BR112013015233B1 - motor de combustão interna do tipo de pistão anular e um eixo central para um motor como esse - Google Patents
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Abstract
MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DO TIPO DE PISTÃO ANELAR E UM EIXO CENTRAL PARA UM MOTOR COMO ESSE. A presente invenção provê um novo motor de combustão interna do tipo de pistão anular e um eixo central para um motor como esse para melhoria adicional do arrefecimento de um motor de combustão interna do tipo de pistão anular. O motor de combustão interna compreende um bloco que tem pelo menos uma câmara de combustão anular e um pistão anular com uma câmara central. O pistão anular do motor é configurado para alternar na câmara de combustão. O motor de combustão interna ainda compreende um eixo central que é fixado ao referido bloco e configurado para se adaptar pelo menos parcialmente dentro da câmara central do pistão anular. O eixo central compreende pelo menos uma passagem a qual é configurada para levar um fluxo de fluido para e a partir da câmara central do pistão anular.
Description
A presente invenção se refere a motores de combustão. Em particular, a presente invenção se refere a motores de combustão que têm um layout de pistão anular. Mais especificamente, a invenção se refere à obtenção de energia mecânica diretamente a partir do gasto da energia quimica de combustível queimado em uma câmara de combustão anular, em que o pistão anular móvel é arrefecido com liquido em contato direto e continuo com a superfície de pistão móvel durante todos os cursos de indução, compressão, expansão e exaustão, e, mais particularmente, a um tipo de motor de combustão interna descrito na Patente U.S. N° 7.905.221 B2, data de missão 15/03/2011, para um motor de combustão interna.
Os motores de combustão interna do tipo de pistão anular são conhecidos a partir da Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima, a qual expõe um motor de combustão interna compreendendo uma câmara de ar substancialmente cilindrica que tem uma parede interna circunferencial e uma parede interna superior substancialmente redonda. O motor tem uma câmara de combustão de formato anular que tem uma superfície de parede interna substancialmente circular substancialmente concêntrica com a câmara de ar cilindrica e uma superfície de parede externa substancialmente circular substancialmente concêntrica com a câmara de ar cilindrica. 0 motor ainda compreende uma câmara de volume fixo de pré-combustão em comunicação de fluido com a câmara de combustão de formato anular, e um pistão substancialmente cilindrico compreendendo uma primeira superfície configurada de forma cooperativa para se adaptar na câmara de ar substancialmente cilíndrica. O motor também compreende um suprimento de depósito de ar em comunicação com uma câmara de compressão configurada para receber o ar comprimido a partir dali. Para uma descrição detalhada da técnica antecedente de motores de combustão interna, a referência é feita à Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima, sem repetição aqui.
É um fato que uma quantidade significativa de calor é gerada pela combustão na parede de câmara de combustão anular. O calor é arrefecido no motor de pistão anular conhecido pela provisão de canais de arrefecimento no bloco do motor para arrefecimento da parede cilíndrica. Objetivo da invenção
Portanto, é um objetivo da presente invenção melhorar adicionalmente o arrefecimento de um motor de combustão interna do tipo de pistão anular. É um objetivo em particular prover um arrefecimento eficiente do pistão anular de um motor como esse. Sumário
O objetivo é alcançado com um novo eixo central para um motor de combustão interna do tipo de pistão anular. O eixo central é configurado para se adaptar de forma deslizante pelo menos parcialmente dentro de uma câmara central do pistão anular móvel. O eixo central compreende pelo menos uma passagem para a provisão de um fluxo de fluido para a câmara central do pistão.
Mais especificamente, o eixo central de acordo com a presente invenção é caracterizado pela reivindicação 1.
Por outro lado, o objetivo é alcançado com um novo motor de combustão interna que compreende um bloco que tem pelo menos uma câmara de combustão anular e um pistão anular com uma câmara central. O pistão anular do motor é configurado para alternar na câmara de combustão. O motor de combustão interna ainda compreende um eixo central que é fixado ao referido bloco e configurado para se adaptar pelo menos parcialmente dentro da câmara central do pistão anular. 0 eixo central compreende pelo menos uma passagem a qual é configurada para levar o fluxo de fluido para e para longe da câmara central do pistão anular.
Mais especificamente, o motor de combustão interna de acordo com a presente invenção é caracterizado pela porção de caracterização da reivindicação 19.
Benefícios consideráveis são obtidos com o auxilio da presente invenção. Primariamente, o pistão pode ser arrefecido em virtude do fluxo de fluido disposto dentro do pistão. Uma vez que o alojamento em torno do pistão e todos os lados da câmara de combustão anular são arrefecidos, estas condições prevalecentes permitem o arrefecimento, tipicamente a em torno de 200 a 300 °F (93,3 a 148,9 °C), uma operação do pistão, dos selos e das paredes de câmara de combustão ao invés da temperatura típica convencional de 500 a 600 °F (260 a 315,6 °C). Uma relação de compressão substancialmente mais alta e uma temperatura de combustão podem ser usadas na câmara de combustão, resultando em uma economia de combustível mais alta e gases de exaustão mais limpos. Uma expansão de calor reduzida permite tolerâncias muito altas entre as superfícies móveis e estacionárias arrefecidas. O uso de selos de grafita de autolubrificação mesmo de espaço nulo (folga) se torna praticável.
