SISTEMA DE RENOVACIÓN DE LA CARGA EN MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA DE 4 TIEMPOS CON VÁLVULA COMÚN Y FLUJO CONTROLADO POR LÁMINAS.

La presente invención pretende mejorar 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.

Esto significa que todas las válvulas del cilindro se emplean tanto para admisión como para escape (mejorando el área de intercambio). 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 láminas semejantes a las empleadas en los motores térmicos de tiempos. Se situará 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 sólo) 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 LÁMINAS

Sector de la técnica

S 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.

10 Estado de la técnica

15 El comportamiento de los Motores de Combustión Interna Alternativos {MCIA} 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.

20 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 útit respecto al máximo posible teórico.

25 30 Por las razones mencionadas, gran parte del desarrollo y optimización de los MCIA 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.

S 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 la alzada de válvula (valve lift) o el momento y duración de apertura de la misma (valve timing) según el régimen de giro del motor.

10 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.

15 20 El empleo de una válvula común para admisión y escape ya ha sido abordado en patentes anteriores, pero sin éxito. 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 láminas, nunca ha sido empleado como se sugiere. Ni comercialmente ni en ninguna otra invención. Es cierto que estos mecanismos están ampliamente difundidos en el mercado de los motores de 2 tiempos, pero hasta dónde se conoce, no se ha planteado su uso como sistemas reguladores de flujo en un motor de combustión interna 4 tiempos de válvulas comunes.

Descripción detallada de la invención

25 30 La presente invención propone un sistema especial de renovación de la carga en motores 4 tiempos. Se sugiere un sistema de válvulas comunes para admisión y escape cuyo flujo está gobernado mediante válvulas de láminas (trabajan por diferencia de presión) . El objetivo perseguido es lograr una mejora del flujo de gas fresco hacia el cilindro (alto rendimiento volumétrico) de un modo más sencillo y económico que con 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.

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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

S 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

10 pequeñas.

Como medida para paliar estos problemas, la solución principal que aporta el sistema

propuesto es emplear todas las válvulas del cilindro para los mismos procesos. Esto es,

las mismas válvulas por las que se realiza la admisión de mezcla fresca (o sólo aire en el

caso de un motor diesel o de inyección directa) servirán para evacuar los gases de

15 escape producto de la combustión. De este modo, prácticamente se duplicaría el área

útil de paso de los gases hacia o desde el cilindro. Incluso en el caso de un motor

extremadamente sencillo de 4 tiempos, no sería necesario tener como mínimo 2

válvulas (una de admisión y otra de escape) . En este caso se podría disponer de una

única válvula. De aquí recibe el nombre este sistema, conocido como monoválvula

20 (monovalve) , de válvula común (common valve) o de válvula de doble uso (dual duty

valve) .

Esta concepción del motor, aunque resulta novedosa, ya que no existen demasiados

motores funcionando así en el mundo (ninguno comercial) , no es del todo innovadora.

Se tiene constancia de algunas patentes antiguas que versaban sobre este tipo de

25 motor. El principal problema de este tipo de mecanismo radica en conseguir mantener

el ciclo del motor 4 tiempos (sus procesos) en funcionamiento empleando sólo válvulas

comunes.

Para que un sistema de válvula común funcione en la práctica es necesario separar el

flujo de admisión del de escape fuera del cilindro. Sino, al producirse la admisión justo

30 después del escape se corre el riesgo de introducir de nuevo en el cilindro una mezcla

de gases quemados en lugar de una mezcla fresca. Es en la solución de este punto

dónde se cree que los intentos anteriores no tuvieron éxito, al aportar soluciones

mecánicas extremadamente complejas o soluciones basadas en la fluido dinámica del

gas que prácticamente no eran aplicables. La solución que se propone en esta

35 invención es la regulación de los flujos de admisión y escape mediante sencillos

sistemas de válvulas de láminas que funcionan por diferencia de presiones.

El esquema general del sistema propuesto puede verse en la figura 1 que acompaña

parte del recorrido hacia el motor son los habituales en cualquier motor de

combustión interna alternativo (MCIA) . Partiendo desde la atmósfera (1) se pasa por el

filtro de aire (2) , los conductos de admisión (3) , o cualquier otro elemento que se

estime necesario. Justo al final de este grupo de elementos, antes de que el conducto

S se divida a cada uno de los diferentes...

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 que sirven a la vez para la admisión de aire (o

S 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 comunicados en un volumen

común muy pequeño que se encuentra después de las válvulas de control

10 (laminas) si se sigue el sentido del flujo hacia el interior del cilindro.

c. Una válvula de láminas en el conducto de admisión situada en posición tal

que se abrirá cuando la presión del conducto de admisión supere a la del

volumen común.

d. Una válvula de láminas en el conducto de escape situada en posición tal que

15 se abrirá cuando la presión en el volumen común exceda la presión en el

conducto de escape. Esto significa que está situada en posición inversa a la

de admisión.

2. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos

de 4 tiempos según reivindicación 1, en el que el flujo hacia el interior del cilindro

20 está controlado por la apertura y cierre de la válvula común de tipo asiento

mientras las válvulas de láminas ejercen un control sobre el flujo que entra o sale

en el volumen común.