Motor de combustión interna.

Motor de combustión interna, provisto con un cigüeñal (4) y uno o varios cilindros (1) provistos en su pared con lumbreras de escape (2) y cerrados en la parte superior por una culata (3) provista con lumbreras de admisión (14);

yendo cada cilindro (1) un pistón motor (6) unido al cigüeñal (4) y un pistón auxiliar (7) coaxial y opuesto al pistón motor (6), delimitando una cámara de admisión (8) y una cámara de combustión (9); determinando dicho pistón auxiliar (7) axialmente por el lado de la cámara de combustión (9) un alojamiento (10) que comunica con la cámara de admisión (8) a través de lumbreras de transfer (11), en cuyo alojamiento (10) va incluido un pistón secundario (12) que abre y cierra las lumbreras de transfer (11) en un movimiento de vaivén entre una posición retrasada y una posición avanzada.

MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con un motor de combustión interna, de encendido espontáneo o inducido, con ciclo de dos tiempos y provisto de una bomba volumétrica para asistir al vaciado y llenado del cilindro; en donde la bomba volumétrica se constituye por un pistón auxiliar de movimiento alternativo colocado en oposición al pistón motor, compartiendo el mismo cilindro.

Estado de la técnica

Los motores convencionales de dos tiempos, de encendido provocado, están provistos de un cárter-bomba para efectuar las operaciones de barrido/expulsión de los gases residuales de combustión y admisión/transfer de la mezcla fresca aire-combustible. Este sistema presenta el inconveniente de provocar una mezcla parcial entre dichos gases residuales y la mezcla fresca aire-combustible, produciéndose como consecuencia una fuga de una fracción de dicha mezcla fresca aire-combustible hacia el escape, lo cual es una causa muy determinante de bajo rendimiento, elevado consumo y emisiones contaminantes, de este tipo de motores.

Las patentes US 779116, US 1616064, US 4206727 y WO 2009/135274 A3, describen sistemas de este tipo, constituidos esencialmente por:

Un conjunto pistón motor/biela/cigüeñal, que aprovecha de forma convencional la energía mecánica que se produce durante la combustión y expansión de la mezcla fresca aire-combustible.

Un cilindro, en el cual se desplaza el pistón motor, estando provisto este cilindro con una lumbrera de escape lateral, cuya apertura se produce cuando el pistón motor la deja al descubierto en el final de su carrera de expansión.

Una culata que cierra el cilindro en su parte superior, la cual está provista de unas lumbreras de admisión con válvulas anti-retorno.

Un pistón auxiliar colocado en el mismo cilindro, entre la culata y el pistón motor y en oposición a éste, estando provisto este pistón auxiliar de unas lumbreras de transfer con respectivas válvulas anti-retorno.

Esta construcción delimita:

- Una cámara de combustión, entre la cara inferior del pistón auxiliar, la cara superior del pistón motor y el cilindro.

- Una cámara de admisión, entre la cara interior de la culata, la cara superior del pistón auxiliar y el cilindro.

El pistón auxiliar es actuado por el lado de la culata de forma sincronizada con el pistón motor, quedando inmóvil en su posición más alta contra la culata durante la parte esencial de la carrera de expansión del pistón motor y realizando una carrera completa de vaivén durante el resto de cada ciclo funcional del motor, mientras que el pistón motor descubre la lumbrera de escape en el final de la carrera de expansión, hasta que realiza la carrera de compresión. Para realizar un ciclo funcional completo, el cigüeñal efectúa una vuelta completa (360°).

Durante su carrera descendente, al aproximarse al pistón motor, el pistón auxiliar realiza, simultáneamente, un barrido de los gases residuales desde la cámara de combustión hacia el escape, y la admisión de la mezcla fresca aire-combustible en la cámara de admisión, impidiendo que se produzca una mezcla entre ambos.

Durante la carrera ascendente del pistón auxiliar, con la lumbrera de escape ya cerrada, la mezcla aire-combustible pasa progresivamente de la cámara de admisión a la cámara de combustión a través de las lumbreras de transfer abiertas al abrirse las válvulas de las mismas.

Al final de la carrera ascendente del pistón auxiliar, la cámara de admisión queda con un volumen mínimo, habiéndose transferido la mezcla fresca aire-combustible a la cámara de combustión; y el pistón motor se acerca a su punto muerto superior, a punto para iniciar la fase de combustión.