A seguir, certas modalidades da invenção são descritas em maiores detalhes com referência aos desenhos associados, nos quais: a figura 1 mostra a vista em seção transversal longitudinal do conjunto do aparelho da primeira modalidade da presente invenção; a figura 2 mostra esquematicamente os componentes principais da primeira modalidade do aparelho da presente invenção como duas vistas de conjunto; a figura 3 mostra esquematicamente o conjunto do aparelho da primeira modalidade da presente invenção durante três estágios diferentes de operação; a figura 4 mostra esquematicamente os componentes principais da segunda e da terceira modalidade do aparelho da presente invenção; a figura 5 mostra esquematicamente os componentes principais da quarta modalidade do aparelho da presente invenção.
Quatro modalidades principais da presente invenção devem ser descritas a seguir pela discussão, primeiramente, dos componentes principais do aparelho da primeira modalidade de um motor de combustão interna caracterizando um pistão anular arrefecido com liquido e em conexão com um gerador linear. A modalidade de exemplo é seguida por uma descrição geral de sua operação. As descrições de modalidades adicionais da presente invenção são feitas na forma de um compressor linear, uma bomba de deslocamento positivo linear e geração de potência mecânica rotativa.
Uma referência é feita à figura 1, a qual mostra a vista em seção transversal longitudinal do conjunto do aparelho 10 da primeira modalidade da presente invenção. Com referência à figura 2, a qual mostra esquematicamente os componentes principais da primeira modalidade do aparelho da presente invenção, o aparelho 10 compreende um eixo central 20 estacionário - preferencialmente arrefecido à água, um bloco de base de motor estacionário 30 - também preferencialmente arrefecido à água, um pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40, um bloco de câmara de combustão anular estacionário e preferencialmente arrefecido à água 50, um bloco de cabeçote de motor estacionário e preferencialmente arrefecido à água 60 e um conjunto de imã permanente de NdFeB de formato de anel múltiplo anular móvel de atuação dupla 70. O aparelho 10 é projetado como um módulo para um motor de combustão interna empregando um pistão anular convencional, o qual pode ser equipado com um novo subconjunto de acordo com qualquer uma das modalidades descritas aqui ou geralmente conforme reivindicado nas reivindicações em apenso.
Com referência à figura 2, o eixo central arrefecido à água estacionário 20 do aparelho 10 é perfurado para a formação de um tubo de entrada de liquido de arrefecimento 22 com roscas fêmeas 21 para conexão ao meio de alimentação de liquido de arrefecimento. O eixo central 20 compreende, portanto, uma porção de entrada. Neste contexto, o termo arrefecido a água é para ser entendido como se referindo a um arrefecimento com fluido geralmente conhecido como um arrefecimento a água no campo. Na extremidade da porção de entrada, o eixo central compreende uma porção de formação de passagem anular. A referida extremidade do tubo de entrada de liquido de arrefecimento 22, isto é, a porção de entrada do eixo central compreende orificios radiais 23 para se deixar o liquido de arrefecimento passar para uma passagem anular 12 que é formada entre o eixo central arrefecido à água 20 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 disposto em torno dele, conforme mostrado no conjunto da figura 1. Na extremidade oposta à porção de entrada, a porção de formação de passagem anular tem uma porção de saida. A extremidade de base flangeada 24 da porção de saida do eixo central arrefecido à água 20 também é perfurada para a formação de um tubo de saida de liquido de arrefecimento 26. A referida extremidade da porção de formação de passagem anular tem orifícios radiais 25 para deixar o líquido de arrefecimento da passagem anular 12 entre o eixo central arrefecido à água 20 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 entrar no tubo de saída de líquido de arrefecimento 26. Há roscas fêmeas 27 na extremidade de base flangeada 24 do eixo central arrefecido à água 20 para conexão a meios de descarga de líquido de arrefecimento a partir do tubo de saída de líquido de arrefecimento 26.
O eixo central 20 é configurado para ser instalado de uma maneira selada no pistão anular 40. De acordo com uma modalidade particularmente preferível, o eixo central arrefecido à água 20 tem dois selos de GraphAlloy de autolubrificação 28 para a formação de um selo estanque a liquido e a gás entre o eixo central arrefecido à água estacionário 20 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 para contenção do liquido de arrefecimento na passagem anular 12.
Com referência à figura 1 e à figura 2, o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 30 é montado sobre o eixo central arrefecido à água estacionário 20 do aparelho 10 contra a extremidade de base flangeada 24. O bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 30 compreende uma câmara de liquido de arrefecimento de formato anular 32 e uma ou mais câmaras de suprimento de ar de combustão supercomprimido e de pré-combustão de volume fixo 34 combinadas com bocais de injetor de combustível e/ou de vela de ignição, conforme descrito em maiores detalhes na Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima.
