ES2210541T3 - Motor de combustion interna y ciclo de trabajo mejorados. - Google Patents

Motor de combustion interna y ciclo de trabajo mejorados.

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ES2210541T3
ES2210541T3 ES97928685T ES97928685T ES2210541T3 ES 2210541 T3 ES2210541 T3 ES 2210541T3 ES 97928685 T ES97928685 T ES 97928685T ES 97928685 T ES97928685 T ES 97928685T ES 2210541 T3 ES2210541 T3 ES 2210541T3
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pressure
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Abstract

LA PRESENTE INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO DE EXPLOTACION DEL TRABAJO MECANICO DE UN GAS DE COMBUSTION EN MOTORES DE COMBUSTION INTERNA Y MOTORES ALTERNATIVOS DE COMBUSTION INTERNA (100) DE PUESTA EN PRACTICA DEL PROCEDIMIENTO. EN SUS MODOS DE REALIZACION PREFERIDOS, ESTE PROCEDIMIENTO CONSTA DE LAS ETAPAS QUE CONSISTEN (I) EN PRODUCIR UNA CARGA DE AIRE, (II) EN REGULAR LA TEMPERATURA, LA DENSIDAD Y LA PRESION DE LA CARGA DE AIRE, (III) EN TRANSFERIR LA CARGA DE AIRE HACIA UN CILINDRO GENERADOR (7) DEL MOTOR DE FORMA QUE UNA CARGA DE AIRE, QUE TENGA UNA MASA Y UNA DENSIDAD SELECCIONADAS EN UNA GAMA DE NIVELES DE MASA Y DE DENSIDAD QUE VARIAN DESDE UNA MASA Y DESDE UNA DENSIDAD SUBATMOSFERICA HASTA UNA MASA Y UNA DENSIDAD SUPERIORES A LAS MASAS Y DENSIDADES ATMOSFERICAS, SE INTRODUCE EN EL CILINDRO GENERADOR; Y (IV) EN COMPRIMIR LUEGO LA CARGA DE AIRE CON UNA RELACION DE COMPRESION INFERIOR A LA NORMAL; (V) EN OBTENER UNA MEZCLA COMBUSTIBLE A PARTIR DE UNA CANTIDAD PREDETERMINADA DEAIRE DE CARGA Y DE COMBUSTIBLE; (VI) EN PROVOCAR EL ENCENDIDO DE LA MEZCLA EN EL CILINDRO; (VII) EN DEJAR QUE EL GAS DE COMBUSTION SE EXPANDA CONTRA UN PISTON QUE FUNCIONA EN LOS CILINDROS MOTORES, SIENDO LA RELACION DE EXPANSION DE LOS CILINDROS MOTORES PRACTICAMENTE SUPERIOR A LA RELACION DE COMPRESION DE LOS CILINDROS MOTRICES DEL MOTOR.

Description

Motor de combustión interna y ciclo de trabajo mejorados.
Esta invención se refiere a un procedimiento para obtener trabajo mecánico a partir de la combustión de gas en un motor de combustión interna por medio de un nuevo ciclo de trabajo termodinámico y a motores alternativos de combustión interna para llevar a cabo el procedimiento.
Más aún, se refiere a un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1 y un motor de combustión interna según el preámbulo de la reivindicación 17. Tal procedimiento y motor se conocen del documento US4959961.
Antecedentes de la invención
Es bien sabido que a medida que se incrementa la relación de expansión de un motor de combustión interna, más energía se extrae de los gases de combustión y se convierte en energía cinética, y se incrementa el rendimiento termodinámico del motor. Se entiende, además, que incrementando la densidad de carga de aire se incrementa tanto la potencia como la economía de combustible, debido a mejoras termodinámicas adicionales. Los objetivos para un motor eficiente son proporcionar una carga de alta densidad, comenzar la combustión a máxima densidad y después expandir los gases todo lo posible contra un pistón.
Los motores convencionales tienen las mismas relaciones de compresión y expansión, estando limitada la primera en los motores de encendido por chispa por el octanaje del combustible usado. Además, como en estos motores los gases de explosión sólo pueden expandirse hasta el punto de la relación de compresión del motor, generalmente existe considerable calor y presión en el cilindro de explosión que se vierte a la atmósfera en el momento en que se abre la válvula de escape, lo que tiene como resultado un desperdicio de energía y produce innecesariamente emisiones muy contaminantes.
Se han realizado muchos intentos para reducir la relación de compresión y para extender el proceso de expansión en motores de combustión interna para incrementar su rendimiento termodinámico, siendo el más notable el motor de ciclo "Miller", desarrollado en 1947.
A diferencia de un motor convencional de ciclo de 4 tiempos, donde la relación de compresión iguala a la relación de expansión en cualquier ciclo de combustión dado, el motor de ciclo Miller es una variante, en la que la igualdad se altera intencionadamente. El ciclo Miller usa un compresor auxiliar para suministrar una carga de aire, introduciendo la carga en la carrera de admisión del pistón y luego cerrando la válvula de admisión antes de que el pistón alcance el final de la carrera de admisión. Desde este punto, los gases en el cilindro se expanden hasta el volumen máximo del cilindro y después se comprimen desde ese punto como en el ciclo normal. La relación de compresión se establece entonces por el volumen del cilindro en el punto en el que se cierra la válvula de admisión, dividiéndose por el volumen de la cámara de combustión. En la carrera de compresión, la compresión real no empieza hasta que el pistón alcanza el punto en el que se cerró la válvula de admisión durante la carrera de admisión, produciendo así una relación de compresión inferior a la normal. La relación de expansión se calcula dividiendo la cilindrada del cilindro por el volumen de la cámara de combustión, lo que tiene como resultado una expansión más completa, ya que la relación de expansión es mayor que la relación de compresión del motor.
En el motor de 2 tiempos, el ciclo Miller mantiene abierta la válvula de escape durante aproximadamente el primer 20% de la carrera de compresión, para reducir la relación de compresión del motor. En este caso, la relación de expansión todavía es probablemente inferior a la relación de compresión, ya que la relación de expansión nunca es tan grande como la relación de compresión en los motores convencionales de 2 tiempos.
La ventaja de este ciclo es la posibilidad de obtener un rendimiento superior al que podría obtenerse con una relación de expansión igual a la relación de compresión. La desventaja es que el ciclo Miller tiene una presión efectiva media inferior a la disposición convencional con la misma presión máxima, pero sin mejoras apreciables en las características de emisiones.
El ciclo Miller es práctico para motores que no se hacen funcionar frecuentemente a poca carga, porque en funcionamiento a poca carga la presión media del cilindro durante la carrera de expansión tiende a estar cerca de, o incluso ser inferior a la presión media por fricción. Bajo tales circunstancias, la parte del ciclo de expansión más completa puede suponer una pérdida neta, en lugar de una ganancia de rendimiento.
Este tipo de motor puede usarse para mejorar donde la presión máxima del cilindro está limitada por consideraciones de tensión o detonación y donde se puede permitir un sacrificio de potencia específica para lograr la mejor economía de combustible posible. El ciclo es apropiado sólo para motores que funcionan la mayor parte del tiempo bajo condiciones de rendimiento mecánico elevado, es decir, a velocidades de pistón relativamente bajas y casi a plena carga.
El documento EP0275244 enseña un motor de combustión interna que se sobrealimenta por medio de al menos un turbocompresor accionado por los gases de escape. El motor turbosobrealimentado sólo tiene una válvula de admisión, una válvula de escape y una válvula de control de presión. La válvula de control de presión es una válvula de escape.
El documento US4.759.188 enseña un procedimiento de introducción regulada de aire precomprimido en un cilindro del motor.
El documento US4.959.961 enseña un motor de combustión interna sobrealimentado en el que dos conductos de admisión, cuyos flujos están separados uno de otro, y dos conductos de escape entran en un espacio de combustión de un cilindro, estando asociados un conducto de admisión y un conducto de escape con un turbosobrealimentador de gases de escape. Los lados de admisión y escape conectados al mismo turbosobrealimentador de gases de escape pueden cerrarse cada uno mediante un elemento de cierre. Los conductos de admisión y escape separados pueden cerrarse selectivamente para mejorar el comportamiento del motor.
El documento DE4308354A1 enseña un sistema de admisión que tiene un conducto de recirculación a través del cual se hace recircular dentro del sobrealimentador aire de sobrealimentación descargado de un sobrealimentador, y una válvula de control de recirculación dispuesta en el conducto de recirculación, por la que se abre y se cierra gradualmente el conducto de recirculación a medida que la presión de aire de sobrealimentación aguas abajo del sobrealimentador cambia entre una baja presión especificada, por debajo de la presión atmosférica, y una alta presión especificada, por encima de la presión atmosférica. El sistema de admisión de aire tiene además un conducto de derivación para permitir que el aire evite pasar por un enfriador intermedio, que se abre y se cierra mediante una válvula de control de derivación a una presión especificada intermedia entre las presiones especificadas alta y baja.
El objeto de la presente invención es desarrollar más el procedimiento anteriormente mencionado y el motor de combustión interna anteriormente mencionado de tal manera que se alcanzará un rendimiento superior.
Este objeto se alcanza mediante un procedimiento con las características de la reivindicación de patente 1, así como un motor de combustión interna con las características de la reivindicación de patente 17.
Resumen de la invención
Descrita brevemente, la presente invención comprende un sistema de motor de combustión interna (incluyendo procedimientos y aparatos) según se describe en las reivindicaciones 1 y 17, para gestionar densidades, temperaturas, presiones y turbulencia de carga de combustión para producir un control verdadero dentro del cilindro de trabajo, para incrementar la economía de combustible, la potencia y el par mientras que minimiza las emisiones contaminantes. En sus realizaciones preferidas, el procedimiento incluye las etapas de (I) producir una carga de aire, (II) controlar la temperatura, densidad y presión de la carga de aire, (III) transferir la carga de aire a un cilindro de trabajo del motor, de manera que se introduce en el cilindro de trabajo una carga de aire que tiene un peso y densidad seleccionados de un intervalo de niveles de peso y densidad que varían desde el peso y densidad atmosféricos hasta un peso y densidad más pesados que los atmosféricos, y (IV) comprimir después la carga de aire hasta una relación de compresión inferior a la normal, (V) hacer que una cantidad predeterminada de carga de aire y combustible produzca una mezcla combustible, (VI) hacer que la mezcla se encienda dentro del cilindro de trabajo, y (VII) permitir que el gas de combustión se expanda contra un pistón capaz de funcionar en el cilindro de trabajo, siendo la relación de expansión del cilindro de trabajo considerablemente mayor que la relación de compresión de los cilindros de trabajo del motor. Además de otras ventajas, el procedimiento inventado es capaz de producir presiones efectivas medias ("mep") (en el cilindro) en un intervalo que varía entre inferiores a la normal y superiores a la normal. En las realizaciones preferidas, la presión efectiva media en el cilindro es variable selectivamente (y se varía selectivamente) por todo el intervalo mencionado durante el funcionamiento del motor. En una realización alternativa relacionada con funcionamiento a velocidad constante-carga constante, la presión efectiva media en el cilindro se selecciona del intervalo y el motor se configura, según la presente invención, de manera que la presión efectiva media en el cilindro está limitada, variándose sólo en la cantidad requerida para producir la potencia, par y velocidad del ciclo de trabajo para el que se diseña el motor.
En sus realizaciones preferidas, el aparato de la presente invención proporciona un motor alternativo de combustión interna con al menos un compresor auxiliar para comprimir una carga de aire, un enfriador intermedio a través del cual puede dirigirse el aire comprimido para enfriarse, cilindros de trabajo en los que el gas de combustión se enciende y expande, un pistón capaz de funcionar en cada cilindro de trabajo y conectado a un cigüeñal mediante una articulación de conexión para hacer girar el cigüeñal en respuesta al movimiento alternativo de cada pistón, un conducto de transferencia que comunica la salida del compresor a una válvula de control y al enfriador intermedio, un colector de transferencia que comunica el enfriador intermedio con los cilindros de trabajo a través del cual se transfiere la carga comprimida para entrar en los cilindros de trabajo, una válvula de admisión que controla la admisión de la carga comprimida desde el colector de transferencia hasta dichos cilindros de trabajo, y una válvula de escape que controla la descarga de los gases de escape desde dichos cilindros de trabajo. Para el motor de 4 tiempos de esta invención, las válvulas de admisión de los cilindros de trabajo se regulan para funcionar de manera que la carga de aire que es igual o más pesada de lo normal pueda mantenerse dentro del colector de transferencia cuando se requiera, e introducirse en el cilindro de trabajo durante la carrera de admisión, cerrándose la válvula de admisión en un punto casi antes de la posición del punto muerto inferior del pistón o, alternativamente, cerrándose la válvula de admisión en algún punto durante la carrera de compresión, para proporcionar una baja relación de compresión. En algunos diseños puede abrirse y cerrarse rápidamente otra válvula de admisión después de que el pistón ha alcanzado el punto en el que se cerró la primera válvula de admisión, para inyectar otra carga de aire secundaria a alta presión a temperatura ajustada en un momento tal que la relación de compresión del motor aún será inferior a la relación de expansión, y para que el encendido pueda comenzar a casi máxima densidad de carga. El motor de 2 tiempos de esta invención difiere en que las válvulas de admisión de los cilindros de trabajo se regulan para funcionar de manera que se mantiene una carga de aire dentro del colector de transferencia y se introduce en el cilindro de trabajo durante la carrera (2ª) de barrido-compresión en un momento tal que el cilindro de trabajo ha sido barrido por aire a baja presión y la válvula de escape se ha cerrado, estableciendo que la relación de compresión del motor será inferior a la relación de expansión de los cilindros de trabajo. Se proporcionan medios para hacer que el combustible se mezcle con la carga de aire para producir un gas combustible, las cámaras de combustión de los cilindros de trabajo se dimensionan en relación con el volumen desplazado del cilindro de trabajo, de manera que el gas de combustión que ha explotado pueda expandirse hasta un volumen considerablemente mayor que la relación de compresión del cilindro de trabajo del motor.
Las ventajas principales de la presente invención sobre los motores de combustión interna existentes son que proporciona una relación de compresión inferior a la relación de expansión del motor, y proporciona, selectivamente, una presión efectiva media en el cilindro superior a la de la disposición de motor convencional, con la presión máxima en el cilindro igual o inferior a la de los motores de la técnica anterior.
Esto permite mayor economía de combustible y producción de mayor potencia y par a todas las RPM, con bajas emisiones contaminantes. Debido a que se gestionan densidades, temperaturas y presiones de cargas, el funcionamiento a baja carga es práctico incluso durante períodos prolongados, sin sacrificio de economía de combustible. El nuevo ciclo de trabajo es aplicable a motores de 2 tiempos o 4 tiempos, tanto de encendido por chispa como de encendido por compresión. Para motores de encendido por chispa, el peso de la carga puede incrementarse en gran medida sin los problemas habituales de altas temperaturas y presiones máximas, con el problema habitual que conlleva de detonación de combustión y preencendido. Para motores de encendido por compresión, la carga más pesada, más fría, más turbulenta proporciona baja presión máxima en el cilindro para una relación de expansión dada y permite una relación aire-combustible más rica, de humos limitados, dando potencia incrementada con emisiones inferiores de partículas y NO_{X}. El trabajo de compresión se reduce debido a la transferencia de calor reducida durante el proceso de compresión. Se mejora la durabilidad del motor debido a un ciclo de trabajo total más frío y unos gases de escape más fríos de lo normal. También proporciona un medio de frenado regenerativo para almacenar energía para ciclos de trabajo positivo posteriores sin trabajo de compresión y para potencia transitoria o "instantánea" que incrementa más el rendimiento total del motor.