A pesar de la ventaja de eliminar la fuga de mezcla fresca aire-combustible hacia el escape,

propio de los motores de dos tiempos con cárter-bomba, el tipo constructivo descrito presenta, no obstante, algunos inconvenientes que justifican el desinterés de la industria hacia el mismo hasta el día de hoy, como por ejemplo:

La complejidad constructiva se ve aumentada respecto de un motor convencional de dos tiempos, llegando a equipararse a la de un motor de cuatro tiempos, cuando, sin embargo, no se obtienen ventajas respecto a éstos últimos en el rendimiento.

No es posible ubicar una bujía o un inyector en la culata, debido a la presencia del pistón auxiliar que separa a la culata de la cámara de combustión en todo momento. Por eso la bujía o el inyector de carburante se ubican lateralmente en la pared del cilindro, lo cual es adverso para una combustión homogénea y completa, con un nivel mínimo de emisiones contaminantes.

Objeto de la invención

La presente invención propone un motor de combustión interna de dos tiempos del tipo anteriormente indicado, con unas soluciones constructivas que cumplen con los objetivos de:

Ubicar una bujía y/o un inyector de carburante en el centro de la culata, para garantizar una calidad de combustión en fase con las exigencias actuales.

Realizar una cinemática de carreras asimétricas, con un desplazamiento volumétrico de expansión superior al desplazamiento volumétrico de compresión, efectuando un ciclo termodinámico de tipo Atkinson o Miller.

Realizar la regulación directa de la potencia del motor sin estrangulamiento en la admisión, eliminando por completo las pérdidas por bombeo a carga parcial que se producen en los motores convencionales de encendido provocado.

- Obtener una relación de compresión variable en función de la carga del motor, en particular, decreciente desde un valor máximo a carga parcial, hasta un valor mínimo a plena carga, haciendo posible optimizar el rendimiento termodinámico en todas las condiciones.

- Obtener una relación de expansión constante en valor absoluto, independientemente de la carga, y como consecuencia de la relación de compresión variable, un cociente expansión/compresión creciente desde un valor unitario a carga parcial, hasta valores de aproximadamente 50% de sobre expansión a plena carga.

- Optimizar los mecanismos de actuación del pistón auxiliar y sus componentes, para un control total de los tiempos de admisión, escape y transfer, permitiendo además el funcionamiento a altas revoluciones.

El objetivo de ubicar una bujía y/o un inyector de carburante en la culata, se consigue mediante un mecanismo particular de transfer de la carga a través del pistón auxiliar.

Según el estado anterior de la técnica, el transfer de la carga desde la cámara de admisión hacia la cámara de combustión se realiza por unas lumbreras en el pistón auxiliar, cuya apertura y cierre se operan mediante una válvula convencional, similar a las que se usan en la admisión y escape de los motores de cuatro tiempos. Este tipo de válvula permanece en posición cerrada (hacia arriba) contra su asiento, mediante la fuerza de un muelle, y es abierta con un movimiento hacia abajo, bien pasivamente por diferencia de presión entre la cara superior y la cara inferior, venciendo la fuerza de retención del muelle, o bien por actuación mecánica de una leva. Una válvula de este tipo no puede permanecer en posición abierta durante la combustión, lo cual hace imposible realizar una comunicación directa entre la culata y la cámara de combustión en la fase de combustión, en los motores de este tipo.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención, la válvula de transfer es sustituida por un pistón (llamado en lo sucesivo pistón secundario) ajustado con estanqueidad en un alojamiento cilindrico situado en el interior del pistón auxiliar, donde puede realizar un movimiento de vaivén relativo a dicho pistón auxiliar, de tal manera que en su carrera hacia abajo ese pistón secundario ocluye unas lumbreras de transfer ubicadas en la pared lateral del alojamiento en el pistón auxiliar, y en su carrera hacia arriba descubre dichas lumbreras, permitiendo el transfer de carga de mezcla fresca aire-combustible entre la cámara de admisión y la cámara de combustión.

El movimiento del pistón secundario es, por lo tanto, inverso al de una válvula convencional, ya que al estar en una posición retraída cuando abre las lumbreras de transfer, dicho pistón secundario no irrumpe en la cámara de combustión y, por consiguiente, puede permanecer

en esta posición durante la fase de combustión, haciendo posible colocar una bujía de encendido, un inyector de carburante, y/o una bujía de precalentamiento, en la culata justo frente a una de las lumbreras de transfer, es decir en una posición centrada respecto de la cámara de combustión y comunicando con ella.

Con...

