Motor híbrido de aire de ciclo dividido.

Un motor híbrido de aire de ciclo dividido (10, 74, 80, 84, 89,

94) que comprende:

un cigüeñal (18) que gira alrededor de un eje del cigüeñal (20);

un pistón mecánico (24) que es recibido de forma deslizante dentro de un cilindro mecánico (14) y se conecta deforma operativa al cigüeñal (18) de modo que el pistón mecánico (24) oscile a través de una carrera de expansión yuna carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal (18), pudiéndose controlar el cilindro mecánico (14)selectivamente para colocar el pistón mecánico (24) en un modo de trabajo o un modo al ralentí;

un pistón de compresión (26) que es recibido de forma deslizante dentro de un cilindro de compresión (16) y seconecta de forma operativa al cigüeñal (18) de modo que el pistón de compresión (26) oscile a través de una carrerade admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal (18);

un depósito de aire (36) conectado de forma operativa entre el cilindro de compresión (16) y el cilindro mecánico (14)y que se puede accionar selectivamente para recibir el aire comprimido del cilindro de compresión (16) y enviar el airecomprimido al cilindro mecánico (14) para su uso en la transmisión de potencia al cigüeñal (18) durante elfuncionamiento del motor; y

unas válvulas (46, 50, 58, 82, 100, 102) que controlan selectivamente el flujo de gas que entra y sale de los cilindrosde compresión (16) y mecánico (14) y del depósito de aire (36) de modo que el motor pueda funcionar en al menos unmodo de motor de combustión interna (ICE) y en un modo de compresor de aire (AC), y en donde:

en el modo ICE, el pistón de compresión (26) y el pistón mecánico (24) están en sus modos de compresión y detrabajo correspondientes, en los que el pistón de compresión (26) aspira y comprime el aire de admisión para su usoen el cilindro mecánico (14), y el aire comprimido es admitido en el cilindro mecánico (14) junto con el combustibleque se enciende, se quema y se expande, transmitiendo potencia al cigüeñal (18), y los productos de la combustiónse descargan en la carrera de escape; y

en el modo AC, el pistón de compresión (26) está en modo compresión y aspira y comprime el aire que se almacenael depósito (36) para un uso posterior del mismo en el cilindro mecánico (14);

y se caracteriza porque

el cilindro de compresión (16) puede controlarse selectivamente para colocar el pistón de compresión (26) en unmodo de compresión o un modo al ralentí;

en el ICE, el aire comprimido es admitido en el cilindro mecánico (14) junto con el combustible al inicio de una carrerade expansión que se enciende, se quema y se expande en la misma carrera de expansión que el cilindro mecánico; yel motor también puede ponerse en funcionamiento en al menos un modo de potencia de aire pre-comprimido (PAP),en cuyo modo PAP, el pistón mecánico (24) está en el modo de trabajo y recibe el aire comprimido del depósito (36)que se expande en la carrera de expansión del pistón mecánico (24), transmitiendo potencia al cigüeñal (18), el aireexpandido es descargado en la carrera de escape, y el pistón de compresión (26) está en un modo al ralentí para queel aire procedente del cilindro de compresión (16) no entre en el depósito de aire (36).

Motor híbrido de aire de ciclo dividido

CAMPO TÉCNICO

Esta invención se refiere a motores de ciclo dividido y, más concretamente, a un motor de dicho tipo que incorpora un sistema híbrido de aire.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Puede que el término de motor de ciclo dividido, tal y como se utiliza en la presente solicitud, no tenga todavía un significado unívoco conocido por todos aquellos versados en motores. Por este motivo, por razones de claridad, se ofrece la siguiente definición del término motor de ciclo dividido según puede ser aplicado a los motores presentados con anterioridad y lo contemplado en la presente solicitud.

Según lo contemplado aquí, un motor de ciclo dividido comprende:

un cigüeñal que gira alrededor de un eje del cigüeñal;

un pistón mecánico que es recibido de forma deslizante dentro de un cilindro mecánico y se conecta de forma operativa al cigüeñal de modo que el pistón mecánico oscile a través de una carrera de trabajo (o de expansión) y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal;

un pistón de compresión que es recibido de forma deslizante dentro de un cilindro de compresión y se conecta de forma operativa al cigüeñal de modo que el pistón de compresión oscile a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal; y

un conducto de gas que interconecta los cilindros mecánicos y de compresión, incluyendo el conducto de gas en una válvula de admisión y una válvula de escape (o cruce) que define una cámara de presión entre ellas.