Todos los objetos, características y ventajas de la presente invención no pueden exponerse brevemente en este resumen, pero se entenderán por referencia a las descripciones siguientes y a los dibujos adjuntos.
Breve descripción de los dibujos
Ahora se describirán realizaciones de motores de combustión interna según la invención, por medio de ejemplo, en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
La Fig. 1 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona según un ciclo de 4 tiempos, y que representa una primera realización del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá un primer procedimiento de funcionamiento. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene un compresor auxiliar, un sistema de enfriamiento y válvulas para controlar presiones, densidad y temperatura de carga.
La Fig. 2 es un dibujo esquemático de un motor de combustión interna de seis cilindros, similar al motor de la Fig. 1, que funciona según un ciclo de 4 tiempos, y que representa una segunda realización del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá un segundo procedimiento de funcionamiento. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene dos compresores, tres enfriadores intermedios, cuatro válvulas de control, recorridos de aire dobles tanto para los compresores primarios como para los auxiliares, colectores dobles y muestra un medio de control de presiones, densidad y temperaturas de carga de aire.
La Fig. 3 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona según un ciclo de 4 tiempos, y que representa una tercera realización del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá un tercer procedimiento de funcionamiento.
La Fig. 4 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona según un ciclo de 4 tiempos, y que representa una cuarta realización del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá un cuarto procedimiento de funcionamiento. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene un compresor auxiliar, con dos conductos de admisión de carga de aire y recorridos de aire de admisión dobles, uno de los cuales es de baja presión y uno de los cuales es de alta presión, y conduciendo ambos al mismo cilindro de trabajo, un sistema de enfriamiento y válvulas para controlar presiones, densidad y temperatura de carga de aire, y un sistema auxiliar de admisión de aire atmosférico.
La Fig. 4-B es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) de un motor similar al motor de la Fig. 4, con la excepción de que sólo existe una admisión de aire atmosférico que suministra carga de aire a los cilindros de trabajo a dos niveles de presión diferentes.
La Fig. 4-C es una vista esquemática de un tubo de escape y un sistema de admisión de aire de un motor que muestra un medio de volver a quemar gases de escape para reducir emisiones contaminantes.
La Fig. 5 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona según un ciclo de 4 tiempos, y que representa una quinta realización del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá un quinto procedimiento de funcionamiento. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene una admisión de aire atmosférico, un compresor auxiliar con dos recorridos de carga de aire, uno de los cuales es de baja presión y que tiene dos recorridos opcionales, y uno de los cuales es de alta presión, conduciendo ambos al mismo cilindro de trabajo, y medios de valvulería de control y enfriadores de aire para variar densidades, presiones y temperaturas de carga en la cámara de combustión del motor.
La Fig. 6 es una vista en corte parcial a través de un cilindro de trabajo del motor de 4 tiempos de la Fig. 4, la Fig. 4-B, la Fig. 5, la Fig. 7 o la Fig. 33 en las válvulas de admisión que muestra un procedimiento alternativo (adaptable a otras realizaciones de la presente invención) de impedir el reflujo de la carga de aire y de ajustar automáticamente la relación de presiones de carga del cilindro durante el proceso de carga de aire.
La Fig. 7 es un dibujo esquemático de un motor de 4 tiempos y seis cilindros que representa otra realización más del aparato de la presente invención, a partir del cual puede realizarse y se describirá otro procedimiento de funcionamiento más, y que representa tres sistemas alternativos (dos en transparencia) de introducir una carga de aire primaria a baja presión. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene tres enfriadores de aire, y colectores dobles y los medios de controlar la temperatura, densidad y presión de la carga mediante un módulo de control del motor y variaciones de valvulería.
La Fig. 8 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros, que funciona según un ciclo de 2 tiempos, y que representa una primera realización de 2 tiempos del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá otro procedimiento de funcionamiento más. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene un compresor primario y uno auxiliar, un sistema de enfriamiento y conductos y válvulas para ajustar densidad, temperatura y presión de carga según la invención.
La Fig. 9 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona en ciclo de 2 tiempos, y que representa una segunda realización de 2 tiempos del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá otro procedimiento de funcionamiento más. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene una admisión de aire atmosférico, un compresor primario y uno auxiliar, con dos recorridos de carga de aire, uno de los cuales es de baja presión, que tiene recorridos alternativos, y uno de los cuales es de alta presión, y conduciendo ambos al mismo cilindro de trabajo, y valvulería de control y enfriadores de aire para variar densidades, presiones y temperaturas de carga en la cámara de combustión del motor.
La Fig. 9-B es un dibujo esquemático de un motor de 2 tiempos y seis cilindros que representa otra realización más del aparato de la presente invención, a partir del cual puede realizarse y se describirá otro procedimiento de funcionamiento más, y que representa dos sistemas alternativos (uno en transparencia) de introducir una carga de aire primaria a baja presión. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene tres enfriadores de aire y colectores dobles y los medios de controlar la temperatura, densidad y presión de la carga mediante un módulo de control de motor y mediante variaciones de valvulería.
La Fig. 10 es una vista en corte parcial a través de un cilindro de trabajo del motor de 2 tiempos de la Fig. 9, en las válvulas de admisión, que muestra un procedimiento alternativo (adaptable a otras realizaciones de la presente invención) de impedir el reflujo de la carga de aire durante la carga de aire a alta presión, y que muestra una válvula equilibrada de presión que tiene un sistema de enfriamiento de aceite bombeado/aire.
La Fig. 11 es una vista en perspectiva (con partes en sección transversal) del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona según un ciclo de 2 tiempos, y que representa una tercera realización de 2 tiempos del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá otro procedimiento de funcionamiento más. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene un compresor primario y uno auxiliar, un sistema de enfriamiento y conductos y válvulas para ajustar densidad, temperatura y presión de carga, y que tiene un solo conducto de admisión de aire para cada cilindro de trabajo con al menos dos válvulas de admisión dispuestas de tal manera que una válvula de admisión puede funcionar con reglaje independiente de la otra válvula de admisión.
La Fig. 12 es un diagrama presión-volumen que compara el ciclo del motor de esta invención con el de un motor diesel rápido.
La Fig. 13 es un gráfico que muestra mejoras posibles en el motor de esta invención en relaciones de compresión efectiva, temperaturas y presiones máximas, densidades de carga y relaciones de expansión, en comparación con un motor diesel conocido, de 2 tiempos, de uso industrial.
La Fig. 14 es un gráfico que muestra mejoras posibles en el motor de esta invención en relaciones de compresión efectiva, temperaturas y presiones máximas, densidades de carga y relaciones de expansión, en comparación con un motor diesel conocido de 4 tiempos de uso industrial.
La Fig. 15 es un dibujo esquemático de parámetros de funcionamiento sugeridos para el funcionamiento de los motores, tanto de 2 como de 4 tiempos, de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10, que muestra enfriadores intermedios dobles para el compresor principal, un enfriador intermedio único para un compresor secundario y un sistema de control y válvulas para seleccionar diferentes recorridos de carga de aire para operaciones con poca carga, y que representa (uno en transparencia) dos sistemas alternativos de introducir una carga de aire primaria a baja presión.
La Fig. 16 muestra posiciones sugeridas de válvulas para suministrar a los colectores 13 y 14 una carga de aire óptima para funcionamiento a media carga para los motores de las Figs 5-7 las Figs. 9-10. Para funcionamiento a media carga, la válvula obturadora 5 del compresor 2 estaría cerrada y la válvula de derivación de aire 6 estaría abierta para pasar la carga de aire sin enfriar sin compresión a la admisión del compresor 1, donde la válvula obturadora cerrada 3 y la válvula de derivación de aire cerrada 4 dirigen la carga de aire, ahora comprimida por el compresor 1, por los enfriadores intermedios hasta los colectores 13 y 14 con el aire comprimido y calentado por el compresor 1, para funcionamiento a media carga.
La Fig. 17 muestra una situación sugerida para proveer a los motores de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10 con una carga de aire de alta densidad para funcionamiento de uso industrial, de gran potencia de salida. La Fig. 17 muestra todas las válvulas obturadoras 5 y 3 y todas las válvulas de derivación de aire 6 y 4 completamente cerradas, de manera que la etapa de compresión primaria está operativa y una segunda etapa de compresión está operativa, y toda la carga de aire, con la excepción de algún conducto de paso 32 hacia la válvula de admisión 16-B, se pasa por los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para producir una carga de aire de muy alta densidad a los colectores 13 y 14 y a los cilindros de trabajo de los motores para funcionamiento a gran carga.
La Fig. 18 muestra un dibujo esquemático que representa cualquiera de los motores de las Figs. 3-11, que representa un tipo alternativo de compresor auxiliar 2' y un sistema de proporcionar un medio para desactivar o desconectar el compresor auxiliar cuando no se necesita alta presión ni densidad de carga. Para descargar de trabajo al compresor 2' se cierra la válvula obturadora 5 y se abre la válvula de derivación de aire, de manera que el aire bombeado a través del compresor 2' puede recircular a través del compresor 2' sin requerir trabajo de compresión.
La Fig. 19 es un dibujo esquemático que representa los motores mostrados en las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10, y que tiene dos compresores y un enfriador intermedio para una etapa de compresión, enfriadores intermedios dobles para una segunda etapa de compresión, colectores dobles, cuatro válvulas y un módulo de control del motor (ECM), y que ilustra medios de controlar la densidad, presión y temperatura de carga de aire variando direcciones y cantidades de flujo de aire a través de las diversas válvulas electrónicas o de funcionamiento por vacío y sus conductos.
La Fig. 20 es un dibujo esquemático que muestra el accionamiento opcional por motor eléctrico de los compresores de aire de los motores de las Figs. 1 a 11.
La Fig. 21 es una vista en corte transversal esquemática de una cámara de precombustión, una cámara de combustión y conductos de admisión de combustible asociados y valvulería sugerida para funcionamiento con combustible gaseoso o líquido para los motores de esta invención o para cualquier otro motor de combustión interna.
La Fig. 22 es una vista en corte parcial por un cilindro de un motor que muestra una construcción alternativa por la cual se suministran dos carreras de expansión cada revolución del eje para un motor de 2 tiempos y una carrera de expansión cada revolución del eje para un motor de 4 tiempos, que tiene un brazo que pivota sobre su extremo inferior, una biela que se une al punto medio del brazo y se monta en el cigüeñal del motor, y por la cual se proporciona un medio para variar a voluntad la relación de compresión del motor.
La Fig. 23 es una vista en corte parcial por un cilindro de un motor que muestra una construcción alternativa por la cual se suministran dos carreras de expansión cada revolución del cigüeñal para un motor de 2 tiempos y una carrera de expansión cada revolución del eje para un motor de 4 tiempos, y por la cual el brazo que conecta la biela y el pistón pivota en un punto entre el pistón y la biela del pistón, cuya biela se conecta al cigüeñal del motor, y un medio preferido alternativo de toma de fuerza del pistón mediante una disposición convencional de vástago de pistón, pie de biela y biela.
La Fig. 24 es una vista en corte parcial por un cilindro de un motor que muestra un medio de proporcionar tiempo de combustión adicional cada carrera de expansión en un motor de 2 tiempos o de 4 tiempos.
La Fig. 25 es una vista en perspectiva del bloque de cilindros y la culata de un motor de combustión interna de seis cilindros que funciona según un ciclo de 2 tiempos y que representa otra realización más del aparato de la presente invención a partir del cual puede realizarse y se describirá otro procedimiento de funcionamiento más. Entre sus otros componentes, se ve que esta realización tiene lumbreras de barrido en el fondo de las camisas de los pistones y tiene un compresor primario y uno auxiliar, un sistema de enfriamiento, válvulas y conductos para controlar la presión, densidad y temperatura de la carga de aire, y válvulas y conductos para suministrar aire de barrido a los cilindros.
La Fig. 26 es un dibujo esquemático de un motor similar al motor de la Fig. 25 que muestra un enfriador intermedio para una etapa de compresión opcional, enfriadores intermedios dobles para una etapa de compresión primaria y que muestra un sistema de control (incluyendo el módulo de control del motor (ECM) y valvulería) para controlar densidad, peso, temperatura y presión de carga de aire controlando direcciones y cantidades de flujo de aire a través de las diversas válvulas, conductos y una válvula reguladora opcional, y que muestra dos recorridos opcionales para suministrar aire de barrido a las lumbreras de barrido en el fondo de los cilindros, y recorridos alternativos para que los gases de escape salgan del motor.
Las Figs. 27 a 30 son dibujos esquemáticos del motor de la Fig. 25 y la Fig. 26 que muestran cuatro procedimientos alternativos sugeridos para barrido eficaz de los motores. La Fig. 27 y la Fig. 28 también muestran un dibujo esquemático para un módulo de control del motor (ECM) y valvulería para controlar la carga de aire y aire de barrido a una presión, densidad y temperatura consideradas apropiadas para cada uno.
La Fig. 31 es un dibujo esquemático que muestra el accionamiento sugerido por motor eléctrico opcional para los compresores de aire del motor.
La Fig. 32 es un dibujo esquemático del motor de 2 tiempos de la Fig. 25 y la Fig. 26, que sólo tiene un compresor para suministrar tanto carga de aire como aire de barrido, y que muestra un sistema de control y medios de control de carga y aire de barrido a una presión, densidad y temperatura consideradas apropiadas para cada uno, y que muestra medios de canalizar el aire a través de diferentes recorridos para el mismo propósito.
La Fig. 33 es una vista en corte transversal esquemática por un motor de seis cilindros que tiene dos cilindros compresores, cuatro cilindros de trabajo, un sobrealimentador, cinco válvulas reguladoras, y que muestra un módulo de control del motor (ECM) para controlar temperaturas, densidad y peso de carga, y adoptado para almacenamiento de aire comprimido, comprimido mediante frenado regenerativo, o para almacenamiento de aire purgado producido en algunos procesos industriales, en cualquiera de los motores de esta invención.
La Fig. 34 es un dibujo esquemático que representa cualquiera de los motores de la presente invención y que muestra una realización alternativa que incluye un compresor de aire separado accionado eléctricamente y, alternativamente, un conducto de admisión que conduce desde un suministro de aire comprimido residual o "purgado" para suministrar carga de aire al motor (o a una pluralidad de motores), por lo cual se elimina la necesidad de compresores accionados por el motor.
