de combustible limitada y, a continuación, sólo se puede generar un momento de torsión reducido, etc.) . De esta manera, el aire introducido adicionalmente desde el tanque de aire comprimido, sólo se requiere por un periodo de tiempo reducido. En cuanto el turbocompresor alcanza un número de revoluciones elevado, dicho turbocompresor suministra aire suficiente para la producción del momento de torsión máximo.

La conexión de un tanque a presión con las cámaras de combustión de un motor de émbolo alternativo (a continuación denominada “hibridación neumática”) se utiliza en una pluralidad de patentes y en publicaciones científicas con el fin de poder recuperar energía que se encuentra a disposición durante el frenado y que en los frenos de los vehículos a motor convencionales se disipa, mediante el bombeo y el almacenamiento de aire en el tanque de aire comprimido (sin la introducción de combustible) . Dicho aire comprimido se puede utilizar en otro momento, en cual el motor de émbolo alternativo se acciona exclusivamente mediante aire (sin la introducción de combustible) . De esta manera, también se permite una puesta en marcha neumática. Sin embargo, dichas ventajas

son secundarias, como lo han demostrado numerosas investigaciones (lista de publicaciones en www.hpe.ethz.ch) . El concepto descrito en el párrafo anterior es responsable de un ahorro de combustible de alrededor del 25%, mientras que las ventajas descritas en el presente párrafo, incrementan el ahorro sólo alrededor del 32% en total. Por consiguiente, la presente invención se concentra en la hibridación neumática para la superación del retraso del turbo.

Se presenta un resumen de las patentes relevantes existentes en relación con el estado del arte en el área de la hibridación neumática, ordenadas cronológicamente desde las más antiguas a las más nuevas:

La patente US1013528 es la primera patente de un motor híbrido neumático. En este caso, un motor de émbolo alternativo se utiliza adicionalmente como un motor de expansión de aire comprimido. También se describe la puesta en marcha del motor neumático. El tanque de aire comprimido se carga cuando dos cilindros queman y dos cilindros bombean, y no está prevista una carga del tanque mediante la utilización de la energía que se libera durante el frenado.

La patente US3765180 describe también un motor de émbolo alternativo que se puede accionar tanto como un motor de combustión interna así como un motor neumático. Para generar aire comprimido, se utiliza un compresor eléctrico externo.

La patente US3963379 se basa parcialmente en la patente US 1013528, sin embargo, en este caso se puede utilizar la energía de frenado para generar aire comprimido (bombeo en un ciclo de dos tiempos) . La patente proporciona perfiles del árbol de levas axialmente ajustables, para todas las válvulas de admisión, de escape y de carga, que permiten el funcionamiento como un motor de combustión interna, una bomba y un motor neumático. La válvula de carga se acciona siempre mediante uno de tres perfiles de leva: una leva cero que mantiene cerrada la válvula, una leva doble para el ciclo de bombeo de dos tiempos, y una leva simple para la puesta en marcha del motor, que abre la válvula de carga cuando en el ciclo de combustión se ha desarrollado la fase de expansión o bien, de combustión. Además, el motor de émbolo alternativo descrito funciona en ambos sentidos de rotación.

La US5529549 es la primera patente para un motor híbrido neumático en el que se prevé la utilización de una unidad de control del motor, para el accionamiento de las válvulas en base a señales de sensores. La patente describe además (como primera patente) un modo “supercargado” que se puede aplicar en dicho motor (no cargado) . Además, aire del tanque a presión se utiliza exclusivamente para el abastecimiento del motor, no se utiliza aire del ambiente (circuito de admisión normal) , el combustible se inyecta directamente en la cámara de combustión. De esta manera, puede llegar una mayor cantidad de aire al cilindro y se puede inyectar una mayor cantidad de combustible, en comparación con un motor de combustión interna convencional. Dicha construcción prevé válvulas controlables que conectan el conducto de admisión ya sea con el aire comprimido, con el circuito de admisión (del ambiente) o no conectan con ninguno, de manera... [Seguir leyendo]