Por razones de claridad, a continuación se ofrece una lista de los acrónimos de los distintos modos de funcionamiento del motor descritos en el presente documento:

AC Compresor de aire;

AM Control del aire;

CB Frenado por compresión;

ICE Motor de combustión interna;

PAP Potencia de aire precomprimido;

PCA Aire de combustión precomprimido;

En las Patentes Estadounidenses US 6.543.225 B2, US 6.609.371 B2 y US 6.952.923, todas ellas asignadas al cesionario de la presente invención, se presentan ejemplos de motores de combustión interna de ciclo dividido como el definido en el presente documento. Estas patentes contienen una amplia lista de las patentes estadounidenses y extranjeras y las publicaciones citadas como antecedentes en la asignación de estas patentes. El término “ciclo dividido” ha sido utilizado para estos motores ya que literalmente dividen los cuatro tiempos de un ciclo Otto de presión/volumen convencional (a saber, admisión, compresión, expansión y escape) en dos cilindros dedicados: un cilindro dedicado a la carrera de compresión a alta presión y otro cilindro dedicado a la carrera de trabajo a alta presión Últimamente se ha dedicado mucho tiempo a la investigación de motores híbridos de aire en comparación, por ejemplo, con los sistemas híbridos eléctricos. El sistema híbrido eléctrico requiere la adición al motor de ciclo de cuatro tiempos convencional de baterías y de un generador eléctrico y un motor. El híbrido de aire sólo necesita la adición de un depósito de aire a presión a un motor que incorpora las funciones de un compresor y de un motor neumático, junto con las funciones de un motor convencional para obtener las ventajas del sistema híbrido. Estas funciones incluyen el almacenamiento de aire a presión durante el frenado y la utilización del aire a presión para el accionamiento del motor durante el arranque y la aceleración subsiguientes.

Sin embargo, parece que en las técnicas anteriores sólo se adaptaba un motor con un ciclo de cuatro tiempos convencional para que un solo cilindro realizara las funciones de compresión, combustión y control. Esto requiere entonces un sistema complejo de válvula y engranaje y un control capaz de conmutar de un modo de frenado por compresión (CB) a un modo de control del aire (AM) y volver a un modo de motor de combustión interna tradicional (ICE) durante el funcionamiento.

En un ejemplo típico, donde no resulta necesario el almacenamiento o la utilización de aire comprimido para accionar el vehículo, un motor híbrido de aire conforme a las técnicas anteriores funciona a modo de un motor de combustión interna convencional, donde los cuatro tiempos del ciclo Otto (admisión, compresión, expansión y escape) se realizan en cada uno de los pistones cada dos revoluciones del cigüeñal. No obstante, durante el modo de frenado por compresión, cada cilindro del motor convencional está configurado para actuar a modo de un compresor de aire de dos tiempos de pistón oscilante, accionado desde las ruedas del vehículo a través del movimiento del vehículo. El aire es recibido de la atmósfera exterior en los cilindros del motor donde es comprimido y desplazado a un depósito de aire. El trabajo realizado por los pistones del motor absorbe la energía cinética del vehículo y desacelera o restringe su movimiento. De este modo, la energía cinética del movimiento del vehículo es transformada en energía de aire comprimido almacenada en el depósito de aire.

Durante el modo de control del aire, cada uno de los cilindros del motor está configurado para utilizar el aire comprimido almacenado y generar carreras de trabajo para una propulsión sin combustión. Esto puede conseguirse expandiendo primero el aire comprimido almacenado en los cilindros para bajar los pistones desde el punto muerto superior (TDC) hasta el punto muerto inferior (BDC) para una primera carrera de trabajo. A continuación, los pistones comprimen el gas expandido al desplazarse del BDC al TDC. Después el combustible es inyectado en los cilindros y encendido justo antes del TDC. Los productos que se expanden de la combustión vuelven a accionar los pistones hacia abajo para una segunda carrera de trabajo durante la segunda revolución del cigüeñal.

Alternativamente, el control del aire puede conseguirse expandiendo el aire comprimido almacenado para bajar el pistón mecánico del TDC al BDC para una carrera de trabajo sin combustión por cada revolución del cigüeñal. Este método alternativo de control del aire puede continuar hasta que la presión en el depósito de aire desciende por debajo de un nivel umbral, tras lo cual el motor puede pasar bien al modo de control de aire anteriormente descrito o a un modo de funcionamiento convencional de motor ICE.