La Fig. 35 es un dibujo esquemático que representa cualquiera de los motores de la presente invención, representado en una realización alternativa que se configura para funcionar como un motor de carga constante y velocidad constante. Esta realización de motor de carga constante y velocidad constante de la presente invención se muestra incluyendo tanto un compresor primario como uno auxiliar con enfriadores intermedios opcionales para proporcionar dos etapas de carga de aire precomprimido, opcionalmente enfriado en los enfriadores intermedios o comprimido adiabáticamente.
La Fig. 36 es un dibujo esquemático que representa cualquiera de los motores de la presente invención, y que representa un motor de carga constante y velocidad constante según una realización alternativa de la presente invención en la que hay provisto un solo compresor con enfriadores intermedios opcionales para proporcionar una sola etapa de carga de aire precomprimido, opcionalmente enfriado en los enfriadores intermedios o comprimido adiabáticamente.
Descripción detallada de los dibujos
Se describen, en relación más detallada ahora con los dibujos, una pluralidad de realizaciones preferidas alternativas de los aparatos del Motor de Combustión Interna Mejorado 100 de la presente invención. Componentes iguales se representarán por números iguales a lo largo de las diversas vistas; y, en algunas pero no en todas las circunstancias, cuando el redactor pudiera considerar necesario (debido al gran número de realizaciones), componentes similares pero alternativos se representarán por números con índice (por ejemplo, 100'). Cuando existe una pluralidad de componentes similares, en la presente memoria se hace referencia frecuentemente a la pluralidad (por ejemplo, seis cilindros 7a-7f), aun cuando en el dibujo no sean visibles todos los componentes. También, componentes que son comunes entre múltiples cilindros a veces se escriben únicamente en relación con el número común, por facilidad de redacción; por ejemplo, pistón 22a-22f => pistón 22. En un esfuerzo por facilitar la comprensión de la pluralidad de realizaciones (pero no para limitar la descripción), algunas, pero no todas las secciones de esta Descripción Detallada se subtitulan para hacer referencia al sistema o subsistema detallado en el asunto.
El sistema inventado de la presente invención se presenta mejor, quizá, por relación con el procedimiento(s) de gestión de densidades, temperaturas, presiones y turbulencia de carga de combustión; y la siguiente descripción trata de describir los procedimientos preferidos de la presente invención por asociación con y en conjunción con aparatos configurados para y hechos funcionar según los procedimientos preferidos alternativos.
Algunos, pero no necesariamente todos los componentes del sistema que son comunes a dos o más realizaciones de las representadas en la presente memoria, incluyen un cigüeñal 20, en el cual se montan bielas 19a-19f, en cada una de las cuales se monta un pistón 22a-22f; desplazándose cada pistón dentro de un cilindro de trabajo 7a-7f; siendo introducido el aire en los cilindros a través de lumbreras de admisión controladas por válvulas de admisión 16, y siendo expulsado el aire de los cilindros a través de lumbreras de escape controladas por válvulas de escape 17. A continuación se expresan la interacción, modificación y funcionamiento de estos y otros componentes tales como se consideran necesarios para una comprensión de las diversas realizaciones de la presente invención.
El motor 100^{1} de la Fig. 1
Haciendo referencia ahora a la Fig. 1, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{1} en el que todos los cilindros 7a-7f (de los cuales se muestra sólo uno en una vista en corte) y pistones asociados 22a-22f funcionan según un ciclo de 4 tiempos y todos los cilindros de trabajo se usan para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Un compresor auxiliar 2 (representado en la presente memoria como un compresor rotativo Lysholm) suministra de manera seleccionable aire que se ha comprimido, o permite la descarga de aire a través del mismo a presión atmosférica, a los colectores 13 y 14 y a los cilindros 7a-7f, que funcionan según un ciclo de 4 tiempos. Las válvulas 3, 5 y 6 y los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 se usan, en las realizaciones preferidas, para controlar densidad, peso, temperatura y presión de carga de aire. Las válvulas de admisión 16a-16f, 16a'-16f se regulan para controlar la relación de compresión del motor 100^{1}. Las cámaras de combustión se dimensionan para establecer la relación de expansión del motor.
Los motores 100^{1} - 100^{5}, 100^{7} de la Fig. 1, la Fig. 2, la Fig. 3, la Fig. 4, la Fig. 5 y la Fig. 7, respectivamente, tienen árboles de levas equipados con levas y se disponen para ser accionados a la mitad de la velocidad del cigüeñal, para suministrar una carrera de trabajo por cada dos revoluciones del cigüeñal, para cada pistón de trabajo. Los compresores rotativos 2 de la Fig. 1, la Fig. 2, la Fig. 3, la Fig. 4, la Fig. 4-B, la Fig. 5, la Fig. 7 y la Fig. 33 pueden accionarse mediante una correa trapezoidal acanalada y tendrían un engranaje multiplicador entre la polea trapezoidal y el eje motor del compresor; los compresores rotativos también pueden estar equipados con un engranaje multiplicador de velocidad variable, como en algunos motores de aviación. Se muestra el compresor alternativo 1 de la Fig. 3 con cilindros de doble efecto unidos al cigüeñal 20 mediante una biela 19g; y el cigüeñal 20 al que se une mediante la biela 19g suministraría dos carreras motrices por cada revolución del cigüeñal 20. En un procedimiento alternativo, el compresor alternativo 1 se mueve mediante la biela 19g, que se conecta a un cigüeñal corto por encima del cigüeñal principal 20 al que se engranaría el cigüeñal auxiliar (no mostrado) mediante un engranaje multiplicador para proporcionar más de dos carreras motrices por revolución del cigüeñal principal 20. Alternativamente, el sistema compresor puede tener múltiples etapas de compresión para los compresores rotativos o alternativos. Mientras que el compresor auxiliar 1 y el segundo compresor auxiliar 2 de las diversas realizaciones se representan en todas ellas como un compresor alternativo o como un compresor rotativo; se observa que la invención no está limitada por el tipo de compresor usado para cada una, y los compresores representados pueden intercambiarse, o pueden ser los mismos, o pueden ser otros tipos de compresores que realicen las funciones descritas en la presente memoria.
El motor 100^{1} mostrado en la Fig. 1 se caracteriza por un proceso de expansión más extenso, una baja relación de compresión y la capacidad de producir una carga de combustión que varía en peso desde más ligera de lo normal a más pesada de lo normal, y capaz de proporcionar, selectivamente, una presión efectiva media en el cilindro superior a la que puede la disposición convencional de motores normales, pero capaz de tener una presión máxima en el cilindro inferior en comparación con motores convencionales. Un módulo de control del motor (ECM) (no mostrado en la Fig. 1) y válvulas variables 3, 5 y 6 en conductos, según se muestra, proporcionan un sistema para controlar la densidad, presión, temperatura de carga, y la presión media y máxima dentro del cilindro que permite mayor economía de combustible, producción de mayor par y potencia a bajas RPM, con bajas emisiones contaminantes tanto para motores de encendido por chispa como por compresión. En realizaciones alternativas, puede usarse un sistema de reglaje de válvulas variable y, con un sistema de control como un ECM, se puede controlar el tiempo de apertura y el tiempo de cierre de las válvulas de admisión 16 y 16' para proporcionar además una gestión mejorada de condiciones en las cámaras de combustión de los cilindros 7a-7f del motor 100^{1}, para asegurar una curva de par más plana y potencia superior, cuando se necesite, y con bajos niveles tanto de consumo de combustible como de emisiones contaminantes.
Breve descripción del funcionamiento del motor 100^{1} mostrado en la Fig. 1
El motor 100^{1} de esta invención mostrado en la Fig. 1 es un motor de gran rendimiento que alcanza tanto gran potencia y par con bajo consumo de combustible como bajas emisiones contaminantes. El nuevo ciclo de trabajo es un ciclo de combustión de tipo de compresión externa. En este ciclo, parte del aire de admisión (todo el cual se comprime en los cilindros de trabajo en motores convencionales) se comprime selectivamente mediante al menos un compresor auxiliar 2. La elevación de temperatura durante la compresión puede suprimirse mediante el uso de enfriadores de aire 10, 11, 12 que enfrían el aire de admisión, y mediante una carrera de compresión más corta.
Un procedimiento de funcionamiento preferido, sugerido, del motor de nuevo ciclo 100^{1}es de esta manera:
1.
Dependiendo de los requisitos de potencia del motor (por ejemplo, diferentes requisitos de carga) se introduce en el cilindro de trabajo 7, mediante la carrera de admisión del pistón 22, aire de admisión a presión atmosférica o aire de admisión que se ha comprimido por al menos un compresor auxiliar 2 y con su temperatura y presión controladas por sistemas de derivación y enfriadores de carga de aire.
2.
(a) Después de que la carrera de admisión está completa, la válvula de admisión 16 (que puede ser simple o múltiple, 16, 16') se deja abierta durante un periodo de tiempo después de que el pistón 22 ha pasado el punto muerto inferior, que bombea parte de la carga de aire puro de vuelta al colector de admisión 13, 14. Luego se cierra la válvula de admisión 16, 16', en un punto cuya acción cierra herméticamente el cilindro 7, estableciendo así la relación de compresión del motor.
(b) Alternativamente, la válvula de admisión 16, 16' se cierra antes, durante la carrera de admisión, antes de que el pistón 22 haya alcanzado el punto muerto inferior. La carga de aire atrapada se expande luego hasta el volumen total del cilindro 7 y la compresión de la carga comienza cuando el pistón 22 vuelve al punto en la carrera de compresión en el que se cierra la válvula de admisión 16, 16'.
3.
(a) Durante la carrera de compresión del pistón 22, en el punto en que se cierra la válvula de admisión 16, en el funcionamiento 2(a) o en 2(b), comienza la compresión, produciendo una pequeña relación de compresión. Esto hace posible limitar la elevación de temperatura durante la carrera de compresión.
(b) Durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, la válvula obturadora 5 está cerrada y la válvula de derivación de aire (ABV) 6 para el compresor está preferiblemente abierta, de manera que el aire de admisión es devuelto sin comprimirse al conducto de admisión 8 del compresor 2. La válvula obturadora 3 puede, entonces, dirigir la carga de aire alrededor o a través de los enfriadores intermedios 11 y 12. Durante este tiempo, los pistones 22a-22f del motor están introduciendo aire aspirado naturalmente a través del compresor 2. Esto reduce el trabajo de accionamiento del compresor y mejora la economía de combustible.
(c) Cuando se requiere más potencia, la densidad y presión de carga puede incrementarse cerrando la válvula de derivación de aire (ABV) 6, que hace que el compresor 2 eleve la presión de aire y, alternativamente, esto puede lograrse introduciendo una segunda etapa de compresión mediante el compresor 1, como se muestra en la Fig. 2, o incrementando la velocidad del compresor 2. Al mismo tiempo, las válvulas de control 5 y 3, preferiblemente, dirigen algo o toda la carga de aire a través de uno o más enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para incrementar la densidad de carga de aire.
4.
La compresión continúa, se añade combustible, si no estaba ya presente, la carga se enciende y la combustión produce una gran expansión de los gases contra el pistón 22, produciendo gran energía en cualquier modo, 3(a), (b) o (c). Esta energía produce una alta presión efectiva media en el cilindro y se convierte en gran par y potencia, especialmente en el modo (c).
Descripción detallada del funcionamiento del motor 100^{1} de la Fig. 1
Durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22 el aire circula a través de los conductos de aire 15 desde un colector de aire 13 ó 14, aire que está (dependiendo de los requisitos de potencia) a presión atmosférica o se ha comprimido hasta una presión superior mediante el compresor 2, a través de la válvula de admisión 16 al cilindro 7. Durante la carrera de admisión del pistón 22, la válvula de admisión 16 se cierra antes (en el punto x). Desde este punto, el contenido del cilindro 7 se expande hasta el volumen máximo del cilindro. Después, durante la carrera de compresión (2ª), no tiene lugar compresión hasta que el pistón 22 ha vuelto al punto x donde la válvula de admisión 16 se cerró durante la carrera de admisión. (En el punto x, el volumen desplazado del cilindro que queda se divide por el volumen de la cámara de combustión, para establecer la relación de compresión del motor). Alternativamente, durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22, la válvula de admisión 16 se mantiene abierta durante la carrera de admisión y más allá de la posición del pistón del punto muerto inferior, y durante parte de la carrera de compresión (2ª) durante una distancia significativa, el 10% o, quizá, hasta el 50% o más de la carrera de compresión, bombeando así algo de la carga de aire de vuelta al colector de admisión 13 ó 14, y la válvula de admisión 16 se cierra entonces para establecer una baja relación de compresión en los cilindros del motor. En el momento del cierre de la válvula de admisión 16, la densidad, temperatura y presión del cilindro estarán en igualdad aproximada con el contenido del colector 13 ó 14.
Durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, las válvulas obturadoras 5 y 3 están cerradas cierran y la válvula de derivación de aire (ABV) 6 para el compresor está preferiblemente abierta, de manera que el aire de admisión es devuelto sin comprimirse al conducto de admisión 8 del compresor 2. Durante este tiempo, los pistones 22a-22f del motor están introduciendo aire aspirado naturalmente a través del compresor 2. Esto reduce el trabajo de accionamiento del compresor y mejora la economía de combustible.
Cuando se necesitan par y potencia medios, como en conducción por carretera o en generación de energía eléctrica media, preferiblemente la válvula obturadora 5 al compresor 2 está cerrada y también está cerrada la válvula de derivación de aire (ABV) 6. Esto hace que el aire de admisión a presión atmosférica deje de recircular a través del compresor 2 y el compresor 2 comienza a comprimir la carga de aire a una presión superior a la atmosférica, mientras que las válvulas obturadoras cerradas 5 y 3 dirigen la carga de aire a través de los conductos 104, 110, 111 y 121/122 derivando los enfriadores de aire 10, 11 y 12, yendo la carga de aire directamente a los colectores 13 y 14 hacia los cilindros de trabajo 7a-7f, donde la carga más densa, pero caliente, incrementa la presión efectiva media en el cilindro del motor para producir mayor par.
Cuando se necesita más potencia, como cuando se necesita aceleración rápida o para generación de energía eléctrica para gran carga, se cierra preferiblemente la válvula de derivación de aire (ABV) 6 está cerrada y la válvula obturadora 3 ó 5, o ambas, están abiertas. Esto hace que el compresor 2 comprima toda la carga de aire. Luego, las válvulas obturadora 3 ó 5, o ambas, suministran (dependiendo de las condiciones respectivas abierta/cerrada de las válvulas 3 y 5) la carga de aire acondicionado a través de los conductos 105 ó 104, hacia el conducto 110, y luego a través de los conductos 111 ó 112 hacia los colectores 13, 14 y hacia los cilindros 7a-7f por uno, dos o los tres enfriadores de carga 10, 11 y 12. La carga de aire enfriado muy densa, cuando se mezcla con combustible y se enciende y expande más allá de la relación de compresión del motor, produce gran par y potencia.