Com referência à figura 1 e à figura 2, o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 é montado sobre o eixo central arrefecido à água estacionário 20 do aparelho 10 e dentro do bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 30. 0 pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 compreende uma seção de tubo de pistão cilindrica 42 configurada de forma cooperativa para se adaptar sobre o eixo central arrefecido à água cilíndrico 20, uma seção de pistão em formato de anel 44 que se projeta radialmente para fora da seção de tubo de pistão 42 do pistão anular oco 40. A extremidade de bloco de cabeçote 41 da seção de tubo de pistão cilindrica 42 oposta à extremidade de bloco de base 43 dentro do bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 30 tem meios para afixação dela ao conjunto de imã permanente de formato anular móvel de atuação dupla 70, o qual é exposto em relação à primeira modalidade da presente invenção. Conforme deve ser explicado aqui adiante, a energia cinética do pistão 40 também poderia ser mantida como um movimento mecânico e transmitida para uma árvore de manivelas, por exemplo.
O pistão é adaptado de uma maneira móvel, mas firme no bloco de motor. Preferencialmente, há dois selos de GraphAlloy 46 para a formação de um selo de espaço nulo (folga) estanque a gás entre a seção de tubo de pistão cilíndrica 42, o bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 60, e o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 30 para contenção do ar comprimido e gases de combustão na câmara de combustão de formato anular na câmara de combustão de formato anular principal e de comprimento variável 49 formada entre o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 e o bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água 50. O bloco de câmara de combustão 50 pode ser um subconjunto em separado ou uma parte integral do bloco de motor principal 30 ou bloco de cabeçote 60. Um ou mais selos de GraphAlloy 48 na seção de pistão em formato de anel 44 são usados para vedação dos gases de combustão de uma maneira estanque a gás a partir do ar comprimido nos lados opostos da seção de pistão em formato de anel 44 dentro da câmara de combustão de formato anular de comprimento variável 49.
Uma nota mais especifica é feita aqui quanto ao termo "GraphAlloy" que tem por significado ser um termo genérico usado no campo para selos de liga de grafita de autolubrificação e não se refere a qualquer termo de marca registrada para qualquer fabricante especifico.
Com referência à figura 1 e à figura 2, o bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água estacionário 50 é configurado de forma cooperativa para se adaptar sobre o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 do aparelho 10 e contra o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 30. Há uma ou mais janelas de saida 52 no meio da câmara de combustão anular arrefecida à água estacionária 50 para descarga e purga dos gases de combustão da câmara de combustão de formato anular 49 durante os cursos de exaustão do motor de combustão interna anular.
Com referência à figura 1 e à figura 2, o bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 60 é configurado de forma cooperativa para se adaptar sobre o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 do aparelho 10 e contra o bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água 50. O bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 60 compreende uma câmara de liquido de arrefecimento de formato anular 62 e uma ou mais câmaras de suprimento de ar de combustão supercomprimido e de pré-combustão de volume fixo 64 combinadas com bocais de injetor de combustivel e/ou de vela de ignição, conforme é conhecido por si a partir da Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima.
Dentro da carcaça cilíndrica 66 do bloco de cabeçote 60, há um estator de bobina múltipla 68 que é usado para a criação de um campo magnético que translada linearmente, ao invés de rodar. As bobinas são pulsadas para ligado, de modo que a região do campo magnético se mova em sincronização com o conjunto de imã permanente de formato anular móvel de atuação dupla 70 para a criação de uma corrente elétrica.
Com referência à figura 1 e à figura 2, o conjunto de imã permanente de NdFeB de formato de anel múltiplo anular móvel de atuação dupla 70 é configurado de forma cooperativa para se adaptar dentro da carcaça cilindrica 66 e do conjunto de bobinas 68 no bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 60. Dentro do conjunto de imã permanente de formato anular móvel de atuação dupla 70, há um flange 72 para facilitar a afixação do conjunto de imã permanente 70 à extremidade 41 do pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40. O flange 72 é perfurado para permitir uma transferência de ar para dentro e para fora da câmara anular de tamanho variável 74 que é formada entre o bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 60 e o conjunto de imã permanente de formato anular móvel de atuação dupla 70. O fluxo de ar também provê um arrefecimento adicional da câmara anular de tamanho variável 74.
Tirantes ou outros meios convencionais são usados para conexão e manutenção dos componentes estacionários da presente invenção em conjunto com na direção axial.
Meios convencionais são usados em relação com o estator de bobina múltipla 68 no bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 60 para a criação de um campo magnético que translada linearmente, ao invés de rodar. As bobinas são pulsadas para ligado de modo que a região do campo magnético se mova em sincronização com o conjunto de imã permanente de formato anular móvel de atuação dupla 70 para a criação de uma corrente elétrica. As bobinas são conectadas a inversores, os quais convertem a saida de gerador em corrente continua. Os inversores são controlados por um sistema de processador de sinal digital maximizando a eficiência do processo de conversão de potência.
O conjunto de gerador linear atua como um motor de arranque linear quando da partida do motor de combustão interna de pistão anular arrefecido a liquido. Uma vez que o motor interno de um tipo de pistão anular gera uma quantidade significativa de ar pressurizado, o motor pode ter a partida dada alternativamente em virtude do referido ar pressurizado. Especificamente, o motor pode ter a partida dada ao se fazer o motor funcionar de uma maneira forçada pela alimentação de ar e combustível para a câmara de combustão a partir dos reservatórios de combustível e de ar pressurizado (não mostrados).
Meios convencionais são usados para a circulação do liquido de arrefecimento através do eixo central arrefecido à água estacionário 20. Enquanto o liquido de arrefecimento flui através da passagem anular 12, esta câmara de liquido de arrefecimento 12 permite um contato constante e direto entre o liquido de arrefecimento e o interior da superfície cilíndrica do pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40.
