BR112020007391A2 - método em um motor de dois tempos, e, motor de dois tempos - Google Patents

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Abstract

A presente invenção refere-se a um método em um motor de dois tempos que compreende pelo menos um cilindro (1) com um pistão recíproco (2), um espaço de combustão delimitado (5), pelo menos uma porta de saída (7) e uma porta de entrada (9) que são ambas descobertas na posição de ponto morto inferior do pistão, um atuador (8) que ativa uma válvula (17) para abrir e introduzir ar de combustão através de um tubo de entrada (6), um sistema de controle (15) que controla o atuador para abrir a válvula de forma a introduzir ar de combustão através da porta de entrada. A invenção é distinguida pelo fato de que a porta de entrada é fechada pelo pistão após a porta de saída ter sido fechada, portanto, o oposto do que ocorre se comparado com os motores de dois tempos atuais.

Description

MÉTODO EM UM MOTOR DE DOIS TEMPOS, E, MOTOR DE DOIS TEMPOS
[001] A presente invenção refere-se a um método em um motor de dois tempos, e a um motor de dois tempos que opera de acordo com o método.
[002] A presente invenção refere-se a um novo motor de dois tempos que opera como um motor de dois tempos comum no sentido que os gases de escapamento são evacuados antes do ar de combustão e do combustível ser introduzido, mas com a diferença substancial de que a porta de entrada é situada acima da porta de escapamento. Em motores de dois tempos convencionais, a porta de entrada é situada abaixo da porta de escapamento.
FUNDAMENTOS
[003] Um pistão se move entre duas posições de extremidade, um ponto morto superior e um ponto morto inferior. No ponto morto superior, um espaço de compressão transita para um espaço de combustão, cujo espaço é delimitado pelo pistão móvel e pela cabeça de cilindro. O movimento do pistão do ponto morto inferior em direção ao ponto morto superior é chamado de curso de compressão e o movimento subsequente do ponto morto superior em direção ao ponto morto inferior é chamado de curso de expansão ou de trabalho. Após o curso de trabalho, ocorre a troca de gás. Os gases de escapamento são removidos e o novo ar de combustão é introduzido, após o que se segue um novo curso de compressão.. Esse processo de dois tempos é o princípio basilar do motor.
[004] Nos motores de dois tempos atuais, a troca de gás ocorre no fim do curso de trabalho por meio do pistão descobrindo primeiramente uma porta de escapamento, através da qual os gases de escapamento fluem para fora, geralmente de maneira pulsante devido à sobrepressão. Depois disso, uma porta de entrada é descoberta e um novo ar de combustão é introduzido, após o que o curso de compressão se inicia. Uma grande desvantagem é o gás de escapamento impuro, causado pelo ar de combustão com combustível e/ou óleo lubrificante que, até certa medida, flui através da porta de escapamento para a atmosfera circundante. Isso é causado pelo fato de que as portas de entrada e de escapamento estão abertas sobrepondo-se simultaneamente e de que a porta de escapamento é fechada após a porta de entrada.
[005] Usando válvulas livremente controláveis na cabeça de cilindro, válvulas de gatilho como nos motores de quatro tempos atuais, os problemas com gás de escapamento impuro podem ser reduzidos em grande medida. Os motores apresentados nas patentes suecas SES529569 e SES529570 têm válvulas livremente controláveis e ativadas eletromagnética, hidráulica ou pneumaticamente na cabeça de cilindro, destinadas a, dentre outros, alcançar um motor de dois tempos com maior eficiência e gases de escapamento mais limpos. Nessas patentes, a válvula de escapamento deve, a fim de reduzir a descarga de gases de escapamento impuros, abrir para descarregar os gases de escapamento e fechar antes que a válvula de entrada seja aberta e fechada para a entrada de ar de combustão. Dos tipos acima mencionados de válvulas livremente controláveis, as válvulas ativadas pneumaticamente são, até o presente momento, aquelas que podem atingir o menor tempo possível para abrir e fechar uma válvula de motor. No levantamento da válvula de 8 mm, sendo a distância máxima da sede da válvula na cabeça de cilindro até uma válvula totalmente aberta, o tempo mais curto é de 5 ms (a duração em um cilindro comum de 400 cm?), o que significa que o tempo necessário para que a válvula de saída seja aberta até que a válvula de entrada seja fechada é de 10 ms.