1.- Motor de combustión interna, provisto de un cigüeñal (4) y uno o varios cilindros (1), estando cada cilindro (1) provisto con un pistón motor (6) unido al cigüeñal (4) y que puede efectuar un movimiento alternativo dentro del cilindro (1); una culata (3) que cierra la parte superior del cilindro (1) y que está provista con lumbreras de admisión (14); unas lumbreras de escape (2) ubicadas en la pared del cilindro (1); y un pistón auxiliar (7) coaxial y opuesto al pistón motor (6), delimitando una cámara de combustión (9) entre dicho pistón auxiliar (7), el cilindro (1) y el pistón motor (6) y una cámara de admisión (8) entre dicho pistón auxiliar (7), el cilindro (1) y la culata (3), estando dotado dicho pistón auxiliar (7) de un movimiento alternativo mecánicamente sincronizado con el pistón motor (6), para provocar la expulsión de los gases residuales de la cámara de combustión (9) a través de la lumbrera de escape (2) y simultáneamente la introducción de una carga fresca de mezcla aire-combustible en la cámara de admisión (8) a través de las lumbreras de admisión (14); caracterizado en que el pistón auxiliar (7) determina axialmente por el lado de la cámara de combustión (9) un alojamiento (10) que comunica con la cámara de admisión (8) a través de unas lumbreras de transfer (11), yendo incluido en dicho alojamiento (10) un pistón secundario (12) que abre y cierra las lumbreras de transfer (11) en un movimiento de vaivén, respectivamente entre una posición retrasada hacia arriba y una posición avanzada hacia abajo.

2.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el pistón secundario (12) ajusta con estanqueidad respecto de la pared del alojamiento (10) mediante unos aros de estanqueidad (12.1).

3.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que en la culata (3) se dispone una bujía (36) y/o un inyector de carburante (36.1), enfrente de una de las lumbreras de transfer (11) y en comunicación con la cámara de combustión (9) cuando el pistón auxiliar (7) se encuentra en su posición más próxima a la culata (3).

4.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que las lumbreras de admisión (14) están provistas con unas válvulas de lámina (15) antirretorno.

5.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el pistón auxiliar (7) pasa en montaje deslizante a través de la culata (3).

6.- Motor de combustión interna, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 5, caracterizado en que el pistón auxiliar (7) posee un diámetro grande (D1) que ajusta en el interior del cilindro (1) y un diámetro pequeño (D2) que pasa a través de la culata (3) y que es superior a la cuarta parte del diámetro grande (D1).

7.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el pistón auxiliar (7) se dispone conectado a un extremo de un brazo basculante (18), el cual por el otro extremo se relaciona con un juego de levas (22, 22.1) de tipo desmodrómico que inducen un movimiento de basculación a dicho brazo basculante (18); mientras que el pistón secundario (12) se dispone conectado a un extremo de otro brazo basculante (19), el cual por su otro extremo se relaciona con un respectivo juego de levas (23, 23.1) de tipo desmodrómico que inducen a su vez un movimiento de basculación a este brazo basculante (19).

8.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que el movimiento alternativo del pistón auxiliar (7), mecánicamente sincronizado con el pistón motor (6), es de amplitud o carrera variable.

9.- Motor de combustión interna, de acuerdo con las reivindicaciones 1 y 8, caracterizado en que el pistón auxiliar (7) y el pistón secundario (12) se disponen relacionados con un mecanismo que permite variar la carrera de sus movimientos de vaivén hacia arriba y hacia abajo, yendo conectado el pistón auxiliar (7) a un extremo de un brazo basculante principal (24), el cual por su otro extremo va conectado a un émbolo (30) que es actuado en movimiento hacia arriba y hacia abajo por un juego de levas desmodrómicas (32, 32.1), poseyendo dicho brazo basculante principal (24) una porción cilíndrica hueca (25), sobre la cual va un casquillo (26) deslizante montado en una articulación (27) unida a un soporte corredera (28) que permite un desplazamiento lineal según una dirección paralela al eje de la porción cilíndrica hueca (25) del brazo basculante principal (24) cuando éste se encuentra en su posición que determina la posición del pistón auxiliar (7) más próxima a la culata (3); mientras que el pistón secundario (12) va conectado a un extremo de un brazo basculante secundario (33), el cual por su otro extremo va conectado a un respectivo émbolo (30.1) paralelo al émbolo (30) y que es actuado a su vez en movimiento hacia arriba y hacia abajo por un correspondiente juego de levas desmodrómicas (35, 35.1), estando este brazo basculante secundario (33) montado en una articulación (34) que se halla en el interior de la porción cilíndrica hueca (25) del brazo basculante principal (24).

10.- Motor de combustión interna, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado en que se dispone un turbocompresor, cuya turbina se conecta a la lumbrera de escape (2), y cuyo compresor se conecta a las lumbreras de admisión (14).