Uma vez que o alojamento em torno da seção de tubo de pistão cilíndrica 42 e todos os lados da câmara de combustão anular 49 também são arrefecidos à água, estas condições prevalecentes permitem uma operação arrefecida, tipicamente de 200 a 300 °F (93,3 a 148,9 °C) do pistão, dos selos e das paredes de câmara de combustão ao invés da temperatura tipica convencional de 500 a 600 °F (260 a 315,6 °C). Uma relação de compressão substancialmente mais alta e uma temperatura de combustão podem ser usadas na câmara de combustão, resultando em uma economia de combustivel mais alta e gases de exaustão mais limpos. Uma expansão de calor reduzida permite tolerâncias muito altas entre as superficies móveis e estacionárias arrefecidas. O uso de selos de grafita de autolubrificação mesmo de espaço nulo (folga) se torna praticável.
Embora esta primeira modalidade da presente invenção mostre a entrada e a saida de liquido de arrefecimento em extremidades opostas do eixo central arrefecido à água estacionário 20, também é possível usar o mesmo percurso de circulação de líquido de arrefecimento, conforme mostrado nas próximas modalidades da presente invenção, onde as janelas de entrada e de saída de liquido de arrefecimento estão na mesma extremidade no eixo central arrefecido à água estacionário 20.
A figura 3 mostra esquematicamente o conjunto do aparelho da primeira modalidade da presente invenção durante três estágios diferentes de operação.
A vista em seção transversal longitudinal de lado esquerdo do conjunto abaixo da seção transversal A-A mostra o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 na posição extraída extrema, onde a janela de suprimento de ar de combustão supercomprimido 63a está provendo a operação de purga de gás de exaustão e a indução de ar de combustão, enquanto a janela de injetor de combustível 65a na câmara de pré-combustão de volume fixo 64 está provendo o combustível para o ar de combustão no fim do ciclo de compressão para cima, para começar o próximo ciclo de expansão.
A vista em seção transversal longitudinal central do conjunto abaixo da seção transversal B-B mostra o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 na posição de curso médio, onde está bloqueando as janelas de saída de exaustão 52 no meio da câmara de combustão anular arrefecido à água estacionária 50. Os gases de combustão se expandindo 50a acima do pistão de formato anular 40 dá potência ao curso de expansão, enquanto o ar de combustão novo 50b está sendo comprimido sob o pistão de formato anular 40.
A vista em seção transversal longitudinal de lado direito do conjunto abaixo da seção transversal C-C mostra o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 40 na posição estendida extrema, onde a janela de suprimento de ar de combustão supercomprimido 63b está provendo a operação de purga de gás de exaustão e a indução de ar de combustão, enquanto a janela de injetor de combustível 65b na câmara de pré-combustão de volume fixo 64 está provendo o combustível para o ar de combustão no fim do ciclo de compressão para baixo para começar o próximo ciclo de expansão.
Para a descrição detalhada da operação do motor de combustão interna anular que é usado nesta primeira modalidade da presente invenção, por favor, faça uma referência à Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima.
Uma vez que o pistão arrefecido a liquido permite a operação de superfície interna mais arrefecida, uma relação de compressão mais alta e, portanto, uma temperatura de combustão mais alta, o parágrafo ANÁLISE DE EMISSÃO da Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima será repetido a seguir com modificações minimas.
Um recurso preferível para a eficiência térmica alta e praticamente nenhuma emissão de monóxido de carbono ou de óxido de nitrogênio a partir do aparelho da presente invenção é o uso do pistão anular arrefecido a liquido, relação de compressão alta e selos de espaço praticamente nulo em combinação com câmaras de combustão de volume fixo duplas. Uma câmara de pré-combustão recebe uma mistura de combustível - ar rica, enquanto a câmara de ar de combustão supercomprimido é carregada com uma mistura muito pobre ou com nada. A mistura rica inflama a mistura principal pobre. A temperatura de pico resultante é baixa o bastante para impedir a formação de óxidos de nitrogênio, e a temperatura média é suficientemente alta para limitar as emissões de monóxido de carbono e hidrocarboneto. A relação de combustível - ar varia de rica na câmara de pré-combustão para pobre na câmara de combustão de formato anular.
É a temperatura de pico, a qual ocorre na ponta da frente de chama que produz a maior parte das emissões de óxido de nitrogênio; quanto mais baixas as temperaturas de pico, menores as emissões de óxido de nitrogênio. Quando o pistão está se afastando da frente da chama, ele produz um efeito de arrefecimento que resulta em temperaturas de pico mais baixas e emissões de óxido de nitrogênio mais baixas. É bem conhecido o fato de que as eficiências de combustão podem ser melhoradas por um funcionamento pobre, significativamente acima de 14,5 para 1 de relação de ar - combustível.
A câmara de combustão de formato anular em combinação com a entrada tangencial da frente de chama a partir da câmara de pré-combustão e da câmara de suprimento de ar de combustão anular supercomprimido produz uma turbulência maciça que resulta em uma taxa de queima extremamente rápida (duração de combustão). A taxa de queima é a quantidade de tempo que leva para que a mistura de combustível / ar aprisionada queime completamente.