Cuando se necesita mayor potencia, la densidad y peso de carga de aire pueden incrementarse incrementando la velocidad del compresor 2 o conectando un segundo compresor, como en la Fig. 2, para una segunda etapa de precompresión. Esto puede realizarse mediante el módulo de control del motor 27 que envía una señal a la válvula de derivación de aire (ABV) 6, Fig. 2, para cerrarse para impedir la recirculación de parte del aire de admisión en el conducto 103, lo que anula, selectivamente, cualquier segunda etapa de compresión durante el funcionamiento a poca carga. En el momento en que se incrementa la densidad y presión del aire, las válvulas obturadoras 3 y 5 pueden dirigir parte de toda la carga de aire a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para condensar la carga y disminuir el incremento en la temperatura y presión de la carga, logradas las dos cosas por el enfriamiento de la carga. Esto incrementa la presión efectiva media en el cilindro durante la combustión para gran par y potencia.
Cuanto más pesado el peso de la carga de aire y más densa la carga, más pronto puede cerrarse la válvula de admisión en la carrera de admisión (o más tarde en la carrera de compresión) para establecer una baja relación de compresión y conservar potencia, y menos calor y presión se desarrollan durante la compresión en el cilindro. En este motor de 4 tiempos, la carga de admisión puede aumentarse de presión aproximadamente tanto como 4-5 atmósferas y, si la relación de compresión es suficientemente baja, es decir 4:1 a 8:1 (superior para combustible diesel), no habría problema con la detonación incluso en los de encendido por chispa. La relación de expansión aún debería ser grande, 14:1 sería una relación de expansión preferida para encendido por chispa, quizá 19:1 para funcionamiento diesel.
La relación de compresión se establece por el volumen desplazado del cilindro 7 que queda después de que se ha alcanzado el punto x en la carrera de compresión (y se cierra la válvula de admisión 16) que se divide por el volumen de la cámara de combustión. La relación de expansión en todos los casos es mayor que la relación de compresión. La relación de expansión se establece dividiendo el volumen total desplazado del cilindro por el volumen de la cámara de combustión.
El combustible puede carburarse o puede inyectarse en un cuerpo del regulador 56 (visto en la Fig. 16), o el combustible puede inyectarse dentro de la corriente de aire de admisión, inyectarse dentro de una cámara de precombustión (Fig. 21) o inyectarse a través de la válvula de admisión 16, o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión. Si se inyecta, debería ser cuando o después de que el pistón 22 haya alcanzado el punto x y la válvula de admisión esté cerrada. El combustible también puede inyectarse más tarde, similar al funcionamiento diesel, y puede inyectarse en el punto usual para inyección de gasoil, quizá dentro de una cámara de precombustión, o directamente dentro de la cámara de combustión o directamente sobre una bujía incandescente. Puede inyectarse algo de combustible después del punto muerto superior, incluso continuamente durante la primera parte de la carrera de expansión para un proceso de combustión a presión constante en su mayor parte.
El encendido puede ser por compresión (que puede estar asistida por una bujía incandescente) o por chispa eléctrica. El encendido por chispa puede tener lugar antes del punto muerto superior, como normalmente se realiza, en el punto muerto superior o después del punto muerto superior.
La carga aire-combustible se enciende en un momento oportuno y los gases se expanden contra el pistón durante la carrera de trabajo (3ª). Cerca del punto muerto inferior, en el momento oportuno, la válvula(s) de escape 17 se abre y el pistón 22 sube en la carrera de barrido (4ª), barriendo eficazmente el cilindro por desplazamiento positivo, después de lo cual se cierra la válvula(s) de escape 17.
Esto completa un ciclo del motor de 4 tiempos.
El motor 100^{2} de la Fig. 2
Haciendo referencia ahora a la Fig. 2, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{2} en el que todos los cilindros 7a-7f (de los cuales sólo se muestran dos, 7a, 7f, en un dibujo esquemático) y pistones asociados 22a-22f funcionan según un ciclo de 4 tiempos y todos los cilindros de trabajo se usan para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Un compresor auxiliar 2 (representado en la presente memoria como un compresor rotativo) suministra aire que se ha comprimido, o permite la descarga de aire a través del mismo a presión atmosférica, a los colectores 13 y 14 y a los cilindros 7a-7f, que funcionan según un ciclo de 4 tiempos. Se usa un segundo compresor auxiliar 1, selectivamente, para aumentar la presión de aire hacia el compresor 2. Las válvulas 3, 4, 5 y 6 y los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 se usan, en las realizaciones preferidas, para controlar densidad, peso, temperatura y presión de carga de aire. Las válvulas de admisión 16a-16f se regulan para controlar la relación de compresión del motor 100^{2}. Las cámaras de combustión se dimensionan para establecer la relación de expansión del motor.
Se coloca una válvula de control proporcional 201 en el conducto de admisión 8 para limitar proporcionalmente el flujo de aire que pasa a través del conducto de admisión 8 por una cantidad que cause la introducción de gases de escape a través de la lumbrera 204 en la pared del conducto de admisión 8. Estos gases de escape vienen del conducto de escape 18 a través de la lumbrera de escape 206 y el conducto 202. El propósito de esta característica es introducir y mezclar gases de escape en la admisión de aire puro, viniendo el aire puro a través del conducto de admisión 8, para reducir emisiones contaminantes. Los gases de escape introducidos se enfrían mediante aletas de enfriamiento 202b colocadas en el conducto 202.
El motor 100^{2} mostrado en la Fig. 2 se caracteriza por un proceso de expansión más extenso, una baja relación de compresión y la capacidad de producir una carga de combustión que varía en peso desde más ligera de lo normal a más pesada de lo normal, y capaz de proporcionar selectivamente una presión efectiva media en el cilindro superior a la que puede la disposición convencional de motores normales, pero que tiene una presión máxima en el cilindro similar o inferior en comparación con motores convencionales. Un módulo de control del motor (ECM) 27 y válvulas variables 3, 4, 5 y 6 en conductos, según se muestra, proporcionan un sistema para controlar la densidad, presión, temperatura de carga, y la presión media y máxima dentro del cilindro que permite mayor economía de combustible, producción de mayor par y potencia a bajas RPM, con bajas emisiones contaminantes tanto para motores de encendido por chispa como por compresión. En realizaciones alternativas, puede usarse un sistema de reglaje de válvulas variable y, con un sistema de control como un módulo de control del motor (ECM) 27, puede controlar el tiempo de apertura y el tiempo de cierre de las válvulas de admisión 16 para proporcionar además una gestión mejorada de condiciones en las cámaras de combustión de los cilindros 7a-7f del motor 100^{2}, para asegurar una curva de par más plana y potencia superior, y con bajos niveles tanto de consumo de combustible como de emisiones contaminantes.
Breve descripción del funcionamiento del motor 100^{2} de la Fig. 2
El motor 100^{2} de esta invención mostrado en la Fig. 2 es un motor de gran rendimiento que alcanza tanto gran potencia y par con bajo consumo de combustible como bajas emisiones contaminantes. El nuevo ciclo de trabajo es un ciclo de combustión de tipo de compresión externa. En este ciclo, parte del aire de admisión (todo el cual se comprime en los cilindros de trabajo en motores convencionales) se comprime selectivamente mediante al menos un compresor auxiliar 1, 2. La elevación de temperatura durante la compresión puede suprimirse mediante el uso de enfriadores de aire 10, 11, 12, que enfrían el aire de admisión, y mediante una carrera de compresión más corta.
Un procedimiento de funcionamiento preferido, sugerido, del motor de nuevo ciclo 100^{2}es de esta manera:
1.
Dependiendo de los requisitos de potencia del motor (por ejemplo, diferentes requisitos de carga) se introduce en el cilindro de trabajo 7, mediante la carrera de admisión del pistón 22, aire de admisión a presión atmosférica o aire de admisión que se ha comprimido mediante al menos un compresor auxiliar y con su temperatura y presión ajustadas por sistemas de derivación y enfriadores de carga de aire.
2.
(a) Después de que la carrera de admisión está completa, la válvula de admisión 16 (que puede ser simple o múltiple) se deja abierta durante un periodo de tiempo después de que el pistón 22 ha pasado el punto muerto inferior, el cual bombea parte de la carga de aire puro de vuelta al colector de admisión 13, 14. Luego se cierra la válvula de admisión 16 en un punto cuya acción cierra herméticamente el cilindro 7, estableciendo así la relación de compresión del motor.
(b) Alternativamente, la válvula de admisión 16 se cierra antes, durante la carrera de admisión, antes de que el pistón 22 haya alcanzado el punto muerto inferior. La carga de aire atrapada se expande luego hasta el volumen total del cilindro 7 y la compresión de la carga comienza cuando el pistón 22 alcanza el punto en la carrera de compresión en el que se cierra la válvula de admisión 16.
3.
(a) Durante la carrera de compresión del pistón 22, en el punto en que se cierra la válvula de admisión 16, en el funcionamiento 2(a) o en 2(b), comienza la compresión, produciendo una pequeña relación de compresión. Esto hace posible limitar la elevación de temperatura durante la carrera de compresión.
(b) Durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de potencia para poca carga, las válvulas obturadoras 3 y 5 están cerradas y las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 para los dos compresores 1 y 2 están preferiblemente abiertas, de manera que el aire de admisión es devuelto sin comprimirse a los conductos de admisión 110 y 103 de los compresores 2 y 1. Durante este tiempo, los pistones 22a-22f del motor están introduciendo aire aspirado naturalmente a través del compresor(es). Esto reduce el trabajo de accionamiento del compresor y mejora además la economía de combustible.
(c) Cuando se requiere mayor potencia, la densidad y presión de carga pueden incrementarse cerrando la válvula de derivación de aire (ABV) 4, que hace que el compresor 2 eleve la presión de carga de aire y, además, conectando la segunda etapa de compresión mediante el compresor 1 de la misma manera que la de cierre de la válvula de derivación de aire ABV 6, o incrementando la velocidad del compresor 2 o de ambos compresores. Al mismo tiempo, las válvulas obturadoras 3 y 5 se abrirían para dirigir algo o toda la carga de aire a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para incrementar la densidad de carga de aire.
4.
La compresión continúa, se añade combustible, si no estaba ya presente, la carga se enciende y la combustión produce una gran expansión de los gases contra el pistón 22, produciendo gran energía en cualquier modo, 3(a), (b) o (c). Esta energía produce una alta presión efectiva media en el cilindro y se convierte en gran par y potencia, especialmente en el modo (c).
Descripción detallada del funcionamiento del motor 100^{2} de la Fig. 2
Durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22 el aire circula a través de los conductos de aire 15 desde el colector de aire 13 ó 14, aire que está (dependiendo de los requisitos de potencia) a presión atmosférica o se ha comprimido hasta una presión superior mediante el compresor 2 y/o el compresor 1, a través de la válvula de admisión 16 al cilindro 7. Durante la carrera de admisión del pistón 22, la válvula de admisión 16 se cierra en el punto x, cerrando herméticamente el cilindro 7. Desde este punto, la carga de aire se expande hasta el volumen máximo del cilindro. Después, durante la carrera de compresión (2ª), no tiene lugar compresión hasta que el pistón 22 ha vuelto al punto x donde la válvula de admisión 16 se cerró durante la carrera de admisión. (En el punto x, el volumen desplazado del cilindro que queda se divide por el volumen de la cámara de combustión, para establecer la relación de compresión del motor). Alternativamente, durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22, la válvula de admisión 16 se mantiene abierta durante la carrera de admisión y más allá del punto muerto inferior, y durante parte de la carrera de compresión (2ª) durante una distancia significativa, el 10% o, quizá, hasta el 50% o más de la carrera de compresión, bombeando así algo de la carga de aire de vuelta al colector de admisión 13 ó 14, y la válvula de admisión 16 se cierra entonces, cerrando herméticamente el cilindro 7, para establecer una baja relación de compresión en los cilindros del motor. En el momento del cierre de la válvula de admisión 16, la densidad, temperatura y presión del contenido del cilindro 7 serán aproximadamente las mismas que las de la carga de aire en los colectores de admisión 13 y 14.
Durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, las válvulas obturadoras 3 y 5 están cerradas y las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 para los dos compresores 1 y 2 están preferiblemente abiertas, de manera que el aire de admisión es devuelto sin comprimirse a los conductos de admisión 110 y 103 de los compresores 2 y 1. Durante este tiempo, los pistones 22a-22f del motor están introduciendo aire aspirado naturalmente a través del compresor(es). Esto reduce el trabajo de accionamiento del compresor y además mejora la economía de combustible.
Cuando se necesitan par y potencia medios, como en conducción por carretera o en generación de energía eléctrica media, preferiblemente las válvulas obturadoras 3 y 5 están cerradas y las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 están cerradas. Esto hace que el aire de admisión a presión atmosférica deje de recircular a través del compresor 2 y 1, y ambos compresores comienzan a comprimir la carga de aire a una presión superior a la atmosférica, mientras que las válvulas obturadoras cerradas 3 y 5 dirigen la carga de aire a través de los conductos 104, 110, 111 y 121/122 derivando los enfriadores de aire 10, 11 y 12, en la Fig. 2, yendo la carga de aire directamente al colector 13 y 14 y hacia los cilindros de trabajo 7a-7f, donde la carga más densa, pero caliente, incrementa la presión efectiva media en el cilindro del motor para producir mayor par y potencia.
Cuando se necesita más potencia, como cuando se necesita aceleración rápida o para generación de energía eléctrica de gran carga, preferiblemente la válvula de derivación de aire (ABV) 4 está cerrada y la válvula obturadora 3 está abierta. Esto hace que el compresor 2 comprima toda la carga de aire y la válvula obturadora 3 dirige la carga de aire a través de los conductos 112 y 113, y se suministra la carga de aire comprimida a los colectores 13 y 14 y a los cilindros 7a-7f por los enfriadores de carga 11 y 12. Para mayor potencia aún, la válvula obturadora 5 está abierta y la válvula de derivación de aire 6 está cerrada, y el compresor 1 comienza una segunda etapa de compresión, y toda la carga de aire se dirige ahora a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para alta densidad de carga. La carga de aire enfriado muy densa, cuando se mezcla con combustible y se enciende y expande más allá de la relación de compresión del motor, produce gran par y potencia.
Cuanto más pesado sea el peso de la carga de aire y más densa sea la carga, más pronto (o más tarde) puede cerrarse la válvula de admisión para establecer una baja relación de compresión y conservar potencia, y menos calor y presión se desarrollan durante la compresión en el cilindro. En este motor de 4 tiempos, la carga de admisión puede aumentarse de presión aproximadamente tanto como 4-5 atmósferas y, si la relación de compresión es suficientemente baja, es decir 4:1 a 8:1 (superior para combustible diesel), no habría problema con la detonación incluso en los de encendido por chispa. La relación de expansión aún sería grande, 14:1 sería una relación de expansión preferible para encendido por chispa, quizá 19:1 para funcionamiento diesel.
La relación de compresión se establece por el volumen desplazado del cilindro 7 que queda después de que se ha alcanzado el punto x en la carrera de compresión (y se cierra la válvula de admisión 16) que se divide por el volumen de la cámara de combustión. La relación de expansión en todos los casos es mayor que la relación de compresión. La relación de expansión se establece dividiendo el volumen total desplazado del cilindro por el volumen de la cámara de combustión.
