Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna de 4 tiempos con válvula común y flujo controlado por diafragmas.

La presente invención describe un nuevo sistema para la renovación de la carga en los motores térmicos de combustión interna alternativos de 4 tiempos mediante el uso de válvulas comunes para la renovación de la carga.

Para que el motor pueda trabajar en estas condiciones es necesario regular el flujo fuera del cilindro. La solución adoptada en esta invención son unas válvulas de diafragma cuya actuación puede ser neumática, hidráulica, mecánica, eléctrica o electrónica. Se sitúa una de ellas en el ramal de admisión y otra en el de escape justo antes de comunicarlos entre sí en un conducto o volumen común. Este volumen estará conectado con el cilindro y por el circularán tanto la mezcla fresca (o aire solo) como los gases de escape.

SISTEMA DE RENOVACiÓN DE LA CARGA EN MOTORES DE COMBUSTiÓN INTERNA DE 4 TIEMPOS CON VÁLVULA COMÚN Y FLUJO CONTROLADO POR DIAFRAGMAS

Sector de la técnica La invención se enmarca en el sector tecnológico de los motores de combustión interna alternativos. En concreto, se encuadra en modificaciones técnicas que mejoran el proceso de renovación de la carga (admisión de aire) en los motores de cuatro tiempos.

Estado de la técnica

El comportamiento de los Motores de Combustión Interna Alternativos (MClA) está en gran medida determinado por su capacidad renovación de la carga. Esto es, la capacidad del motor para evacuar los gases de escape (productos residuales de la combustión) y sustituirlos por aire o mezcla aire-combustible fresca y en condiciones adecuadas para ser combustionada y continuar el ciclo.

El proceso de renovación de la carga (respiración) tiene una relación directa con las prestaciones del motor. A mayor flujo másico de aire fresco admitido, mayor cantidad de combustible es susceptible de ser quemada, y por tanto, mayor par o potencia efectiva generada. Para medir la eficiencia de este proceso, suele emplearse un parámetro conocido como rendimiento volumétrico. Éste relaciona el grado de llenado logrado con gas útil, respecto al máximo posible teórico.

Por las razones mencionadas, gran parte del desarrollo y optimización de los MClA desde su aparición se ha centrado en la mejora del rendimiento volumétrico. Éste depende de gran cantidad de variables, pero al estar relacionado con el flujo de gas a través de los conductos del motor, las más importantes son las pérdidas de carga en el circuito y el tiempo disponible para realizar la renovación. Bajo esta perspectiva, de todos los elementos que atraviesa el flujo fresco (filtro de aire, colectores, conductos...) la mayor restricción se encuentra en las válvulas de entrada al cilindro. El clásico sistema de admisión por válvulas de asiento ofrece una superficie de paso muy pequeña, lo que acelera el flujo, en muchas ocasiones hasta alcanzar situaciones de choque (bloqueo sónico) , reduciendo la capacidad del llenado. Este fenómeno es más acusado cuanto mayor es el régimen de giro del motor, ya que la velocidad del flujo se incrementa (y con ello las pérdidas dinámicas de rozamiento) y el tiempo disponible para admitir y expulsar gases es menor.

Simplificando el caso de estudio, el problema fundamentalmente radica en que el área de paso de las válvulas se ve limitado por el tamaño del cilindro y los elementos que en el deben ser alojados (bujías, inyectores ...) . Por ello, las soluciones aportadas hasta la fecha para mejorar el rendimiento volumétrico resultan bastante complejas mecánicamente. Las de mayor aplicación en la actualidad son los sistemas de distribución variable, dónde se modifica el alzado de válvula (valve lift) o el momento y duración de apertura de la misma (valve timing) según el régimen de giro del motor.

Por lo tanto, es conveniente para el aumento de prestaciones del motor, desarrollar mecanismos o soluciones concretas encaminados a incrementar la capacidad de renovación de carga del motor. En esta patente se proponen 2 ideas novedosas que combinadas pueden resultar viables y rentables. En la actualidad no existe ningún motor comercial con soluciones semejantes.

El empleo de una válvula común para admisión y escape ya ha sido abordado en patentes anteriores, pero sin éxito [Monovalve cylinder head construction. (1938) . Walker M. Plate. US21056991, [Combustion chamber in a monovalve diesel engine with air cooling. (1959) . Slobodan M. Dobrosavlyevitch. US2894495]. En parte por la complejidad del sistema y falta de regulación de flujo sobre la solución real adoptada. El mecanismo de control propuesto, con válvulas de diafragma, nunca ha sido empleado como se sugiere. Ni comercialmente ni en ninguna otra invención. Es cierto que han existido tentativas para sustituir las válvulas de asiento del cilindro por válvulas de diafragma [Shutter valve system for internal combustion engines. (2001) . Kyle P. Daniels. US61995311, pero no para incluirlas en puntos intermedios del recorrido de admisión/escape regulando el flujo hacia las válvulas de asiento clásicas.