[006] Esse tempo não é um problema em baixas velocidades, como por exemplo, 1000 RPM, quando o tempo para uma rotação do motor é de 60 ms, mas quando uma velocidade mais alta é desejada, por exemplo, a partir de 2000 RPM e acima, o tempo para realizar troca de gás é encurtado e, consequentemente, o tempo para compressão diminui e a duração do curso de compactação fica cada vez menor, resultando em uma taxa de compactação reduzida. Em um motor de dois tempos tendo uma velocidade máxima de 3000 RPM (correspondente a uma velocidade máxima normal de 6000 RPM em um motor de quatro tempos), o tempo para uma rotação é de 20 ms. Se metade desse tempo for utilizado para troca de gás, percebe-se que ocorrem problemas, que podem ser resumidos ao fato de que, com pressão constante do ar de carga, e entrada de ar de combustão pressurizado, a taxa de compressão é reduzida com uma resultante redução em eficiência à medida que a velocidade do motor aumenta.
[007] Com portas de entrada e de escapamento no cilindro que são descobertas e fechadas pelo movimento recíproco do pistão, respectivamente, como nos motores de dois tempos atuais, ou no motor de dois tempos de acordo com a presente invenção, não ocorre o dito problema com taxa de compressão reduzida e eficiência reduzida à medida que a velocidade aumenta. Os motores de dois tempos atuais, no entanto, têm problemas relacionados a gás de escapamento impuro, conforme mencionado no segundo parágrafo dos Fundamentos acima, uma vez que as portas de entrada e de escapamento são abertas simultaneamente, e a porta de escapamento fecha após a porta de entrada. Objetivo da invenção
[008] O objetivo da invenção é reduzir o problema com gás de escapamento impuro nos motores de dois tempos atuais. A invenção refere-se a um motor de dois tempos que opera como um motor comum de dois tempos no sentido que os gases de escapamento são evacuados antes da introdução do ar de combustão com ou sem combustível, mas com diferenças substanciais e características, a saber, por um lado, que a porta de entrada está situada acima da porta de escapamento e, por outro lado, que ar de combustão é introduzido após a porta de escapamento ter sido fechada pelo pistão durante o curso de compressão.
[009] Durante o curso de trabalho, o pistão passa primeiro pela porta de entrada que, fora de si mesma, é fechada por uma válvula controlável e, depois, passa pela porta de escapamento pela qual os gases de escapamento são evacuados, e o pistão atinge sua posição de ponto morto inferior. À medida que o pistão segue em direção à sua posição de ponto morto superior, ele passa primeiro pela porta de escapamento, que é consequentemente fechada, após o que o pistão atinge a porta de entrada descoberta. Quando o pistão atinge a porta de entrada, a válvula controlável é aberta e o ar de combustão flui através da válvula controlável e da porta de entrada para o cilindro até que a porta de entrada seja fechada pelo pistão. Desse modo, é iniciada a compressão do ar de combustão introduzido. A taxa de compressão é constante e independente de velocidade, e a duração de abertura da porta é reduzida à medida que a velocidade aumenta.
[0010] Quando o pistão descobre a porta de saída, um pulso de gases de escapamento pressurizados flui através da porta de saída, por meio do que uma pressão negativa é criada, que permanece à medida que o pistão atinge a porta de entrada e o ar de combustão flui para dentro. A pressão negativa aumenta à medida que a velocidade e a carga do motor aumentam, o que promove a adição de novo ar de combustão e, à medida que a velocidade aumenta, compensa um tempo menor para a adição.
[0011] Como as portas de saída e entrada não são abertas simultaneamente, o problema com gás de escapamento impuro, como nos motores de dois tempos atuais, não pode ocorrer. Outro problema com os motores de dois tempos atuais é que os benefícios de uma turbina acionada por escapamento para a produção de ar de carga, ar de combustão pressurizado, é limitado pela sobreposição de portas abertas, enquanto o ar de carga flui para a porta de escapamento ao invés de permanecer no cilindro e aumentar a pressão no mesmo antes que o curso de compressão seja iniciado. A presente invenção também soluciona este problema.
[0012] Na área em torno da posição de ponto morto inferior do pistão, a velocidade do pistão é baixa e, no ponto morto inferior, o pistão fica completamente estacionário por um momento. Isso significa que a área de saída pode ser reduzida em tamanho se comparada aos motores de dois tempos atuais, pois há mais tempo para a evacuação dos gases de escapamento. Se a área de escapamento ainda estiver distribuída por diversas portas de escapamento baixas, o curso de trabalho se tornará mais longo, resultando em uma eficiência aprimorada. Ao realizar a área de escapamento com um arranjo que torna seu tamanho variavelmente ajustável de acordo com as diferentes condições de operação do motor, uma pressão negativa contínua pode ser criada no cilindro causada pela saída pulsante dos gases de escapamento, enquanto a pressão negativa permanece à medida que o escapamento é fechado pelo pistão e, consequentemente, pode ser posta em uso quando a válvula controlável for aberta para a introdução de novo ar de combustão.