A taxa de queima é um multiplicador potente da eficiência do motor.
Uma referência é feita à figura 4, a qual mostra a vista em seção transversal longitudinal do conjunto do aparelho 10b da segunda modalidade da presente invenção. 0 aparelho 10b compreende um eixo central arrefecido à água estacionário 120, um bloco de base de motor arrefecido a água estacionário 130, um pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140, um bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água 150, um bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 160, uma câmara de compressor arrefecida à água estacionária 170 e uma cobertura de cabeçote de câmara de compressor 180. Diferentemente da primeira modalidade, uma extremidade do pistão 140 é fechada por um cabeçote de pistão 147 para tornar o pistão 140 adequado como um pistão de compressão para a produção de ar comprimido. Uma primeira câmara de compressão cilindrica 194 de volume variável é formada, portanto, entre o cabeçote de pistão móvel 147 e a extremidade terminal 193 do eixo central estacionário 120.
Com referência à figura 4, a extremidade de base flangeada 124 do eixo central arrefecido à água estacionário 120 do aparelho 10b é perfurada para a formação de um tubo de entrada de liquido de arrefecimento 122 com roscas fêmeas 121 para conexão a meios de alimentação de liquido de arrefecimento. A outra extremidade do tubo de entrada de liquido de arrefecimento 122 tem uma passagem radial 123 para deixar o liquido de arrefecimento passar para a extremidade de começo da passagem anular 112 que é formada entre o eixo central arrefecido à água 120 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140, conforme mostrado na Seção A-A da figura 4. Uma outra passagem é perfurada para o eixo central arrefecido à água estacionário 120 para a formação de um tubo de saída de líquido de arrefecimento 126 com roscas fêmeas 125 para conexão a meios de descarga de líquido de arrefecimento a partir do tubo de saída de líquido de arrefecimento 126. A outra extremidade do tubo de saída de líquido de arrefecimento 126 tem uma passagem radial 127 para deixar o líquido de arrefecimento fluir a partir da extremidade da passagem anular 112 que é formada entre o eixo central arrefecido à água 120 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140, conforme mostrado na Seção A-A da figura 4. Portanto, na segunda modalidade, as porções de entrada e de saída do eixo central são combinadas por terem os tubos de entrada e de saída correndo paralelos para e a partir da passagem anular 112.
Com referência à figura 4, Seção B-B, o eixo central arrefecido à água estacionário 120 do aparelho 10b também é perfurado para a formação de um tubo de entrada de ar 192 com meios convencionais para conectá-lo a uma fonte de ar de suprimento limpo. O tubo de entrada de ar 192 corre pelo comprimento inteiro do eixo central estacionário 120 todo o caminho para a câmara de compressão interna 194 que é formada entre a extremidade terminal interna 193 do eixo central estacionário 120 oposta à extremidade de base flangeada 124 e a superfície interna 195 do cabeçote de pistão de compressor 147. Há uma válvula de retenção na referida extremidade terminal interna 193 do tubo de entrada de ar 192 para o ar entrar na câmara de compressão interna 194 apenas durante o curso de indução.
Com referência à figura 4, Seção B-B, o eixo central arrefecido à água estacionário 120 do aparelho 10b também é perfurado para a formação de um tubo de saída de ar comprimido 196 com meios convencionais para conectá-lo a um acumulador de ar comprimido ou outros aparelhos de recebimento. O tubo de saída de ar comprimido 196 corre pelo comprimento inteiro do eixo central estacionário 120 todo o caminho a partir da câmara de compressão interna 194 para a extremidade de base flangeada 124 do eixo central estacionário 120. Há uma válvula de retenção na extremidade interna 197 do tubo de saída de ar 196 para deixar sair o ar comprimido a partir da câmara de compressão interna 194, durante o curso de compressão.
O eixo central arrefecido à água estacionário 120 tem dois selos de GraphAlloy de autolubrificação 128 para a formação de um selo estanque a líquido e gás entre o eixo central arrefecido à água estacionário 120 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140 para contenção do líquido de arrefecimento na passagem anular 112.
Com referência à figura 4, o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 130 é montado sobre o eixo central arrefecido à água estacionário 120 do aparelho 10b contra a extremidade de base flangeada 124. 0 bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 130 compreende uma câmara de líquido de arrefecimento de formato anular 132 e uma ou mais câmaras de suprimento de ar de combustão supercomprimido e de pré-combustão de volume fixo 134 combinadas com bocais de injetor de combustível e/ou de vela de ignição, conforme descrito na Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima.
Com referência à figura 4, o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140 é montado sobre o eixo central arrefecido à água 20 do aparelho 10b e dentro do bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 130. O pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140 compreende uma seção de tubo de pistão cilíndrica 142, configurada de forma cooperativa para se adaptar sobre o eixo central arrefecido à água estacionário cilíndrico 120, uma seção de pistão em formato de anel 144 que se projeta para fora a partir da seção de tubo de pistão 142 cooperativamente configurada para se adaptar dentro da câmara de combustão anular arrefecido à água estacionária 50. A extremidade 141 da seção de tubo de pistão cilíndrica 142 oposta à extremidade 143 dentro do bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 130 é fechada para formar um cabeçote de pistão de compressor 147 desta segunda modalidade da presente invenção. Há dois selos de GraphAlloy 146 para a formação de um selo de espaço nulo (folga) estanque a gás entre a seção de tubo de pistão cilindrica 142, o bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 160 e o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 130 para contenção do ar comprimido e dos gases de compressão na câmara de combustão de formato anular principal e de comprimento variável 149 formada entre o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 140 e o bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água 150. Um ou mais selos de GraphAlloy 148 na seção de pistão em formato de anel 144 são usados para vedação dos gases de combustão de forma estanque a gás do ar comprimido em lados opostos da seção de pistão em formato de anel 144 dentro da câmara de combustão de formato anular de comprimento variável 149.