1. Motor de émbolo alternativo con

a. al menos, una cámara de combustión con

b. un émbolo dispuesto en su interior de manera que se pueda mover, que presenta una conexión operativa mecánica con un cigüeñal (25) , y en donde

c. la, al menos una, cámara de combustión presenta, al menos, una válvula de admisión (10) y, al menos, una válvula de escape (13) , las cuales

d. presentan una conexión operativa mecánica con el cigüeñal mediante, al menos, un árbol de levas, de manera que las válvulas de admisión y de escape (10, 13) se abren y se cierran en cada caso una vez cada dos ciclos de elevación del émbolo, así como

e. al menos, un dispositivo (4) de comportamiento fluido dinámico que se utiliza para incrementar una presión en un volumen de admisión (9) antes de la cámara de combustión, el cual presenta una conexión operativa con la cámara de combustión a través de, al menos, una válvula de admisión (10) , así como

f. a través de un dispositivo para la inyección de combustible dosificado, así como

g. al menos, una válvula de mariposa (8) que se utiliza para influir sobre la presión en el volumen de admisión (9) , en donde

h. la, al menos una, cámara de combustión presenta una válvula de carga (11) que conecta de manera operativa la cámara de combustión directamente con un tanque de aire comprimido (14) , caracterizado porque

i. la válvula de carga (11) presenta una conexión operativa con el cigüeñal mediante un árbol de levas, en donde

j. existe un mecanismo de activación que se utiliza para la interrupción de la conexión operativa mecánica entre la válvula de carga y el cigüeñal, de manera que la válvula de carga (11) permanezca cerrada durante una pluralidad de ciclos de elevación, y en donde

k. la conexión operativa de la válvula de carga (11) con el cigüeñal (25) se conforma de manera que la válvula de carga (11) se abra durante dos ciclos de elevación del émbolo correspondiente, cuando la válvula de admisión (10) se encuentra en el proceso de cierre, o cuando ya se encuentra cerrada y se cierra nuevamente antes de que el émbolo correspondiente haya completado el movimiento que reduce el volumen del cilindro.

2. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque se proporciona un compresor (24) para el llenado del tanque de aire comprimido (14) , que presenta una conexión operativa con el cigüeñal (25) mediante una acoplamiento (22) .

3. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el dispositivo (4) de comportamiento fluido dinámico es un turbocompresor que se acciona mediante la entalpía del gas de escape del motor de émbolo alternativo.

4. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una unidad generadora de chispa de encendido (12) presenta una conexión operativa con la cámara de combustión, y el motor de émbolo alternativo presenta una unidad de control del motor (17) que controla a partir de un grupo de variables conformado por las siguientes variables de entrada:

a. momento de torsión requerido,

b. presión en el tanque de aire comprimido (14) ,

c. presión en un volumen (5) que se encuentra antes de la válvula de mariposa (8) ,

d. tiempos de apertura de las válvulas de admisión y de escape (10, 13) ,

e. o a partir de las variables derivadas de las anteriormente mencionadas se calcula:

f. cuánto se debe abrir la válvula de mariposa (8) ,

g. si se deben activar las válvulas de carga, o

h. cuánto combustible se requiere,

de manera que se obtenga la cantidad correspondiente de una mezcla de combustible y aire estequiométrica o aproximadamente estequiométrica, que en la combustión produce el momento de torsión requerido, y que acciona en correspondencia la válvula de mariposa (8) , la respectiva conexión mecánica que se puede desactivar de la válvula de carga con el cigüeñal, y el dispositivo para la inyección dosificada de combustible.

5. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el combustible se inyecta cuando se aproxima el punto muerto superior, y el motor de émbolo alternativo presenta una unidad de control del motor (17) que controla a partir de un grupo de variables conformado por las siguientes variables de entrada:

a. momento de torsión requerido,

b. presión en el tanque de aire comprimido (14) ,

c. presión en un volumen (5) que se encuentra antes de la válvula de mariposa (8) ,

d. tiempos de apertura de las válvulas de admisión y de escape (10, 13) ,

e. o a partir de las variables derivadas de las anteriormente mencionadas se calcula:

f. cuánto se debe abrir la válvula de mariposa (8) ,

g. si se deben activar las válvulas de carga, o

h. cuánto combustible se requiere,

de manera que se obtenga la cantidad correspondiente de una mezcla de combustible y aire con un valor lambda mayor a 1.1, que en la combustión produce el momento de torsión requerido, y que acciona en correspondencia la válvula de mariposa (8) , la respectiva conexión mecánica que se puede desactivar de la válvula de carga con el cigüeñal, y el dispositivo para la inyección dosificada de combustible hacia el cilindro.

6. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, que presenta además una válvula de derivación (6) preferentemente que se pueda controlar electrónicamente, en el dispositivo de comportamiento fluido dinámico, de manera que ante una presión demasiado elevada en el volumen (5) antes del volumen de admisión (9) , pueda retornar aire comprimido antes del dispositivo de comportamiento fluido dinámico (3) mencionado.

7. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el perfil de elevación de la válvula de carga (11) se puede variar mediante un desfasaje del árbol de levas, de manera que según el ajuste de la variación, la válvula de carga se abra ya sea cuando se aproxima el punto muerto inferior del respectivo cilindro, de manera que la presión del aire en el respectivo cilindro durante el tiempo de apertura de la válvula de carga, sea menor que en el tanque de aire comprimido, o que cuando se aproxima el punto muerto superior del respectivo cilindro, se encuentre en el proceso de cierre de manera que la presión del aire en el respectivo cilindro durante el tiempo de apertura de la válvula de carga, sea mayor que en el tanque de aire comprimido.

8. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el perfil de elevación de la válvula de carga (11) se puede variar en relación con la duración y la elevación máxima, de manera que se pueda ajustar la cantidad de aire transferida entre el cilindro y el tanque.

9. Motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la cámara de combustión presenta una válvula de carga (11) y, al menos, dos válvulas de admisión (10) , y porque la válvula de carga se posiciona entre las válvulas de admisión (10) de manera que se reduzca la influencia térmica de los gases que circulan a través de las válvulas de escape (13) , sobre el aire que se encuentra antes de las válvulas de carga (11) .

10. Método para el funcionamiento de un motor de émbolo alternativo de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, el cual en una cámara de combustión del motor de émbolo alternativo pasa por los siguientes ciclos:

a. aspiración de aire fresco o de una mezcla de aire y combustible, durante un primer movimiento del émbolo que incrementa el volumen del cilindro,

b. compresión de los gases que se encuentran en el cilindro durante un primer movimiento del émbolo que reduce el volumen del cilindro,

c. encendido de la mezcla de aire y combustible cuando se aproxima el punto muerto superior, después de dicho primer movimiento del émbolo que reduce el volumen del cilindro,

d. fase de expansión y de trabajo de la cámara de combustión, en la que se queman los gases que se encuentran en su interior durante un segundo movimiento del émbolo que incrementa el volumen del cilindro,

e. expulsión de los gases quemados en un segundo movimiento del émbolo que reduce el volumen del cilindro;

caracterizado porque,

f. mediante la activación del mecanismo de activación, se establece la conexión operativa mecánica entre la válvula de carga (11) y el cigüeñal, de manera que

g. cuando se aproxima el comienzo del primer movimiento del émbolo que reduce el volumen del cilindro, la válvula de carga (11) se abre y se inyecta aire comprimido adicional directamente desde el tanque de aire comprimido (14) hacia la cámara de combustión, en donde

h. la válvula de mariposa (8) y el dispositivo para la inyección dosificada de combustible, se accionan previamente mediante la unidad de control del motor de manera que se obtenga una mezcla de combustión aproximadamente estequiométrica, antes de que se encienda la mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión cuando se aproxima el punto muerto superior del émbolo.

11. Método de acuerdo con la reivindicación 10, en donde cuando se aproxima el punto muerto superior (c) después del primer movimiento del émbolo (b) que reduce el volumen del cilindro, se logra el encendido de la mezcla de aire y combustible mediante un encendido espontáneo durante la inyección del combustible, y el aire y el combustible se proporcionan de manera que se obtenga una relación pobre de aire y combustible con un valor lambda > 1.1.

12. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado porque durante un primer movimiento del émbolo que incrementa el volumen del cilindro, sólo se aspira aire fresco sin combustible hacia el cilindro, y la válvula de carga (11) se abre cuando se aproxima la finalización de un movimiento del émbolo consecutivo que incrementa el volumen del cilindro, cuando la presión en el cilindro durante la mayor parte del tiempo de apertura de la válvula de carga, es mayor que la presión en el tanque de aire comprimido, de manera que el tanque de aire comprimido se cargue con aire.

13. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque el acoplamiento (22) establece una conexión entre el compresor (24) y el cigüeñal (25) , cuando el combustible se quema en la cámara de combustión.

14. Método de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque el acoplamiento (22) establece una conexión entre el compresor (24) y el cigüeñal (25) cuando no se quema combustible en los cilindros, y el compresor (24) genera un momento de torsión sobre el cigüeñal (25) que es contrario al movimiento del cigüeñal (25) , con lo cual se frena el cigüeñal (25) .