El combustible puede carburarse o puede inyectarse en un cuerpo del regulador 56 (visto en la Fig. 16), o el combustible puede inyectarse dentro de la corriente de aire de admisión, inyectarse dentro de una cámara de precombustión (Fig. 21) o inyectarse a través de la válvula de admisión 16, o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión. Si se inyecta, debería ser cuando o después de que el pistón 22 haya alcanzado el punto x y la válvula de admisión esté cerrada. El combustible también puede inyectarse más tarde y, en el caso de funcionamiento diesel, puede inyectarse en el punto usual para inyección de gasoil, quizá dentro de una cámara de precombustión o directamente dentro de la cámara de combustión, o directamente sobre una bujía incandescente.
La carga aire-combustible se enciende en un momento oportuno y los gases se expanden contra el pistón durante la carrera de trabajo (3ª). Cerca del punto muerto inferior, en el momento oportuno, la válvula(s) de escape 17 se abre y el pistón 22 sube en la carrera de barrido (4ª), barriendo eficazmente el cilindro por desplazamiento positivo, después de lo cual se cierra la válvula(s) de escape.
Esto completa un ciclo del motor de 4 tiempos.
El motor 100^{3} de la Fig. 3
Haciendo referencia ahora a la Fig. 3, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{3} en el que todos los cilindros 7a-7f (de los cuales sólo se muestra uno en una vista en corte) y pistones asociados 22a-22f funcionan según un ciclo de 4 tiempos y todos los cilindros de trabajo se usan para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Un compresor alternativo auxiliar 1 y un compresor rotativo auxiliar 2 suministran carga de aire presurizado que se ha comprimido, o permiten la descarga de aire a través de los mismos a presión atmosférica, a los colectores 13, 14 y a los cilindros 7a-7f, cilindros que funcionan según un ciclo de 4 tiempos. Las válvulas 3, 4, 5 y 6 y los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 se usan, en las realizaciones preferidas, para controlar densidad, peso, temperatura y presión de carga de aire. Las válvulas de admisión 16 se regulan para controlar la relación de compresión del motor 100^{3}. Las cámaras de combustión se dimensionan para establecer la relación de expansión del motor.
El motor 100^{3} mostrado en la Fig. 3 se caracteriza por un proceso de expansión más extenso, una baja relación de compresión y la capacidad de producir una carga de combustión que varía en peso desde más ligera de lo normal a más pesada de lo normal, y capaz de proporcionar selectivamente una presión efectiva media en el cilindro superior a la que puede la disposición convencional de motores normales, pero que tiene una presión máxima en el cilindro similar o inferior en comparación con motores convencionales. Un módulo de control del motor (ECM) 27 y válvulas variables 3, 4, 5 y 6 en conductos, según se muestra, proporcionan un sistema para controlar la densidad, presión, temperatura de carga, y la presión media y máxima dentro del cilindro de trabajo 7 que permite mayor economía de combustible, par y potencia a bajas RPM, con bajas emisiones contaminantes tanto para motores de encendido por chispa como por compresión. En realizaciones alternativas, puede usarse un sistema de reglaje de válvulas variable y, con un sistema de control como un módulo de control del motor (ECM) 27, puede controlar el tiempo de apertura y el tiempo de cierre de las válvulas de admisión 16 para proporcionar además una gestión mejorada de condiciones en las cámaras de combustión de los cilindros 7a-7f del motor 100^{3} para asegurar una curva de par más plana y gran potencia, y con bajos niveles tanto de consumo de combustible como de emisiones contaminantes.
Breve descripción del funcionamiento del motor 100^{3} de la Fig. 3
El motor 100^{3} de esta invención mostrado en la Fig. 3 es un motor de gran rendimiento que alcanza tanto gran potencia y par con bajo consumo de combustible como bajas emisiones contaminantes. El nuevo ciclo de trabajo es un ciclo de combustión de tipo de compresión externa. En este ciclo, parte del aire de admisión (todo el cual se comprime en los cilindros de trabajo en motores convencionales) se comprime selectivamente mediante al menos un compresor auxiliar 1, 2. La elevación de temperatura durante la compresión puede suprimirse mediante el uso de enfriadores de aire 10, 11, 12, que enfrían el aire de admisión, y mediante una carrera de compresión más corta.
Un procedimiento de funcionamiento preferido, sugerido, del motor de nuevo ciclo 100^{3}es de esta manera:
1.
Dependiendo de los requisitos de potencia del motor (por ejemplo, diferentes requisitos de carga) se introduce en el cilindro de trabajo 7, mediante la carrera de admisión del pistón 22, aire de admisión a presión atmosférica o aire de admisión que se ha comprimido por al menos un compresor auxiliar y con su temperatura y presión ajustadas por sistemas de derivación y enfriadores de carga de aire.
2.
(a) Después de que la carrera de admisión está completa, la válvula de admisión 16 (que puede ser simple o múltiple, 16, 16') se deja abierta durante un periodo de tiempo después de que el pistón 22 ha pasado el punto muerto inferior, el cual bombea parte de la carga de aire puro de vuelta a los colectores de admisión 13, 14. Luego se cierra la válvula de admisión 16 en un punto que cierra herméticamente el cilindro 7, estableciendo así la relación de compresión del motor.
(b) Alternativamente, la válvula de admisión 16 se cierra previamente, durante la carrera de admisión, antes de que el pistón 22 haya alcanzado el punto muerto inferior. La carga de aire atrapada se expande luego hasta el volumen total del cilindro 7 y la compresión de la carga comienza cuando el pistón 22 alcanza el punto en la carrera de compresión en el que se cierra la válvula de admisión 16.
3.
(a) Durante la carrera de compresión del pistón 22, en el punto en que se cierra la válvula de admisión 16, en el funcionamiento 2(a) o en 2(b), comienza la compresión, produciendo una pequeña relación de compresión. Esto hace posible limitar la elevación de temperatura durante la carrera de compresión.
(b) Durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, las válvulas obturadoras 3 y 5 están cerradas y las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 para los dos compresores 1 y 2 están preferiblemente abiertas, de manera que el aire de admisión es devuelto sin comprimirse a los conductos de admisión 110 y 8 de los compresores 1 y 2. Durante este tiempo, los pistones 22a-22f del motor están introduciendo aire aspirado naturalmente a través del compresor(es). Esto reduce el trabajo de accionamiento del compresor y además mejora la economía de combustible.
(c) Cuando se requiere mayor potencia, la densidad y presión de carga pueden incrementarse cerrando la válvula de derivación de aire (ABV) 4, que hace que el compresor 1 eleve la presión de carga de aire y, además, conectando la segunda etapa de compresión mediante el compresor 2, si se necesita, de la misma manera que la de cierre de la válvula de derivación de aire ABV 6, o incrementando la velocidad de los compresores 1 ó 2, o de ambos. Al mismo tiempo, las válvulas obturadoras 3 y 5 dirigirían algo o toda la carga de aire a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para incrementar la densidad de carga de aire.
4.
La compresión continúa, se añade combustible, si no estaba ya presente, la carga se enciende y la combustión produce una gran expansión de los gases contra el pistón 22, produciendo gran energía en cualquier modo, 3(a), (b) o (c). Esta energía produce una alta presión efectiva media en el cilindro y se convierte en gran par y potencia, especialmente en el modo (c).
Descripción detallada del funcionamiento del motor 100^{3} de la Fig. 3
Durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22 el aire circula a través de los conductos de aire 15 desde el colector de aire 13 ó 14, aire que está (dependiendo de los requisitos de potencia) a presión atmosférica o se ha comprimido hasta una presión superior mediante el compresor 1 ó 2, a través de la válvula de admisión 16 dentro del cilindro 7. Durante la carrera de admisión del pistón 22, la válvula de admisión 16 se cierra (en el punto x). Desde este punto, el contenido del cilindro se expande hasta el volumen máximo del cilindro. Después, durante la carrera de compresión (2ª), no tiene lugar compresión hasta que el pistón 22 ha vuelto al punto x donde la válvula de admisión 16 se cerró, cerrando herméticamente el cilindro 7, durante la carrera de admisión. (En el punto x, el volumen desplazado del cilindro que queda se divide por el volumen de la cámara de combustión, para establecer la relación de compresión del motor). Alternativamente, durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22, la válvula de admisión 16 puede mantenerse abierta durante la carrera de admisión más allá del punto muerto inferior, y durante parte de la carrera de compresión (2ª) durante una distancia significativa, del 10% hasta quizá el 50% o más de la carrera de compresión, bombeando algo de la carga de aire de vuelta al colector de admisión, y la válvula de admisión 16, 16' se cierra entonces para establecer una baja relación de compresión en los cilindros del motor.
Durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, las válvulas obturadoras 3 y 5 están cerradas y las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 en los dos compresores 1 y 2 están preferiblemente abiertas, de manera que el aire de admisión es devuelto sin comprimirse a los conductos de admisión 110 y 8 de los compresores 1 y 2. Durante este tiempo, los pistones 22a-22f del motor están introduciendo aire aspirado naturalmente a través del compresor(es). Esto reduce el trabajo de accionamiento del compresor y además mejora la economía de combustible.
Cuando se necesitan par y potencia medios, como en conducción por carretera o en generación de energía eléctrica media, la válvula obturadora 3 hacia el compresor 1 está preferiblemente abierta, la válvula de derivación de aire (ABV) 4 está cerrada y la ABV 6 permanece abierta. Esto hace que el aire de admisión a presión atmosférica deje de recircular a través del compresor 1; y el compresor 1, solo, comienza a comprimir la carga de aire a una presión superior a la atmosférica, mientras que las válvulas obturadoras cerradas 3 y 5 dirigen la carga de aire a través de los conductos 104, 110, 111 y 121/122 derivando los enfriadores de aire 10, 11 y 12, en la Fig. 3, yendo la carga de aire directamente a los colectores 13 y 14 y hacia los cilindros de trabajo 7a-7f, donde la carga calentada más densa incrementa la presión efectiva media en el cilindro del motor para producir mayor par y potencia.
Cuando se necesita más potencia, como cuando se necesita aceleración rápida o para generación de energía eléctrica de gran carga, las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 están preferiblemente cerradas y las válvulas obturadoras 3 y 5 están abiertas en ambos compresores. Esto hace que los compresores 1 y 2 compriman toda la carga de aire y las válvulas obturadoras 3 y 5 dirigen la carga de aire lejos del conducto 8 y a través de los compresores 1 y 2, y la carga de aire comprimida se suministra entonces a través de los conductos 105, 106, 110, 112, 113, 114 y 115 a los colectores 13 y 14 y a los cilindros 7a-7f por los enfriadores de carga 10, 11 y 12. La carga de aire enfriado muy densa, cuando se mezcla con combustible y se enciende y expande más allá de la relación de compresión del motor, produce gran par y potencia.
Cuanto más pesado el peso de la carga de aire y más densa la carga, más pronto puede cerrarse la válvula de admisión en la carrera de admisión (o más tarde en la carrera de compresión) para establecer una baja relación de compresión y conservar potencia, y menos calor y presión se desarrollan durante la compresión en el cilindro. En este motor de 4 tiempos, la carga de admisión puede aumentarse de presión aproximadamente tanto como 4-5 atmósferas y, si la relación de compresión es suficientemente baja, es decir 4:1 a 8:1 (superior para combustible diesel), no habría problema con la detonación incluso en los de encendido por chispa. La relación de expansión aún sería muy grande, 14:1 sería una relación de expansión preferida para encendido por chispa, quizá 19:1 para funcionamiento diesel.
La relación de compresión se establece por el volumen desplazado del cilindro 7 que queda después de que se ha alcanzado el punto x en la carrera de compresión (y se cierra la válvula de admisión 16) que se divide por el volumen de la cámara de combustión. La expansión en todos los casos es mayor que la relación de compresión. La relación de expansión se establece dividiendo el volumen total desplazado del cilindro por el volumen de la cámara de combustión.
El combustible puede carburarse o puede inyectarse en un cuerpo del regulador, o el combustible puede inyectarse dentro de la corriente de aire de admisión, inyectarse dentro de una cámara de precombustión, Fig. 21, o inyectarse a través de la válvula de admisión 16, o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión. Si se inyecta, debería ser cuando o después de que el pistón 22 haya alcanzado el punto x y la válvula de admisión esté cerrada. El combustible también puede inyectarse más tarde y, en el caso de funcionamiento diesel, puede inyectarse en el punto usual para inyección de gasoil, quizá dentro de una cámara de precombustión o directamente dentro de la cámara de combustión, o directamente sobre una bujía incandescente.
La carga aire-combustible se enciende en un momento oportuno y los gases se expanden contra el pistón 22 durante la carrera de trabajo (3ª). Cerca del punto muerto inferior, en el momento oportuno, la válvula(s) de escape 17 se abre y el pistón 22 sube en la carrera de barrido (4ª), barriendo eficazmente el cilindro por desplazamiento positivo, después de lo cual se cierra la válvula(s) de escape 17.
Esto completa un ciclo del motor de 4 tiempos.
El motor 100^{4} de la Fig. 4
Haciendo referencia ahora a la Fig. 4, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{4} que tiene dos admisiones de aire atmosférico 8 y 9 y conductos de admisión correspondientes 15-A, 15-B, en el que todos los cilindros (de los cuales se muestra sólo uno (7) en una vista en corte) 7a-7f y pistones asociados 22a-22f funcionan según un ciclo de 4 tiempos y todos los cilindros de trabajo se usan para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Se muestra un compresor 2, en esta figura un compresor rotativo tipo Lysholm, que, con conductos de aire como los mostrados, suministra aire presurizado a una o más válvulas de admisión de los cilindros 16-A. Una admisión de aire 8 y una admisión de aire auxiliar 9 y conductos de admisión 15-A, 15-B suministran de manera seleccionable carga de aire a presión atmosférica o aire que se ha comprimido hasta una presión superior a válvulas de admisión separadas 16-A y 16-B que se abren al mismo cilindro 7a-7f (mostradas en la presente memoria, por ejemplo, abriéndose al cilindro 7f). Los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 y las válvulas de control 3, 5 y 6 se usan, en las realizaciones preferidas, para controlar densidad, peso, temperatura y presión de carga de aire. Las válvulas de admisión 16a-B - 16f-B que reciben aire a través del colector 14-B y los conductos de admisión 15a-B a 15f-B, se regulan para controlar la relación de compresión del motor 100^{4}. Las cámaras de combustión se dimensionan para establecer la relación de expansión del motor. Debido a similitudes evidentes entre el motor 100^{4} de la Fig. 4 y el de la Fig. 7 (donde el sistema de admisión de aire auxiliar 9 se ha mostrado en transparencia, por valor informativo), se hará referencia a la Fig. 7 cuando se considere útil para ciertos componentes comunes.