Uma nota especifica é feita aqui quanto ao termo "GraphAlloy" que tem por significado ser um termo genérico usado no campo para selos de liga de grafita de autolubrificação e não se refere a qualquer termo de marca registrada para qualquer fabricante específico.
Uma vez que as descrições do bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água 150 e do bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 160 são principalmente as mesmas que as descritas anteriormente na primeira modalidade da presente invenção, o texto não é repetido aqui.
Com referência à figura 4, Seção B-B, a câmara de compressor arrefecida à água estacionária 170, a cobertura de cabeçote de câmara de compressor 180, e o cabeçote de pistão de compressor 147 formam uma segunda câmara de compressão (externa) 182. Há uma válvula de retenção 184 na cobertura de cabeçote de câmara de compressor 180 para deixar o ar entrar na segunda câmara de compressão externa 182 apenas durante o curso de indução. Uma outra válvula de retenção 186 está na cobertura de cabeçote de câmara de compressor 180 para deixar o ar comprimido sair a partir da segunda câmara de compressão externa 182 durante o curso de compressão.
Tirantes ou outros meios convencionais são usados para conexão e manutenção dos componentes estacionários da presente invenção em conjunto na direção axial.
A operação do aparelho 10b da segunda modalidade da presente invenção é similar à operação descrita anteriormente em relação à primeira modalidade e, portanto, não será repetida aqui.
É para ser entendido que a referência ao uso da segunda modalidade como um compressor de armazenamento se aplica também à compressão de tratamento outro tipo de meio gasoso ou fluido, da mesma forma.
De acordo com uma outra modalidade alternativa, a segunda modalidade apresentada na figura 4 pode ser modificada para a produção de ar comprimido e movimento rotativo a ser transmitido para uma árvore de manivelas, por exemplo. Pela remoção da cobertura de cabeçote de câmara de compressor 180 e, portanto, também da segunda câmara de compressão 182, o pistão 140, particularmente o cabeçote de pistão 147, pode ser provido com uma haste de conexão (não mostrada) para a transmissão de cinética para uma árvore de manivelas (não mostrada) . Em uma modalidade como essa, o ar comprimido seria produzido apenas pela primeira câmara de compressão 194, enquanto também produz um movimento rotativo tradicional para acionamento da transmissão de um veiculo motor. Esta modalidade em particular seria mais praticável quando do funcionamento de uma pluralidade de pistões em um layout de cilindro múltiplo, em que variações de pressão criadas na câmara de manivela são equilibradas. 30
O aparelho da terceira modalidade da presente invenção (não mostrado) tem principalmente os mesmos componentes que na segunda modalidade, exceto pelo fato de o aparelho ser usado como uma bomba de deslocamento positivo linear para a pressurização e o movimento de líquidos.
A descrição geral do aparelho da terceira modalidade da presente invenção é principalmente a mesma que na segunda modalidade, exceto pelo fato de o aparelho ser usado como uma bomba de deslocamento positivo linear para a pressurização e o movimento de líquidos.
Uma referência é feita à figura 5, a qual mostra a vista em seção transversal longitudinal do conjunto do aparelho 10d da quarta modalidade da presente invenção. O aparelho 10d compreende um eixo central arrefecido à água estacionário 220, um bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 230, um pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240, um bloco de câmara de combustão anular arrefecido à água 250, um bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 260, um bloco de motor arrefecido à água estacionário 270 e um conjunto de árvore de manivelas convencional 280. 30
Com referência à figura 5, a extremidade de base flangeada 224 do eixo central arrefecido à água estacionário 220 do aparelho 10d é perfurada para a formação de um tubo de entrada de liquido de arrefecimento 222 com roscas fêmeas 221 para conexão a meios para alimentação de liquido de arrefecimento. A outra extremidade do tubo de entrada de liquido de arrefecimento 222 tem uma passagem radial 223 para deixar o liquido de arrefecimento passar para a extremidade de começo da passagem anular 212 que é formada entre o eixo central arrefecido à água estacionário 220 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240, conforme mostrado na seção A-A da figura 5. Uma outra passagem é perfurada no eixo central arrefecido à água estacionário 220 para a formação de um tubo de saida de liquido de arrefecimento 226 com roscas fêmeas 225 para conexão a meios de descarga de liquido de arrefecimento a partir do tubo de saida de liquido de arrefecimento 226. A outa extremidade do tubo de saida de liquido de arrefecimento 226 tem uma passagem radial 227 para deixar o liquido de arrefecimento fluir a partir da extremidade da passagem anular 212 que é formada entre o eixo central arrefecido à água estacionário 220 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240, conforme mostrado na Seção A-A da figura 5.