[0013] A válvula controlável pode ser ativada pneumática, hidráulica ou eletromagneticamente, onde o último tipo é preferido, pois ar pressurizado ou óleo hidráulico não são necessários, e sim apenas a eletricidade, que está sempre disponível. Além disso, estão disponíveis novas tecnologias para válvulas de motor ativadas eletromagneticamente ou ativadas por solenoide, que resultam na possibilidade de abertura igualmente rápida da válvula, assim como na abertura de válvula ativada pneumaticamente.
[0014] Os objetivos acima descritos com a presente invenção são alcançados pelo escopo de proteção definido pelas reivindicações de patente descritas após a descrição. Descrição das figuras
[0015] A Figura 1 mostra um motor de dois tempos de acordo com a invenção compreendendo pelo menos um cilindro 1 com uma cabeça de cilindro 11, um pistão 2 reciprocando no cilindro, sendo que tal pistão cobre a porta de escapamento 7 quando a porta de entrada 9 é fechada. O curso de combustão e expansão deve ser iniciado. Um volante do motor 3 é montado em um eixo de manivela 4 no qual uma haste de pistão com o dito pistão é disposta de maneira convencional. Um espaço de combustão 5 é disposto entre o pistão e a cabeça de cilindro. O ar de combustão é introduzido no espaço de combustão a partir de um tubo de entrada 6 através de uma válvula controlável 17 que é controlada para ser aberta e fechada por um atuador 8. No eixo de manivela, um sensor ou sonda de eixo de manivela 19 é disposto, cujos sinais são lidos por um sistema de controle de motor 15, que registra a posição do pistão no cilindro e ordena que o atuador abra e feche a dita válvula no momento apropriado. O pistão é mostrado em sua posição de ponto morto superior, onde cobre uma porta de saída 7. No tubo de escapamento, um sensor de oxigênio 22 é disposto, cujos sinais são lidos pelo sistema de controle do motor 15. Usando o detector de oxigênio, a razão entre combustível e ar de combustão pode ser controlada para ser ótima com base no atual sistema de pós-tratamento dos gases de escapamento. Deve-se mencionar que, em alguns casos, o detector de oxigênio não é apropriado, por exemplo, em motores menores, como motosserras, que devem ser leves e operar em marcha lenta ou em aceleração máxima. Qualquer vela de ignição 16 é disposta para motores em que o combustível deve ser inflamado por meio de uma faísca ordenada pelo sistema de controle do motor em um momento ótimo em relação à eficiência do motor. Em aplicações de motores diesel, 16 representa um injetor de combustível diesel. A modalidade mostrada é apropriada também em motores menores, como máquinas de jardinagem, motosserras, motocicletas, dentre outros. Deve-se notar que a figura mostra principalmente o que é necessário para aplicar a invenção.
[0016] A Figura 2 mostra a posição de ponto morto inferior do pistão no cilindro, onde uma porta de escapamento 7 foi descoberta, através da qual os gases de escapamento pressurizados, frequentemente de maneira pulsante,
fluem através da dita porta para um sistema de escapamento. Se houver pressão ambiente no sistema de escapamento e a pressão do cilindro for superior a duas barras à medida que a porta for descoberta, os gases de escapamento fluem inicialmente à velocidade do som, o assim chamado fluxo crítico, e uma pressão negativa a curto prazo é criada no cilindro. Os gases de escapamento podem impulsionar um turbo de escapamento por meio do qual o motor pode ser sobrecarregado, o que normalmente não funciona bem em um motor convencional de dois tempos. Na área em torno da posição de ponto morto inferior do pistão, a velocidade do pistão é baixa e, no dito ponto morto inferior o pistão fica completamente estacionário por um momento. Isso significa que a área de escapamento pode ser reduzida em tamanho se comparada aos motores de dois tempos atuais, pois há mais tempo para a evacuação dos gases de escapamento. Se a área de escapamento ainda estiver distribuída por diversas portas de escapamento baixas, o curso de trabalho se tornará mais longo, resultando em uma eficiência aprimorada.