El motor 100^{4} mostrado en la Fig. 4 se caracteriza por un proceso de expansión más extenso, una baja relación de compresión y ser capaz de producir una carga de combustión que varía en peso desde más ligera de lo normal a más pesada de lo normal, y capaz de proporcionar selectivamente una presión efectiva media en el cilindro superior a la que puede la disposición convencional en motores normales con presión máxima en el cilindro similar o inferior en comparación con motores convencionales. Un módulo de control del motor (ECM) 27 (remitirse, por ejemplo, a la Fig. 7) y válvulas variables 3, 5 y 6 en conductos, según se muestra, proporcionan un sistema para controlar la presión, densidad, temperatura de carga, y la presión media y máxima dentro del cilindro que permite mayor economía de combustible, producción de mayor potencia y par a todas las RPM, con bajas emisiones contaminantes tanto para motores de encendido por chispa como por compresión. En realizaciones alternativas, un sistema de reglaje de válvulas variable, con el ECM 27, también puede controlar el tiempo de apertura y de cierre de las válvulas de admisión 16-A y/o 16-B, para proporcionar además una gestión mejorada de condiciones en las cámaras de combustión para asegurar una curva de par más plana, y superior potencia, con bajos niveles tanto de consumo de combustible como de emisiones contaminantes.
Breve descripción del funcionamiento del motor 100^{4} de la Fig. 4
El motor de nuevo ciclo 100^{4} de la Fig. 4 es un motor de gran rendimiento que alcanza tanto gran potencia como par con bajo consumo de combustible y bajas emisiones contaminantes. El nuevo ciclo es un ciclo de combustión de tipo de compresión externa. En este ciclo, parte del aire de admisión (todo el cual se comprime en los cilindros de trabajo en motores convencionales) se comprime selectivamente mediante un compresor auxiliar 2. La elevación de temperatura durante la compresión puede suprimirse mediante el uso de enfriadores de aire 10, 11, 12, que enfrían el aire de admisión, mediante la inyección retardada de aire a temperatura ajustada y mediante una carrera de compresión más corta.
Durante el funcionamiento, se suministra una carga de aire primaria a presión atmosférica al cilindro 7 a través de la válvula de admisión 16-B, o aire que se ha incrementado de presión quizá de media a una atmósfera a través de una admisión de aire auxiliar 9 que puede ser carburada. Esta carga puede comprimirse, añadírsele combustible si no está presente, encenderse en el punto apropiado cerca del punto muerto superior para la carrera de trabajo, proporcionando gran economía de combustible y bajas emisiones contaminantes.
Cuando se desea más potencia se introduce preferiblemente en el cilindro de trabajo 7, durante la carrera de compresión, una carga de aire secundaria que procede de la admisión de aire 8, mediante una segunda válvula de admisión 16-A que introduce una carga de aire a presión superior después de que se ha cerrado la primera válvula de admisión 16-B, para incrementar la densidad de carga cuando se necesite. Después de que se ha inyectado la carga de aire secundaria, la válvula de admisión 16-A se cierra rápidamente. La carga de aire primaria puede aumentarse hasta una presión superior conectando un segundo compresor auxiliar, en serie con el compresor 2 (ver, por ejemplo, el compresor 1 en la Fig. 7, donde el compresor primario que se va a usar en el motor de la Fig. 4 es el compresor 2, mostrado en la Fig. 4 y la Fig. 7, por ejemplo, como de tipo rotativo Lysholm) entre la admisión de aire 8 y el colector 13, 14, y puede ser enfriado en los enfriadores intermedios. La temperatura, presión, cantidad y punto de inyección de la carga secundaria, si se añade, se ajusta para producir los resultados deseados. Puede usarse un desactivador de la válvula de admisión (existen varios en el mercado, por ejemplo, Eaton Corp. y Cadillac), en las realizaciones preferidas, para desactivar la válvula de admisión 16-A cuando el funcionamiento a poca carga no requiere una gran presión efectiva media en el cilindro. Alternativamente, la válvula de derivación de aire (ABV) 6 se abre para hacer recircular la carga de aire de vuelta a través del compresor 2 para descargar al compresor de trabajo de compresión durante el funcionamiento a poca carga.
Alternativamente, puede usarse una válvula de paso único, un tipo de la cual se muestra como 26 en la Fig. 6, para proporcionar una "relación de presiones" constante o variable en el cilindro 7, mientras que mejora la turbulencia de remolino. En este procedimiento de funcionamiento alternativo la válvula de admisión 16-A se cerraría muy tarde y la válvula 26 se cerraría sólo cuando la presión en el cilindro 7 casi igualara o superara a la presión en el conducto 15-A. Así, la presión en el conducto 15-A, controlada por la velocidad del compresor, junto con las válvulas 3, 5 y 6 (y la válvula 4 en la Fig. 7) regularían la presión, densidad, temperatura y turbulencia del proceso de combustión. Una válvula de tipo de disco retraído por muelle, metálico o cerámico, o cualquier otro tipo de válvula automática podría sustituir a la válvula 26.
Otro procedimiento alternativo para proporcionar una baja relación de compresión, con una gran relación de expansión y reducidas emisiones contaminantes es de esta manera:
La presión de aire suministrada al conducto 15-A se produce a un nivel extremadamente alto, y la válvula de admisión 16-A se sustituye, en realizaciones alternativas, por una válvula de acción rápida más controlable como, pero no limitada a, una válvula de solenoide de alta velocidad (no mostrada), válvula que se acciona, preferiblemente, mecánica, eléctricamente o por vacío bajo el control de un módulo de control del motor (ECM). En tal realización, puede inyectarse selectivamente, orientada tangencialmente, mucho más tarde en la carrera de compresión, o incluso en el proceso de combustión, una carga menor, más densa, a temperatura ajustada, de alta presión, con o sin combustible asociado, para incrementar la densidad de carga, reducir las temperaturas de combustión máxima y global, y crear la turbulencia de remolino de la carga deseada en la cámara(s) de combustión.
Un procedimiento de funcionamiento preferido, sugerido, del motor de nuevo ciclo 100^{4} es de esta manera:
1.
Dependiendo de los requisitos de potencia del motor (por ejemplo, diferentes requisitos de carga) se introduce en el cilindro 7 (carrera de admisión) a través de la admisión de aire 9, el colector 14-B, los conductos de admisión 15-B y las válvulas de admisión 16a-B - 16f-B, mediante la carrera de admisión del pistón 22, aire de admisión a presión atmosférica o aire de admisión que se ha comprimido por un compresor (no mostrado) y con su temperatura y presión ajustadas por sistemas de derivación y enfriadores de carga de aire (no mostrados).
2.
(a) Después de que la carrera de admisión está completa, la válvula de admisión 16-B (que puede ser simple o múltiple) se deja abierta durante un periodo de tiempo después de que el pistón 22 ha pasado el punto muerto inferior, el cual bombea parte de la carga de aire puro de vuelta al colector de admisión 14-B.
(b) Alternativamente, la válvula de admisión 16-B se cierra antes, durante la carrera de admisión, antes de que el pistón 22 alcance el punto muerto inferior. La carga de aire atrapada se expande luego hasta el volumen total del cilindro 7.
3.
(a) Ahora comienza la carrera de compresión (2ª) y, en el punto en que se cierra la válvula de admisión 16-B para cerrar herméticamente el cilindro 7 en el funcionamiento 2(a) o en 2(b), comienza la compresión (para una pequeña relación de compresión). Esto hace posible limitar la elevación de temperatura durante la carrera de compresión.
(b) Cuando se requiere mayor potencia se inyecta en el cilindro 7 una carga de aire comprimido secundaria, a temperatura ajustada, por la válvula de admisión 16-A, que se abre y se cierra rápidamente durante la carera de compresión en el punto en el que se cierra la válvula de admisión 16-B que introdujo la carga de aire primaria, o más tarde en la carrera, para producir una carga más densa, a temperatura controlada, para proporcionar el par y potencia deseados del motor.
(c) Alternativamente, cuando se requiere mayor potencia, se puede incrementar la densidad y peso de la carga de aire secundaria haciendo que las válvulas obturadoras 5 y 3 dirijan toda o parte de la carga de aire a través de uno o más enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para incrementar la densidad de carga y/o incrementando la velocidad del compresor o conectando una segunda etapa de compresión auxiliar, bombeando así estas dos acciones más aire sobre la parte trasera. Alternativamente, el reglaje del cierre de la válvula de admisión 16-B en la carrera de admisión o de compresión puede alterarse temporalmente para conservar una carga mayor y, al mismo tiempo, el reglaje de la válvula de admisión 16-A puede alterarse temporalmente para abrirse y cerrarse antes durante la carrera de compresión para proporcionar una carga de aire muy densa, a temperatura ajustada.
4.
La compresión continúa, se añade combustible si no estaba presente, la carga se enciende y la combustión produce una gran expansión de los gases de escape contra el pistón 22, produciendo gran energía en cualquier modo, 3(a), (b) o (c). Esta energía se absorbe y se convierte en gran par y potencia, especialmente en el modo (c).
5.
Cerca del punto muerto inferior del pistón, se abren las válvulas de escape 17a-17f, 17a'-17f' y el cilindro 7 es barrido eficazmente por la carrera (4ª) del pistón 22, después de lo cual se cierra la válvula(s) 17.
Descripción detallada del funcionamiento del motor 100^{4} de la Fig. 4
Durante la carrera de admisión (1ª) del pistón 22 el aire a baja presión circula a través del conducto de aire 15-B desde la admisión de aire atmosférico 9 a través del colector 14-B de aire a presión atmosférica o que se ha aumentado de presión (o, alternativamente, el aire a baja presión puede suministrarse mediante una válvula reguladora de presión 25 y un conducto 15-B desde la línea de aire comprimido 15-A, como se muestra en la Fig. 5), a través de una válvula de admisión 16-B al cilindro 7. Durante la carrera de admisión del pistón 22, la válvula de admisión 16-B se cierra (en el punto x). Desde este punto, la carga de aire en el cilindro se expande hasta el volumen máximo del cilindro. Después, durante la carrera de compresión (2ª), no tiene lugar compresión de la carga hasta que el pistón 22 vuelve al punto x donde la válvula de admisión se cerró. (En el punto x, el volumen desplazado del cilindro que queda se divide por el volumen de la cámara de combustión, estableciendo la relación de compresión del motor). En cualquier punto en la carrera de compresión del pistón 22, en el momento o después de que el pistón 22 alcanza el punto x, se abre selectivamente una segunda válvula de admisión 16-A para inyectar una carga de aire a presión secundaria a una temperatura, densidad y presión consideradas ventajosas para la carga del motor, demanda de par, economía de combustible y características de emisiones deseadas. Alternativamente, durante la admisión de carga de aire por la válvula de admisión 16-B, la válvula de admisión 16-B se mantiene abierta más allá del punto muerto inferior durante una distancia significativa, del 10% hasta quizá el 50% o más de la carrera de compresión, bombeando así algo de la carga de vuelta al colector de admisión 14-B, y luego se cierra para establecer una baja relación de compresión en el cilindro. Durante la carrera de compresión, en o después del momento en que se cierra la válvula de admisión 16-B, se inyecta selectivamente en el mismo cilindro 7 una carga de aire secundaria a alta presión, a temperatura ajustada, que se ha comprimido mediante el compresor 2, por una segunda válvula de admisión 16-A que se abre y se cierra rápidamente. Alternativamente, cuando se necesitan mayor par y potencia, la densidad de la carga de aire secundaria se incrementa en gran medida incrementando la velocidad del compresor primario 2 o conectando otra etapa de compresión, como en el punto 1, Fig. 7, y/o desviando la carga de aire a través de los enfriadores intermedios.
Para funcionamiento a poca carga, una válvula de cierre, o un desactivador de válvulas 31 (como el mostrado en la Fig. 7) en la válvula de admisión de alta presión 16-A, preferiblemente, conservan temporalmente el aire de admisión o mantiene la válvula cerrada. Esto se añadiría a la economía de combustible del motor. Alternativamente, durante el funcionamiento a poca carga la válvula obturadora 5 está cerrada y la válvula de derivación de aire ABV 6 está abierta, de manera que parte o todo el aire bombeado por el compresor 2 sería devuelto al conducto de admisión del compresor 2 para un aumento de baja presión o sin presión. Por tanto, cuando la válvula de admisión secundaria 16-A se abre, la presión del aire en el conducto 15-A es aproximadamente la misma, o no mucho mayor, que la de la carga inicial. En una realización alternativa se dispone, como se muestra en la Fig. 6, una válvula automática auxiliar 26, Fig. 6, para impedir cualquier reflujo de carga de aire al conducto 15-A si la presión del cilindro excediera la presión en el conducto 15-A antes de que la válvula de admisión 16-A se cierre durante la carrera de compresión del pistón 22.
Si está presente una válvula de paso único auxiliar (ver válvula 26 de la Fig. 6), la relación de presiones en el cilindro 7 puede controlarse totalmente ajustando la presión de la carga de aire que pasa a través de la válvula de admisión 16-A. La relación de presiones puede controlarse entonces por las válvulas 3, 5, 6 y por la velocidad del compresor y cualquier válvula reguladora que pueda estar presente. En el uso de la válvula 26, la válvula de admisión 16-A debe mantenerse abierta hasta muy tarde en la carrera de compresión, quizá hasta que el pistón 22 se acerque o alcance el punto muerto superior.
El combustible puede carburarse en la Fig. 4, Fig. 4-B, Fig. 5, Fig. 7 y Fig. 33, inyectarse en un cuerpo del regulador 56 (visto en la Fig. 16), o el combustible puede inyectarse dentro de la corriente de aire de admisión, inyectarse dentro de una cámara de precombustión, o inyectarse a través de las válvulas de admisión 16-A, 16-B (la 16-B sólo si la 16-B no permanece abierta más allá del punto muerto inferior), o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión en el punto x durante la carrera de admisión (sólo durante la carrera de admisión si la válvula de admisión 16-B se cierra antes del punto muerto inferior), o en el momento o después de que el pistón 22 ha alcanzado el punto x en la carrera de compresión. El combustible puede inyectarse con o sin aire asociado. En el caso de funcionamiento diesel, puede inyectarse combustible en el punto usual para inyección de gasoil, quizá dentro de una cámara de precombustión o directamente dentro de la cámara de combustión, o directamente sobre una bujía incandescente.
Después de que se ha inyectado la carga de aire a temperatura y densidad ajustadas, si se usa, continúa la compresión de la carga y, con el combustible presente, se enciende en el momento oportuno para la carrera de expansión (3ª y de trabajo). (La relación de compresión se establece por el volumen desplazado del cilindro que queda después de que se ha alcanzado el punto x en la carrera de compresión, que se divide por el volumen de la cámara de combustión. La relación de expansión se determina dividiendo el volumen total de la cámara de compresión de los cilindros por el volumen de la cámara de combustión). Ahora se enciende la carga combustible-aire y tiene lugar la carrera de trabajo (3ª) del pistón 22 a medida que se expanden los gases de escape. Cerca del punto muerto inferior de la carrera de trabajo se abre la válvula(s) de escape 17, 17' y el cilindro 7 es barrido eficazmente por desplazamiento positivo en la cuarta carrera del pistón, después de lo cual se cierra la válvula(s) de escape 17.
Esto completa un ciclo del motor de 4 tiempos.
Puede verse que cuanto más tarde se alcanza el punto en la carrera de compresión después del punto x (más pronto o más tarde se cierre la válvula de admisión), menor es la relación de compresión del motor y menos se calienta la carga durante la compresión. También puede verse que cuanto más tarde se introduce la carga a temperatura y densidad ajustadas, menos trabajo del motor se requerirá para comprimir la carga, la última parte de la cual ya ha recibido algo de compresión mediante un compresor auxiliar 2.