O eixo central arrefecido à água 120 tem dois selos de GraphAlloy de autolubrificação 228 para a formação de um selo estanque a gás e liquido entre o eixo central arrefecido à água estacionário 220 e o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240, para contenção do líquido de arrefecimento na passagem anular 212.
Com referência à figura 5, o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 230 é montado sobre o eixo central arrefecido à água estacionário 220 do aparelho 10d contra a extremidade de base flangeada 224. O bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 230 compreende uma câmara de líquido de arrefecimento de formato anular 232 e uma ou mais câmaras de suprimento de ar de combustão supercomprimido ou de pré-combustão de volume fixo 234 combinadas com bocais de injetor de combustível e/ou de vela de ignição, conforme descrito na Patente U.S. N° 7.905.221 B2 identificada acima.
Com referência à figura 5, o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240 é montado sobre o eixo central arrefecido à água estacionário 220 do aparelho 10d e dentro do bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 230. O pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240 compreende uma seção de tubo de pistão cilíndrica 242 configurada de forma cooperativa para se adaptar sobre o eixo central arrefecido à água estacionário 220, uma seção de pistão em formato de anel 244 se projetando para fora a partir da seção de tubo de pistão 242 cooperativamente configurada para se adaptar na câmara de combustão anular arrefecida à água estacionária 250. A extremidade 241 da seção de tubo de pistão cilíndrica 242 oposta à extremidade 243 dentro do bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 230 é fechada para a formação de um cabeçote de pistão 247 desta quarta modalidade da presente invenção. O cabeçote de pistão 247 tem perfurações 284 para a passagem de ar durante o movimento do pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240, para manutenção de uma pressão permanente na câmara de árvore de manivelas 286.
O cabeçote de pistão 247 é afixado por meios convencionais a uma haste de pistão convencional 282, a qual em conjunto com um conjunto de árvore de manivelas convencional 280 converte o movimento linear do pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240 em potência mecânica rotativa.
Há dois selos de GraphAlloy 246 para a formação de um selo de espaço nulo (folga) estanque a gás entre a seção de tubo de pistão cilíndrica 242, o bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 260 e o bloco de base de motor arrefecido à água estacionário 230, para contenção do ar comprimido e de gases de combustão na câmara de combustão de formato anular principal e de comprimento variável 249 formada entre o pistão de formato anular móvel de atuação dupla 240 e a câmara de combustão anular arrefecido à água estacionária 250. Um ou mais selos de GraphAlloy 148 na seção de pistão em formato de anel 244 são usados para vedação dos gases de combustão de forma estanque a gás do ar comprimido em lados opostos da seção de pistão em formato de anel 244 dentro da câmara de combustão de formato anular de comprimento variável 249.
Uma nota especifica é feita aqui quanto ao termo "GraphAlloy" que tem por significado ser um termo genérico usado no campo para selos de liga de grafita de autolubrificação e não se refere a qualquer termo de marca registrada para qualquer fabricante especifico.
Uma vez que as descrições da câmara de combustão anular arrefecido à água estacionária 250 e do bloco de cabeçote de motor arrefecido à água estacionário 260 são principalmente as mesmas que as descritas anteriormente na primeira modalidade da presente invenção, o texto não é repetido aqui.
Tirantes ou outros meios convencionais são usados para conexão e manutenção dos componentes estacionários da presente invenção em conjunto na direção axial.
A operação do aparelho 10d da quarta modalidade da presente invenção é similar à operação descrita anteriormente em relação à primeira modalidade e, portanto, não será repetida aqui.
A partir do dito acima, é claro que o aparelho 10 em suas várias modalidades caracteriza um eixo de centro a centro estacionário provido pelo menos parcialmente dentro de um pistão anular móvel e compreendendo passagens internas para a provisão de um fluxo de fluido dentro do pistão. Na primeira e na quarta modalidades, o fluxo de fluido foi usado para arrefecimento do pistão, na segunda modalidade o fluxo de fluido foi usado para a produção de ar comprimido e na terceira modalidade o fluxo de fluido foi usado para bombeamento de um liquido. Também conforme descrito, o novo eixo central formando uma passagem interna pode ser adaptado para a produção de um ou de uma pluralidade de ferramentas de flexão diferentes para diferentes finalidades e pode ser configurado para atuar em relação a um motor de combustão convencional para acionamento de uma transmissão mecânica, ou para a produção de energia elétrica (conforme nas figuras 1 a 3), ou para a compressão de fluidos ou qualquer combinação dos mesmos. De fato, as passagens proveem ferramentas de flexão auxiliar e principal similares. Tabela 1: Lista de números de referência
Claims (20)
1. Eixo central (20) para um motor de combustão interna, o motor de combustão interna tendo um pistão anular móvel (40) definindo uma câmara de pistão, o eixo central (20), caracterizadopelo fato de que compreende: pelo menos uma passagem (22, 23, 12, 25, 26) para a provisão de um fluxo de fluido para a câmara de pistão, uma passagem de entrada, uma passagem de saída, uma porção de formação de passagem anular definindo uma passagem anular entre o eixo central (20) e o pistão circundante (40), a passagem anular conectando a passagem de entrada e a passagem de saída, em que o eixo central (20) é configurado para se adaptar de forma deslizante pelo menos parcialmente dentro da câmara de pistão de tal modo que o pistão anular móvel (40) pode deslizar sobre uma superfície externa do eixo central.
2. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o eixo central (20) ser configurado para ser fixado a um bloco de motor.
3. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de o eixo central (20) compreender uma porção de entrada para canalização de um fluxo de fluido para dentro da câmara de pistão e uma porção de saída para canalização do referido fluxo de fluido para o exterior da câmara de pistão.
4. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de o eixo central (20) compreender uma porção de entrada para canalização de um fluxo de fluido para dentro da câmara de pistão e uma porção de saída para canalização do referido fluxo de fluido para o exterior da câmara de pistão.
5. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de a porção de entrada e a porção de saída compreenderem orifícios para a formação de passagens de entrada e de saída (26, 22).
6. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a porção de entrada e a porção de saída compreenderem orifícios para a formação de passagens de entrada e de saída (26, 22).
7. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as passagens de entrada e de saída (26, 22) serem conectadas à passagem anular (12) por aberturas radiais (23, 25), tais como orifícios.
8. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o eixo central (20) compreender pelo menos um selo para formação de um selo estanque a fluido entre o eixo central estacionário (20) e o pistão anular (40) para contenção do líquido de arrefecimento na passagem anular (12).
9. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o selo compreender pelo menos um selo de liga de grafita de autolubrificação (28) para encaixe com o pistão circundante (40).
10. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de o pelo menos um selo compreender primeiro e segundo selos dispostos para fecharem ambas as extremidades da passagem anular (12).
11. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de a porção de formação de passagem anular ser disposta entre uma porção de entrada e uma porção de saída, em que a porção de formação de passagem anular, a porção de entrada e a porção de saída formam três seções lineares com pelo menos dois diâmetros diferentes e paredes externas circulares, onde uma seção média tem o menor diâmetro, uma passagem se estende axialmente através de ambas as seções de extremidade para se atingir o começo da seção média, uma passagem radial na extremidade das passagens de entrada e de saída se comunica com as extremidades da passagem anular para penetração através da superfície externa da seção média de diâmetro menor, e dois selos de liga de grafita de autolubrificação embutidas nas seções de extremidade de diâmetro maior, imediatamente antes do começo da seção média de diâmetro menor, deixando as passagens radiais abertas, e cooperativamente configuradas para se adaptarem de forma estanque a líquido dentro de uma superfície de parede interna circular do pistão anular.
12. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de as passagens de entrada e de saída serem dispostas como passagens axiais paralelas dentro do eixo central.
13. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o eixo central compreender: - duas passagens axialmente através da mesma seção de extremidade do eixo, de modo que uma passagem atinja o começo da seção de diâmetro menor e a outra passagem a extremidade da seção de diâmetro menor, - uma passagem radial na extremidade de ambas as referidas passagens axiais para comunicação com a superfície externa da seção de diâmetro menor, - dois selos de liga de grafita de autolubrificação embutidas nas seções de extremidade de diâmetro maior imediatamente antes de ambas as extremidades da seção de diâmetro menor, deixando as passagens radiais abertas, e cooperativamente configuradas para se adaptarem de forma estanque a fluido dentro da superfície de parede interna circular do pistão de formato anular móvel de atuação dupla do motor de combustão interna.
14. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as passagens formarem um canal de arrefecimento que é adaptado para portar um fluido de arrefecimento para lavagem do pistão anular.
15. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o eixo central (20) compreender passagens de entrada e de saída (193, 197) para a transmissão de fluido para uma câmara de compressão definida pela extremidade terminal do eixo central e por uma superfície interna do pistão anular.
16. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de as passagens de entrada e de saída (193, 197) serem formadas por: - um orifício perfurado axialmente através do eixo central para a formação de uma passagem para pelo menos um de ar, gás e líquido fluir para a câmara de compressão interna formada entre a superfície de extremidade do eixo central e uma superfície interna do pistão anular, e - um outro orifício perfurado axialmente através do eixo central arrefecido à água para a formação de uma passagem para pelo menos um de ar, gás e líquido fluir para fora a partir da câmara de compressão interna formada entre a superfície de extremidade do eixo central e uma superfície interna do pistão anular.
17. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de o eixo central (20) ainda compreender um controlador de fluxo para controlar fluxo do fluido na câmara de compressão para e a partir das passagens de entrada e de saída.
18. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de o controlador de fluxo compreender pelo menos uma de uma válvula de gatilho ou uma válvula de retenção assentadas.
19. Eixo central (20), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a câmara de pistão (40) ser um orifício passante.
20. Motor de combustão interna, que compreende: - um bloco que tem pelo menos uma câmara de combustão anular (49), - um pistão anular (40) com uma câmara central, o pistão (40) sendo configurado para alternar na câmara de combustão (49), e caracterizado pelo fato de um eixo central (20) ser fixado ao referido bloco e configurado para se adaptar pelo menos parcialmente dentro da câmara central do pistão anular (40), o pistão anular compreendendo pelo menos uma passagem configurada para permitir fluxo de fluido para e a partir do pistão anular (40), em que o eixo central compreende uma porção de formação de passagem anular definindo uma passagem anular entre o eixo central (20) e o pistão circundante (40), a passagem anular conectando a passagem de entrada e a passagem de saída.
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