Descripción detallada de la invención La presente invención propone un sistema especial de renovación de la carga en motores térmicos de 4 tiempos. Se sugiere un sistema de válvulas comunes para admisión y escape en el cual el flujo está gobernado mediante válvulas de diafragma cuya apertura y cierre se puede regular de muy diversas maneras, entre otras, mecánica, neumática o electrónicamente. El objetivo perseguido es lograr una mejora del flujo de gas fresco hacia el cilindro (alto rendimiento volumétrico) de un modo sencillo, económico y con mayor capacidad de regulación que los sistemas de distribución variable existentes hasta la fecha. Se combinan para ello ideas y elementos mecánicos ya conocidos, pero cuyo funcionamiento en conjunto representa una gran novedad.

Conviene aclarar que la invención presentada es válida para cualquier motor de combustión interna alternativo de 4 tiempos. Esto significa que vale tanto para motores atmosféricos como sobrealimentados, de encendido por compresión (diésel)

o de encendido provocado (gasolina) , inyección directa o indirecta. Su funcionamiento es independiente de cualquiera de estas variables, ya que el proceso de renovación de la carga es semejante en todos ellos. No obstante, la principal ventaja de esta propuesta respecto a otras ya existentes (sistemas de distribución variable) es, como ya se ha explicado, su sencillez de construcción y su facilidad de regulación. Por ello, se supone que el mayor campo de aplicación serían motores de altas prestaciones y exigencias, como motores de automoción y competición o motores térmicos que trabajen en régimen estacionario acoplados a generadores eléctricos.

El rendimiento volumétrico de un motor (r¡v) se define como el ratio entre el flujo másico de aire que circula por el mismo respecto al máximo teórico que podría hacerlo (eq. 1) . Es decir, mide la efectividad de la admisión y escape de un motor de 4 tiempos. Lo que vulgarmente se conoce como su capacidad de respiración.

rha

llv =---- eq. 1

Pa . VT • ni rha Flujo másico de aire [kg/s] Pa Densidad de aire de referencia [kg/m3] VT Volumen útil del motor. Cilindrada [m3] ni Ciclos de trabajo útiles [rev/s]

Debido a que la máxima cantidad de combustible que un motor puede combustionar se ve limitada por la masa de aire disponible para hacerlo, la importancia de este parámetro es vital. Cuanto mayor sea el flujo másico de aire (mayor rendimiento volumétrico) , mayores las prestaciones obtenidas del motor (potencia y par) .

Bajo condiciones de trabajo en las que se demande la máxima potencia, un motor de encendido provocado (MEP) trabajará con la mariposa de admisión totalmente abierta, de modo que la mayor restricción que se encontrará el flujo de aire en su recorrido hacia el interior del cilindro será la (s) válvula (s) de admisión. Estas válvulas en los motores de combustión interna alternativos son siempre del mismo tipo,

conocido como válvulas de asiento. Debido a su geometría y tipo de accionamiento, el área de paso útil que dejan estos elementos es muy reducida y está delimitada por el diámetro de la cabeza de válvula y la alzada de la misma.

A medida que la velocidad de giro del motor se incrementa para generar más potencia, el problema del rendimiento volumétrico se acrecienta. Los gases circulan cada vez 30 más rápido (más pérdidas por fricción del fluido) pero menos tiempo hay disponible para permitir el intercambio. En el límite de funcionamiento del motor, a medida que aumentan las revoluciones, desciende la potencia generada, ya que no es posible introducir la masa de aire suficiente para una combustión adecuada y las pérdidas mecánicas han aumentado. Para que esta situación se produzca con el régimen más elevado posible, se aumenta en la medida de lo posible el tamaño de las válvulas, su número o su longitud de apertura (alzada) , buscando el máximo área de paso para el gas. Sin embargo, estos parámetros se ven limitados directamente por la geometría y dimensiones del cilindro. Las válvulas de admisión y escape son diferentes e independientes, y sus dimensiones se ven limitadas por el calibre del cilindro y los elementos adyacentes (bujías, inyectores ...) . Por otro lado, el alzado está limitado por la posibilidad de colisión de las válvulas con el pistón y también por un adecuado funcionamiento del motor a bajas revoluciones que requiere aperturas de válvula pequeñas.

Como medida para paliar...

1. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos de 4 tiempos caracterizado por comprender:

a. Una o varias válvulas comunes (típicamente de aSiento) que sirven a la vez para la admisión de aire (o mezcla de aire/combustible) hacia el interior del

cilindro y también para evacuar los gases de escape procedentes de la combustión.

b. Un conducto de admisión y otro de escape independientes en su parte inicial que los comunica con la atmósfera, pero ambos unidos en un volumen común muy pequeño que se encuentra después de las válvulas de diafragma si se sigue el sentido del flujo hacia el interior del cilindro.

c. Una o varias válvulas de diafragma en el conducto de admisión.

2. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos de 4 tiempos, según reivindicación 1, caracterizado porque el que el flujo hacia el

interior del cilindro está controlado por la apertura y cierre de la válvula común de tipo asiento mientras las válvulas de diafragma ejercen control sobre el flujo que entra o sale en el volumen común.

3. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos de 4 tiempos, según reivindicaciones 1-2, caracterizado porque las válvulas de diafragma tanto en el conducto de admisión como de escape actúan de modo neumático, hidráulico, mecánico, eléctrico o electrónico.

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Figura 1.

Figura 2.