El motor 100^{4-B} de la Fig. 4-B
Haciendo referencia ahora a la Fig. 4-B, se muestra un motor de combustión interna de 4 tiempos de seis cilindros, de construcción similar al motor de la Fig. 4, con la excepción de que el motor de la Fig. 4-B se construye y dispone de tal manera que el compresor 2 recibe la carga de aire del colector 14-B a través de la abertura 8-B (mostrada en la Fig. 7) y el conducto 8, aire que entra a través del conducto de admisión de aire común 9. Los conductos de admisión 15a-15C a 14f-C distribuyen el aire a presión atmosférica a las válvulas de admisión 16-B de cada cilindro de trabajo. Esta disposición permite la provisión de aire a las válvulas de admisión 16-A y 16-B a diferentes niveles de presión, ya que la carga de aire de los conductos 15-A se presuriza selectivamente mediante el compresor 2. El funcionamiento del motor de la Fig. 4-B es el mismo que el del motor de la Fig. 4. El sistema de admisión de aire y escape mostrado por la Fig. 4-C es idéntico en numeración y propósito a los números y propósito en la descripción para los mismos números con respecto a la Fig. 2.
El motor 100^{5} de la Fig. 5
Haciendo referencia ahora a la Fig. 5, se muestra un motor de combustión interna de 4 tiempos de seis cilindros 100^{5} similar a los motores 100^{4} de la Fig. 4 y al motor 100^{4-B} de la Fig. 4-B, con la excepción de que se muestran maneras alternativas en las que pueden eliminarse las admisiones de aire atmosférico dobles, proporcionando preferiblemente la carga de aire a baja presión a las válvulas de admisión 16-B por medio de conductos 15a-D a 15f-D que conducen todos desde el conducto de admisión de aire común 8, o desde un colector de aire opcional 35-M, situado entre el conducto de admisión 8 y la admisión de los conductos 15a-D a 15f-D, colector que también suministraría aire al compresor 2 a través del conducto 8-A. Proporcionar la carga de aire a baja presión a la válvula de admisión 16-B por medio del conducto 15-D, o por el conducto 15-B (mostrado en transparencia) eliminaría un segundo filtro de aire y un sistema de admisión de aire y trabajaría bien con el primer sistema descrito, que supone cerrar la válvula de admisión primaria 16-B durante la carera de admisión del pistón 22 o, alternativamente, cerrar la válvula de admisión primaria 16-B durante la carrera 2ª o de compresión. Alternativamente, según se muestra, puede suministrarse la carga de aire a baja presión colocando una válvula de caída de presión 25 en el conducto 15-B encaminada para conducir desde el conducto de aire presurizado 15 (15-A) hasta la válvula de admisión de baja presión del cilindro 16-B para dejar caer la presión de aire introducido hasta el nivel que pudiera ser controlado por el sistema de ajuste de relación de compresión descrito en la presente memoria, preferiblemente hasta 1,5 a 2,0 atmósferas (presión absoluta que es un aumento de 0,5 a 1,0 atmósferas) y quizá hasta presión atmosférica.
El funcionamiento del motor 100^{5} de la Fig. 5 sería el mismo que el funcionamiento del motor 100^{4} de la Fig. 4, aunque el suministro de aire primario a baja presión se suministra de diferente manera. Debido a similitudes evidentes entre el motor 100^{5} de la Fig. 5 y el de la Fig. 7, se hará referencia a la Fig. 7 cuando se considere útil para ciertos componentes comunes.
Durante el funcionamiento a poca carga de este motor de ciclo de 4 tiempos (Fig. 4, Fig. 4-B y Fig. 5), como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, la carga de aire secundaria se elimina, alternativamente, desactivando temporalmente la válvula de admisión a alta presión 16-A (existen varias válvulas disponibles que desactivan sistemas, por ejemplo Eton, Cadillac, etc.) o puede cerrarse el aire a la válvula de admisión 16-A y el motor aún produce mayor economía de combustible y potencia que los motores convencionales.
Alternativa y preferiblemente, durante el funcionamiento a poca carga, como a la velocidad de crucero de un vehículo, puede descargarse al compresor 2 de cualquier trabajo de compresión cerrando la válvula obturadora 5 y abriendo la válvula de derivación de aire 6 que hace circular el aire bombeado de vuelta al compresor 2, y entonces el aire en los conductos de admisión de aire 15 y 15-B o 15-D es aproximadamente igual. Por tanto, no tiene lugar sobrealimentación durante este tiempo. En una realización, la válvula automática 26, Fig. 6, impide el reflujo de aire durante la carrera de compresión si la presión de compresión en el cilindro se aproxima o sobrepasa la presión en el conducto 15-A antes de que se cierre la válvula de admisión 16-A.
Para potencia incrementada puede incrementarse la carga de aire secundaria mediante las válvulas obturadoras 3 y 5, que están abiertas preferiblemente para dirigir la carga de aire a los enfriadores intermedios 10, 11 y 12, lo que hace a la carga más densa, y/o incrementando la velocidad del compresor 2 o añadiendo una segunda etapa de precompresión mediante el compresor 1 en la Fig. 7, bombeando así estas dos acciones más aire sobre la parte trasera. En la Fig. 7 se muestra que el compresor primario 2 es uno de tipo rotativo Lysholm y un compresor secundario 1 es un compresor rotativo de tipo turbocompresor, aunque puede usarse cualquier tipo de compresor en los motores de esta invención.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 6, se muestra el mismo motor de 4 tiempos y un sistema de funcionamiento similar al descrito para los motores de la Fig. 4, la Fig. 4-B, la Fig. 5, la Fig. 7 y la Fig. 33, excepto que el motor de la Fig. 6 tiene una característica añadida, que la válvula de admisión secundaria 16-A tiene una válvula auxiliar 16, que es automática, para impedir el reflujo de la carga de aire desde el cilindro 7. Esta característica impedirá que ocurra ningún reflujo durante la carrera de compresión del motor de esta invención. Esta característica también puede usarse para establecer la relación de presiones del motor, variable o constante. Si se está recibiendo carga de aire secundaria a través de la válvula de admisión 16-A, la válvula de admisión 16-A puede mantenerse abierta durante la carrera de compresión hasta cerca del punto muerto superior del pistón 22, ya que la válvula automática 26 se cierra en un momento tal que la presión en el cilindro 7 se aproxima a la presión en el conducto de admisión 15-A. Por tanto, el diferencial de presión entre el cilindro 7 y el conducto de admisión 15-A permitirá el cierre de la válvula automática 26, aun cuando la válvula de admisión 16-A todavía puede estar abierta, permitiendo que la relación de presiones del cilindro 7 sea controlada por la presión de cualquier carga de aire que pase por el conducto de admisión 15-A, lo que a su vez se controla mediante las válvulas 3, 5 y 6 y la velocidad del compresor y, quizá, una válvula reguladora, si está presente, para motores que tengan una sola etapa de precompresión. Las válvulas 3, 4, 5 y 6, y la velocidad del compresor y cualquier válvula reguladora presente controlarían las relaciones de presiones para motores que tuvieran dos etapas de precompresión. Si no está pasando ninguna carga desde la válvula de admisión 16-A, la válvula automática 26 ya estará cerrada y la relación de presiones se establece mediante la relación de compresión del motor y la densidad y temperatura de la carga recibida por el cilindro 7 a través de la válvula de admisión 16-B. La relación de compresión todavía se establece por el punto en el cilindro 7 en el que se cierra la válvula de admisión primaria 16-B. La relación de presiones se establece mediante la densidad y temperatura del aire presente en el cilindro 7 si entra a través de la válvula 16-B, 16-A o ambas, y mediante la relación de compresión.
Puede usarse cualquier tipo de válvula automática para el elemento 26, quizá una de tipo de disco retraído por muelle que puede estar hecho de metal o cerámica.
El motor 100^{7} de la Fig. 7
Haciendo referencia ahora a la Fig. 7, se muestra un dibujo esquemático de un motor de seis cilindros 100^{7} que funciona según un ciclo de 4 tiempos. El motor es de estructura y funcionamiento similares al motor de 4 tiempos de la Fig. 4, la Fig. 4-B y la Fig. 5, y muestra sistemas de admisión de aire alternativos que usan la admisión de aire 9 (en transparencia) o la admisión de aire 8', o ambas. La Fig. 7 también muestra tres enfriadores intermedios 10, 11 y 12 y colectores dobles 13 y 14 más el colector de admisión alternativo 14-B. La necesidad de admisión de aire atmosférico doble (8' y 9 en la Fig. 7) puede eliminarse proporcionando aire desde la lumbrera 8-B del colector 14-B directamente al conducto de admisión de aire 8' mostrado esquemáticamente en la Fig. 7.
Un sistema de admisión de aire alternativo mostrado en la Fig. 7 suministra carga de aire sin presurizar a la válvula de admisión 16-B del motor de la Fig. 4-B y de la Fig. 7, proporcionando aire a presión atmosférica a los conductos de admisión 15a-C a 15f-C, que conducen desde el colector 14-B en la Fig. 4-B y la Fig. 7, que recibe aire atmosférico a través de la lumbrera de admisión 9, y luego distribuye el aire sin presurizar a las válvulas de admisión 16-B de cada cilindro de trabajo. Luego, entra aire a alta presión a través de la válvula de admisión 16-A después de que el pistón 22 ha alcanzado el punto x durante la carrera de compresión (el punto en que se cierra la válvula de admisión 16-B y comienza la compresión). Entonces se cierra la válvula de admisión 16-A, continúa la compresión, se añade combustible si no está presente y se enciende la carga cerca del punto muerto superior (TDC) y se produce la carrera de trabajo (3ª).
Un segundo sistema de admisión de aire alternativo, mostrado en la Fig. 7, suministra aire de admisión a baja presión, como también se muestra en la Fig. 5, de aire que se recibe alternativamente desde el conducto de alta presión 15-A a través del conducto 15-B con la válvula reductora de presión opcional 25 (mostrada en transparencia en la Fig. 5 y la Fig. 7). La carga de aire secundaria a alta presión se inyecta mediante la válvula de admisión 16-A al mismo tiempo o después de que el pistón 22 alcanza el punto en el que se cierra la válvula de admisión 16-B y comienza la compresión. Entonces se cierra rápidamente la válvula de admisión 16-A, la compresión continúa, se añade combustible si no está presente y se enciende la carga en el lugar apropiado para la carrera de trabajo (3ª).
Un tercer sistema de admisión de aire alternativo y preferido mostrado en la Fig. 7 suministra la carga de aire primaria a la válvula de admisión 16-B como sigue: la carga de aire que ha sido presurizada a una baja presión mediante el compresor 1, quizá desde 0,3 bar hasta tanto como 2 bar o más, puede suministrarse selectivamente (e intermitente o continuamente) a las válvulas de admisión de baja presión 16-B del motor de la Fig. 7 por medio del conducto 32, que conduce desde el conducto 110 hasta las válvulas de admisión (16a-B a 16f-B), conducto que recibe la carga de aire a presión atmosférica o que ha sido presurizada y, en cualquier caso, con su temperatura optimizada, todo controlado por el compresor 1 y el enfriador intermedio 10, estando controlados los recorridos de carga de aire por válvulas 5 y 6 con los conductos correspondientes. En este caso la válvula 33 es opcional. Después de que se ha cargado el cilindro 7 y se ha establecido la relación de compresión mediante el cierre de la válvula de admisión 16-B durante la primera o segunda carrera del pistón 22, la válvula de admisión de alta presión 16-A se abre en la carrera de compresión en el punto en que se cierra la válvula 16-B, para inyectar la carga de aire densa, de temperatura ajustada, y después se cierra, a medida que continúa la compresión y cerca del punto muerto superior, estando presente el combustible, se enciende la carga y se produce la carrera de trabajo (3ª). El uso de este sistema también elimina la necesidad de admisiones de aire atmosférico dobles.
Un cuarto sistema de admisión de aire alternativo mostrado en la Fig. 7 suministra la carga de aire primaria a las válvulas de admisión de baja presión 16-B tomando la carga de aire que viene selectivamente del sistema de admisión 9, el colector 14-B y los conductos de admisión 15-C (mostrados en transparencia) o del conducto 32, que dirigirían el aire al cilindro de trabajo 7 a cualquier nivel de presión y temperatura que se necesite en cualquier momento particular. Con esta disposición, abrir la válvula 33 en un momento tal que el compresor 1 estuviera comprimiendo la carga que pasa por él tendría el efecto de incrementar la densidad de la carga de aire primaria, que en este caso también podría tener su temperatura, así como su presión, ajustadas por el compresor 1 y las válvulas de control 5 y 6. Una válvula de paso único 34 impediría el escape del aire a presión más alta a través del conducto 15-C. Cuando se necesitara menos potencia, el compresor 1 podría "desaguarse" abriendo parcial o completamente la válvula de control 6 y cerrando la válvula obturadora 5. Alternativamente, podría cerrarse la válvula 33 mediante el módulo de control del motor (ECM) y se introduciría la carga de aire primaria en el cilindro 7, a presión atmosférica, a través del conducto de admisión 9 (mostrado en transparencia). Ahora comienza su segunda carrera el pistón 22, ahora se cierra la válvula de admisión 16-B, si no se cerró en la carrera de admisión, para establecer la relación de compresión y, en todos los casos, la carga secundaria pesada entra a través de la válvula 16-A, que se abre en el momento o después de que el pistón 22 ha alcanzado el punto donde la válvula de admisión 16-B se ha cerrado, entonces se cierra rápidamente la válvula 16-A, la compresión continúa, y se enciende la carga cerca del punto muerto superior y se produce la carrera de trabajo (3ª).
Con este cuarto sistema de admisión de aire alternativo la válvula de admisión de baja presión 16-B puede (a) recibir carga de aire a presión atmosférica o (b) puede recibir carga de aire que se ha comprimido y enfriado a través del conducto 32 o el conducto 15-B. La válvula de admisión de alta presión 16-A (que se abre en el momento, o después, en que comienza la compresión) puede recibir carga de aire que (a) se ha comprimido y enfriado en una sola etapa mediante el compresor 1 o el compresor 2, (b) se ha comprimido y enfriado en dos etapas o más hasta una densidad muy alta o (c) con su temperatura y presión ajustadas mediante válvulas de control 5 y 6, todo para proporcionar mejor gestión de características de combustión con respecto a requisitos de potencia, par y economía de combustible y con respecto a control de emisiones. Incorporando una válvula de paso único opcional (ver válvula 26 mostrada en la Fig. 6) los motores de la Fig. 4, la Fig. 4-B, la Fig. 5 y la Fig. 7 podrían tener una relación de presiones constante o variable, la densidad, presión, temperatura y turbulencia de carga y el momento de cierre de la válvula 26 controlados por las válvulas 3, 5 y 6 y por la velocidad del compresor, y por cualquier válvula reguladora presente en motores que tienen una etapa de precompresión, y por la adición de la válvula 4, en motores que tienen dos etapas de precompresión. En cualquier caso, la válvula de admisión 16-A debería mantenerse abierta muy tarde en la carera de compresión, quizá hasta cerca del punto muerto superior del pistón 22.