Desde el punto de vista de la problemática, para poder pasar de un modo CB, AM e ICE a otro, el sistema de válvula/tren de transmisión resulta complejo, costoso y difícil de controlar o mantener. Adicionalmente, dado que cada uno de los cilindros tiene que realizar todas las funciones de cada uno de los modos, no resulta fácil su optimización. Por ejemplo, los pistones y los cilindros tienen que estar diseñados para soportar un evento de combustión explosiva, incluso si sólo actúan como compresores de aire. Según esto, dadas las tolerancias y los materiales requeridos para ampliar el calor de la combustión, debe sacrificarse el rendimiento del modo del compresor.

Otro problema en la realización de todas las funciones de cada modo (ICE, CB y AM) en cada cilindro es que no pueden ejecutarse dos modos en paralelo (es decir, simultáneamente) . Dado que los sistemas híbridos de aire de técnicas anteriores hacen uso de motores convencionales, se ven limitados a funcionar en serie en cada uno de los modos, lo que representa una serie de limitaciones inherentes de sus capacidades. Por ejemplo, dado que el modo CB no puede utilizarse cuando el motor está funcionando a modo de motor de combustión interna (en modo ICB) , el depósito de aire sólo puede cargarse durante la función de frenado de un vehículo en movimiento. Esta limitación lleva a problemas de mantenimiento de la carga almacenada en el depósito de aire. Además, esta limitación también hace que los sistemas híbridos de aire de técnicas anteriores sólo sean aplicables para el movimiento de vehículo, y no resulten prácticos para las aplicaciones estacionarias tales como los generadores estacionarios.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

WO 2004/072448 istem 1’in ön niteleyici özelliklerini açıklamaktadır.

En la presente invención se combinan las funciones del motor de ciclo dividido con el depósito de aire del concepto de híbrido de aire y varias funciones de control simplificadas para proporcionar nuevas disposiciones de funcionamiento y control de las realizaciones de motor híbrido resultantes. Una clara ventaja de la presente invención es que se pueden activar dos o más modos de motor simultáneamente (es decir, en paralelo) tal y como se describe en el presente documento dado que el motor de ciclo dividido incluye pistones de compresión... [Seguir leyendo]

1. Un motor híbrido de aire de ciclo dividido (10, 74, 80, 84, 89, 94) que comprende: un cigüeñal (18) que gira alrededor de un eje del cigüeñal (20) ; un pistón mecánico (24) que es recibido de forma deslizante dentro de un cilindro mecánico (14) y se conecta de forma operativa al cigüeñal (18) de modo que el pistón mecánico (24) oscile a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal (18) , pudiéndose controlar el cilindro mecánico (14) selectivamente para colocar el pistón mecánico (24) en un modo de trabajo o un modo al ralentí; un pistón de compresión (26) que es recibido de forma deslizante dentro de un cilindro de compresión (16) y se conecta de forma operativa al cigüeñal (18) de modo que el pistón de compresión (26) oscile a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal (18) ; un depósito de aire (36) conectado de forma operativa entre el cilindro de compresión (16) y el cilindro mecánico (14) y que se puede accionar selectivamente para recibir el aire comprimido del cilindro de compresión (16) y enviar el aire comprimido al cilindro mecánico (14) para su uso en la transmisión de potencia al cigüeñal (18) durante el funcionamiento del motor; y unas válvulas (46, 50, 58, 82, 100, 102) que controlan selectivamente el flujo de gas que entra y sale de los cilindros de compresión (16) y mecánico (14) y del depósito de aire (36) de modo que el motor pueda funcionar en al menos un modo de motor de combustión interna (ICE) y en un modo de compresor de aire (AC) , y en donde: en el modo ICE, el pistón de compresión (26) y el pistón mecánico (24) están en sus modos de compresión y de trabajo correspondientes, en los que el pistón de compresión (26) aspira y comprime el aire de admisión para su uso en el cilindro mecánico (14) , y el aire comprimido es admitido en el cilindro mecánico (14) junto con el combustible que se enciende, se quema y se expande, transmitiendo potencia al cigüeñal (18) , y los productos de la combustión se descargan en la carrera de escape; y en el modo AC, el pistón de compresión (26) está en modo compresión y aspira y comprime el aire que se almacena el depósito (36) para un uso posterior del mismo en el cilindro mecánico (14) ; y se caracteriza porque el cilindro de compresión (16) puede controlarse selectivamente para colocar el pistón de compresión (26) en un modo de compresión o un modo al ralentí; en el ICE, el aire comprimido es admitido en el cilindro mecánico (14) junto con el combustible al inicio de una carrera de expansión que se enciende, se quema y se expande en la misma carrera de expansión que el cilindro mecánico; y el motor también puede ponerse en funcionamiento en al menos un modo de potencia de aire pre-comprimido (PAP) , en cuyo modo PAP, el pistón mecánico (24) está en el modo de trabajo y recibe el aire comprimido del depósito (36) que se expande en la carrera de expansión del pistón mecánico (24) , transmitiendo potencia al cigüeñal (18) , el aire expandido es descargado en la carrera de escape, y el pistón de compresión (26) está en un modo al ralentí para que el aire procedente del cilindro de compresión (16) no entre en el depósito de aire (36) .

2. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación I en donde, en el modo PAP, el combustible se mezcla con el aire comprimido al inicio de una carrera de expansión y la mezcla se enciende, se quema y se expande en la misma carrera de expansión que el pistón mecánico (24) , transmitiendo potencia al cigüeñal (18) , y los productos de la combustión se descargan en la carrera de escape.

3. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación 1 en donde, en el modo PAP, el aire comprimido admitido en el cilindro mecánico (14) se expande sin la adición de combustible ni que se inicie la combustión.

4. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a cualquiera de las reivindicaciones precedentes en donde el depósito de aire (36) comprende un conducto de gas dimensionado de modo que sea capaz de recibir y almacenar el aire comprimido procedente de una pluralidad de carreras de compresión, en donde el conducto de gas (36) interconecta los cilindros de compresión (16) y de trabajo (14) , e incluye una válvula de admisión (38) y una válvula de escape (58) que definen una cámara de presión entre ellas.

5. Un motor (74, 80, 84, 89) conforme a la reivindicación 1 que incluye un conducto de gas (76) que interconecta los cilindros de compresión (16) y mecánico (14) , y cuyo conducto de gas (36) incluye una válvula de admisión (38) y una válvula de escape (58) que definen una cámara de presión entre ellas;

en donde el depósito de aire (36) queda conectado a través de un conducto del depósito (78) a la cámara de presión en un lugar entre medio de la válvula de admisión (38) y la válvula de escape (58) .

6. Un motor (80, 84, 89) conforme a la reivindicación 5 que incluye una válvula de control del depósito (82) en el conducto del depósito (78) .

7. Un motor (84) conforme a la reivindicación 6 y en donde el depósito de aire es un acumulador (86) adaptado para mantener una presión relativamente constante en el interior del mismo dentro de un intervalo de presión predeterminado.

8. Un motor (89) conforme a la reivindicación 5 que incluye múltiples pares de cilindros de compresión (16) y de

trabajo (14) interconectados a través de unos conductos de gas (36) que incluyen unas cámaras de presión, en donde todas las cámaras de presión están conectadas a un depósito de aire común (92) .

9. Un motor (94) conforme a la reivindicación 1 que incluye un conducto de gas que interconecta los cilindros de compresión (16) y mecánico (14) , y cuyo conducto de gas incluye una válvula de admisión (46) y una válvula de escape (50) que definen una cámara de presión entre ellas; estando el depósito de aire (36) conectado en paralelo al conducto de gas, con unas conexiones de admisión (102) y de escape (100) del depósito de aire (36) a los cilindros de compresión (16) y mecánico (14) .

10. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación 1 que, durante el funcionamiento en modo ICE, el combustible es encendido dentro de un ángulo del cigüeñal (CA) de 5 a 40 grados después de que el pistón mecánico

(24) haya alcanzado su posición de punto muerto superior (TDC) .

11. Un motor (10, 74, 80, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación 10 que, durante el funcionamiento en modo ICE, el combustible es encendido dentro de un ángulo del cigüeñal (CA) de 10 a 30 grados después de que el pistón mecánico (24) haya alcanzado su posición de punto muerto superior (TDC) .

12. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación 2 que, durante el funcionamiento en modo PAP, el combustible es encendido dentro de un ángulo del cigüeñal (CA) de 5 a 40 grados después de que el pistón mecánico

(24) haya alcanzado su posición de punto muerto superior (TDC) .

13. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación 12 que, durante el funcionamiento en modo PAP, el combustible es encendido dentro de un ángulo del cigüeñal (CA) de 10 a 30 grados después de que el pistón mecánico (24) haya alcanzado su posición de punto muerto superior (TDC) .

14. Un motor (10, 74, 80, 84, 89, 94) conforme a la reivindicación 1en donde el motor puede funcionar en el modo ICE y en el modo AC simultáneamente.