[0017] A Figura 3 ilustra o pistão assim que fecha a porta de saída 7 e alcançando a porta de entrada descoberta 9 durante o curso de compressão. O sistema de controle do motor ordenou que o atuador 8 abra a válvula 17, através da qual o ar de combustão, com ou sem combustível, é introduzido na câmara de combustão através da porta de entrada. A pressão negativa de curto prazo descrita acima com referência à Figura 2 é usada durante a introdução do ar de combustão. Deve-se mencionar que o espaço fora da porta de entrada 9 com a válvula 17 pode ser incorporado de muitas maneiras diferentes para minimizar o volume fora da porta de entrada.
[0018] A Figura 4 mostra o cilindro de acordo com a Figura 1, em que o pistão fechou a porta de entrada e a compressão do ar de combustão introduzido começou enquanto a válvula controlável ainda estava aberta. Consequentemente, nota-se que o aspecto mais importante da válvula controlável 17 é que ela pode, por meio do atuador 8, ser aberta rapidamente,
a fim de introduzir ar de combustão. O fechamento da porta de entrada ocorre automaticamente por meio do pistão 2.
[0019] A Figura 5 mostra o cilindro de acordo com a Figura 1 durante um curso de compressão.
[0020] A Figura 6 mostra o cilindro de acordo com a Figura 5 com um alongado, assim chamado regulado, tubo de entrada 6, que corresponde aos assim chamados tubos de escapamento regulados. O objetivo é aumentar a massa do ar de combustão introduzido em altas velocidades causada por um pulso amplificado do ar de combustão introduzido por meio de toda a massa de ar no tubo de entrada sendo acionada, o que é alcançado com a pressão negativa existente no cilindro conforme o pistão atinge a porta de entrada e a válvula controlável é aberta. Consequentemente, uma massa maior de ar é introduzida no cilindro em comparação com a massa de ar que seria introduzida no cilindro usando um tubo de entrada curto 6 de acordo com a Figura 5. Se a caixa da manivela for usada para introduzir ar comprimido do cárter no cilindro, um tubo alongado poderá, alternativamente, ser conectado ao cárter para obter um efeito correspondente.
[0021] A Figura 7 destina-se a mostrar a parede do cilindro 30 (pontilhada) com o pistão 2 no ponto morto inferior com uma porta de escapamento 32 completamente descoberta, um tubo de escapamento 34 com um estrangulador de escapamento deslizável 33 com uma abertura 35 para controlar o fluxo de escapamento através da porta de escapamento. O estrangulador de escapamento é controlado pelos meios de controle conectados ao sistema de controle do motor 15 (não mostrado) com base na necessidade atual de torque, nesse caso, torque máximo.
[0022] A Figura 8 mostra a situação na Figura 7 com o estrangulador de escapamento que, por meio do sistema de controle do motor com base na atual necessidade de torque, foi controlado para posicionar a abertura 35 de modo que o possível fluxo de escapamento para o tubo de escapamento seja aproximadamente cortado pela metade.

Claims (3)

REIVINDICAÇÕES
1. Método em um motor de dois tempos compreendendo pelo menos um cilindro (1) com um pistão recíproco (2), um espaço de combustão delimitado (5), pelo menos uma porta de saída (7) e uma porta de entrada (9) disposta acima da porta de saída, sendo que tais portas são ambas descobertas na posição de ponto morto inferior do pistão, um atuador (8) disposto para abrir uma válvula (17) conectada ao mesmo de forma a introduzir ar de combustão no espaço de combustão através de um tubo de entrada (6) e a porta de entrada, um sistema de controle (15) que, após a posição de ponto morto inferior do pistão, ordena o atuador a abrir a válvula, caracterizado pelo fato de que a válvula é aberta em conexão com a porta de saída ser fechada pelo pistão.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a abertura da válvula (17) ocorre em conexão com o pistão alcançar a porta de entrada (7).
3. Motor de dois tempos para realizar o método de acordo com a reivindicação 1, o dito motor compreendendo pelo menos um cilindro (1) e um pistão recíproco (2) no mesmo, que delimita um espaço de combustão (5) que, numa porção inferior do mesmo, é provido com pelo menos uma porta de saída (7) e acima disso é provido com pelo menos uma porta de entrada (9), um atuador (8) para abertura de uma válvula (17) através da qual o ar de combustão é introduzido através de um canal de entrada (6) disposto acima da porta de entrada, um sistema de controle (15) que compreende sensores e software que controla o atuador (8) para abrir e fechar o canal de entrada (6), caracterizado pelo fato de que o pistão (2) forma parte de um arranjo de válvula deslizável que após sua posição de ponto morto inferior alcança a pelo menos uma válvula de entrada após a pelo menos uma válvula de saída (7) ter sido fechada.
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