Una ventaja de comprimir la carga de aire que va a la válvula de admisión de baja presión 16-B, además de comprimir en gran medida la carga de aire secundaria, es que durante gran parte del ciclo de trabajo de tales motores la densidad de carga podría incrementarse de manera espectacular, mientras que mantiene bajas las temperaturas y presiones máximas, para alta presión efectiva media en el cilindro. Este sistema podría proporcionar toda la potencia necesaria para desplazamiento de vehículos en terreno accidentado siendo desactivadas, quizá, las válvulas de admisión de alta presión 16-A por un desactivador de válvulas indicado por 31 en la Fig. 7, o estando el compresor 2 y/o el compresor 1 parcial o totalmente derivado por las válvulas de control 3 y 4 y/o las válvulas de control 5 y 6 para variar la presión y temperatura que entran en los colectores 13 y 14 y luego a las válvulas de admisión 16-A. Para mayor potencia, los desactivadores de válvulas podrían desconectarse o eliminarse.
También mostrado en la Fig. 7 está un sistema de control del motor sugerido que consta de un módulo de control del motor (ECM) 27, dos válvulas obturadoras 3 y 5, dos válvulas de derivación de aire 4 y 6, las válvulas reductoras de presión opcionales 25 (25a-25f) en los conductos de aire 15-B (15a-B - 15f-B), y un esquema de control de la presión, temperatura y densidad controlando las válvulas de derivación de aire 4 y 6 y las válvulas obturadoras 3 y 5. Según se ilustra, la válvula de derivación de aire 4 está cerrada para permitir al compresor 2 comprimir totalmente la carga y la válvula obturadora 3 está abierta ligeramente, permitiendo que parte del aire circule sin enfriar (flechas huecas) y algo del aire enfriado (flechas sólidas) a los colectores 13 y 14, todo lo cual podría controlarse mediante el ECM 27 para proporcionar una carga de aire a densidad, temperatura y presión óptimas. La flecha hueca 4-A en el conducto 120 muestra cómo puede abrirse parcialmente el ABV 4 para permitir que algo del aire se derive y vuelva al compresor 2 para ajustar con precisión la presión de la carga de aire secundaria que se inyecta, para ajustar la densidad y temperatura de carga. Alternativamente, toda la carga de aire puede dirigirse a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12, o a través de los conductos de derivación 121 y 122, a los colectores 13 y 14.
Para gran potencia con una baja relación de compresión y bajas emisiones contaminantes, las válvulas de derivación de aire (ABV) 4 y 6 están cerradas y las válvulas obturadoras 3 y 5 estarían abiertas para que los compresores 2 y 1 elevasen la presión de la carga de aire que se dirige mediante las válvulas obturadoras 3 y 5 a través de los enfriadores intermedios para densidad máxima. Durante la carrera de admisión se abre la válvula de admisión de baja presión 16-B, el pistón 22 aspira aire a baja presión, la válvula de admisión 16-B se cierra antes del punto muerto inferior o después del punto muerto inferior durante la carrera de compresión. Durante la carrera de compresión, en el punto en que se cierra la válvula de admisión 16-B o más tarde, la válvula de admisión 16-A se abre para inyectar la carga de aire densa, enfriada, secundaria y después se cierra. La compresión continúa para una baja relación de compresión. Se añade combustible, si no está presente, y la carga se enciende en el punto apropiado cerca del punto muerto superior (el encendido puede ser antes, en o después del punto muerto superior) para la carrera de trabajo (3ª) con una gran relación de expansión con gran par, luego se abre la válvula(s) de escape 17 y se produce la carrera de barrido (4ª), después de la cual se cierra la válvula(s) de escape 17.
En estos diseños, el combustible puede carburarse, inyectarse en el cuerpo del regulador, inyectarse por lumbrera, inyectarse dentro del cilindro y puede introducirse en cualquier punto entre la admisión de aire y la cabeza del pistón. La mezcla combustible aire puede ser estratificada, o una mezcla desde estequiométrica a muy pobre para encendido por chispa, hasta una mezcla muy rica para funcionamiento diesel. La potencia del motor puede controlarse mediante dosificación de combustible sólo, o el suministro de aire puede ajustarse correctamente a la relación apropiada combustible-aire mediante una válvula reguladora, o puede "dosificarse" mediante válvulas de control 4 y 6 al usar dos etapas de precombustión y mediante la válvula de control 4 al usar una sola etapa de precombustión.
En cualquiera de los motores de esta invención, el problema común a los motores normales de mezcla incompleta de combustible, aire y gas residual, con la variación consiguiente de las condiciones en el punto de encendido, se minimiza y en algunos casos se elimina mediante la inyección retardada de carga de aire a alta velocidad. Este problema, tratado por la presente invención, es extremo en los motores actuales cuando el combustible gaseoso se inyecta directamente en el cilindro donde puede producirse la chispa en mezclas de relaciones combustible-aire variables, por lo tanto con diversos ritmos de desarrollo de llama.
(Acerca de la importancia de encontrar una solución a este problema particular, los investigadores de motores del Instituto de Tecnología de Massachusetts declaran "La eliminación de la variación ciclo a ciclo en el proceso de combustión sería una contribución importante al comportamiento mejorado (del motor). Si todos los ciclos fueran iguales e iguales al ciclo medio, las presiones máximas en el cilindro serían inferiores, el rendimiento sería mayor y, por encima de todo, el límite de detonación sería superior, permitiendo así un incremento apreciable de rendimiento y/o presión efectiva media en el cilindro con un combustible dado").
La variación cíclica de la que se habla se minimiza y se elimina potencialmente en el motor de cada una de las realizaciones (incluyendo realizaciones de dos tiempos y realizaciones de cuatro tiempos) de la presente invención por la importante turbulencia de remolino producida por la inyección de aire a alta presión. Además, en cualquiera de los motores de esta invención, la turbulencia de remolino puede orientarse tangencialmente hacia la pared del cilindro encerrando la válvula de admisión 16, y especialmente la válvula 16-A, o mediante el uso de una válvula de paso único (como la válvula 26 en la Fig. 6y la Fig. 10). Incluso los motores que reciben una carga de aire durante la carrera de admisión del pistón usando una válvula de admisión encerrada tienen una tendencia a reducir la variación cíclica no deseada y tienen un descenso del requisito de octanaje y un incremento de presión efectiva media indicada (en el cilindro) limitada por autoencendido (klimep). El motor de la presente invención, inyectando la carga de aire, especialmente a través de una válvula encerrada durante la carrera de compresión, crea una turbulencia de remolino mucho mayor para eliminar más la variación ciclo a ciclo no deseada, para combustión más limpia, más completa del combustible.
La válvula de admisión puede rotar durante el funcionamiento y tener todavía un flujo tangencial a la pared del cilindro usando una válvula de resorte convencional y con el lado de la cabeza de válvula que está enfrente de la dirección deseada del flujo de aire estando encerrado, a medida que se abre, por una sección engrosada de la cara de la culata del motor que forma un collar o saliente con forma de media luna para dirigir el flujo de aire en la dirección deseada mientras se abre la válvula.
En el sistema de combustión diesel, el mejor procedimiento de mezcla de la presente invención permite relaciones combustible-aire mucho más ricas para mayor potencia con humos limitados, y se eliminan virtualmente el humo y las partículas a una relación combustible-aire extremadamente rica.
La turbulencia de remolino producida por la inyección de carga a alta presión durante la carrera de compresión no está amortiguada por la carrera de compresión y, cuanto más tarde se inyecta la carga, menor es el volumen de carga requerido para producir la turbulencia de remolino deseada. En cualquier motor alternativo de combustión interna que funcione según el procedimiento de la presente invención, puede inyectarse selectivamente una carga de aire a muy alta presión, a temperatura controlada, orientada tangencialmente, muy tarde en la carrera de compresión, por ejemplo justo antes, durante o con la inyección de combustible y, con presiones extremadamente altas, incluso durante el proceso de combustión.
Como la carga de aire secundaria en el motor de la Fig. 4 a la Fig. 7, la Fig. 9, la Fig. 9-B y la Fig. 15 a la Fig. 20 es compresible hasta un nivel de presión extremadamente alto, la válvula de admisión 16-A se sustituye, en realizaciones alternativas, por una válvula más controlable y de acción más rápida como, pero no limitada a, una válvula de solenoide de alta velocidad (no mostrada). Esta válvula se hace funcionar, preferiblemente, mecánicamente, eléctricamente o por vacío y se controla, preferiblemente, mediante un módulo de control del motor (ECM) como se ilustra en la Fig. 7, la Fig. 9-B, la Fig. 15 a la Fig. 20, y la Fig. 33. En este sistema, la carga de aire secundaria puede inyectarse, selectivamente, muy tarde en la carrera de compresión del pistón 22 para incrementar la densidad de carga y la turbulencia de remolino, y para reducir las temperaturas de combustión máxima y global y para disminuir la producción de emisiones contaminantes. La inyección debería realizarse de una manera orientada tangencialmente. Esto incrementaría en gran medida la turbulencia de remolino e impediría las variaciones cíclicas no deseables que son comunes en motores normales y más problemáticas en motores de combustible diesel o gaseoso.
El uso de este sistema debería tener como resultado presiones y temperaturas máximas inferiores en el cilindro. El rendimiento debería ser mayor y el límite de detonación superior, permitiendo así un incremento apreciable de rendimiento y presión efectiva media en el cilindro con un combustible dado. Todos los motores de esta invención funcionan con un proceso de expansión más completo cuando se compara con los motores típicos de la técnica anterior, proporcionando así más mejoras en rendimiento y características de emisiones.
Según la presente invención, los motores de 4 tiempos de la presente invención (por ejemplo, la Fig. 1, la Fig. 2, la Fig. 3, la Fig. 4, la Fig. 4-B, la Fig. 5, la Fig. 7 y la Fig. 33) se diseñan, como lo son los motores de 2 tiempos de la presente invención (por ejemplo, las Figs. 8-11, 25 y 33), para usar una relación de expansión mayor que la relación de compresión. Para lograr este resultado, la relación de expansión se establece seleccionando el volumen de cámara de combustión apropiado y la relación de compresión se reduce por debajo de este valor mediante el cierre muy pronto o muy tarde de la válvula de admisión.
El motor 100^{8} de la Fig. 8
Haciendo referencia ahora a la Fig. 8, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{8} para gasolina, diesel, alcohol, gas natural, hidrógeno o de funcionamiento híbrido con dos combustibles y que tiene seis cilindros 7a-7f (sólo se muestra uno, 7f, en una vista en corte) en el que los pistones 22a-22f se disponen para moverse alternativamente. Se indica otro cilindro sólo por la presencia del extremo inferior de la camisa del cilindro 7a. Una vista transversal muestra un cilindro de compresor de doble efecto 1. Los pistones 22a-22f se conectan a un cigüeñal común 20 de manera convencional por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. El motor 100^{8} de la Fig. 8 se adapta para funcionar según un ciclo de 2 tiempos para producir seis carreras de trabajo por revolución del cigüeñal 20. Para este fin, el compresor 1 toma una carga de aire a presión atmosférica (o, alternativamente, una carga de aire que ha sido sometida previamente a compresión hasta una presión superior por medio de una válvula de control de admisión 6 a través de un conducto de admisión 102 que conduce desde el compresor 2, por medio de la válvula de control de derivación 6 y la válvula obturadora 5 y el conducto de derivación 104 o a través del enfriador intermedio 10). Durante el funcionamiento del motor de la Fig. 8, la carga de aire se comprime dentro del compresor 1 mediante su pistón asociado 131, y la carga comprimida es forzada a través de una salida dentro del conducto de transferencia de alta presión 109 que conduce a la válvula de derivación 3, que se construye y dispone para canalizar la carga comprimida a través de los enfriadores intermedios 11 y 12 o a través del conducto de derivación 111 en respuesta a señales del módulo de control del motor (ECM) 27. Este módulo dirige el grado de compresión, la cantidad y la dirección del flujo de la carga comprimida a través del enfriador intermedio y/o del conducto de derivación a los colectores 13 y 14. Los colectores 13 y 14 se construyen y disponen para distribuir la carga comprimida por medio de conductos de admisión de derivación 15a-15f y a válvulas de admisión 16 y 16', y a los cinco cilindros de trabajo restantes. Alternativamente, un compresor auxiliar 2 recibe aire atmosférico a través de la abertura de admisión 8, precomprime la carga de aire dentro del conducto 101 que conduce a la válvula de control 5 que, en respuesta a las señales del ECM 27, dirigirá la carga comprimida a través del enfriador intermedio 10 o el conducto de derivación 104 al compresor 1. El ECM 27 también puede controlar las válvulas 4 y 6 para dirigir parte o toda la carga que pasa a través de los compresores 1 y 2 de vuelta a través de los conductos 120 y 103, para ajustar la cantidad de compresión de los compresores 1 y 2, que comprende en cada uno o en ambos compresores desde compresión total a ninguna compresión; de esta manera, durante el funcionamiento a poca carga el compresor 1 o el compresor 2 podrían suministrar a los cilindros el aire comprimido necesario.
El motor 100^{8} de la Fig. 8 tiene árboles de levas 21 que se disponen para ser accionados a la misma velocidad que el cigüeñal, para suministrar una carrera de trabajo por revolución para los pistones de trabajo. El compresor alternativo puede tener uno o más cilindros de doble efecto, uno se ilustra como 1, y puede tener más de una etapa de compresión, y el cigüeñal 20 suministraría dos carreras de trabajo por revolución, para uno o más compresores, como se describe en lo sucesivo. El compresor alternativo podría accionarse alternativamente mediante un cigüeñal corto que se haría girar mediante un engranaje multiplicador en el cigüeñal principal, que acciona un engranaje menor en el cigüeñal auxiliar. El compresor rotativo auxiliar 2 podría accionarse mediante una polea trapezoidal accionada por una correa trapezoidal acanalada y podría tener un engranaje multiplicador entre la polea trapezoidal y el eje motor del compresor. El compresor rotativo 2 también podría tener un variador de velocidad variable como en algunos motores de aviación.
Descripción del funcionamiento del motor 100^{8}de la Fig. 8
Se introduce la carga de aire en la abertura de entrada 8 del compresor 2, desde allí pasa a través del compresor 2, donde la carga se introduce luego dentro del conducto 101 hacia la válvula obturadora 5, donde la carga se dirige a través del enfriador intermedio 10 o a través de la válvula de derivación de aire 6, donde una parte de toda la carga puede dirigirse de vuelta a través del compresor 2, donde se hace recircular la carga sin compresión, o la válvula 8 puede dirigir la carga de aire dentro de la admisión del compresor 1, donde la carga de aire se bombea por el conducto de escape del compresor 1, que conduce a la válvula obturadora 3, donde la carga se dirige a través de los enfriadores intermedios 11 y 12 o a través de la válvula de derivación de aire 4, o una parte a través de ambos, que conducen a los colectores 13 y 14, que distribuyen la carga de aire hacia las válvulas de admisión 16 y hacia la válvula de admisión de cada cilindro de trabajo 7 del motor 100^{8}. (La válvula de derivación 4 puede dirigir parte o toda la carga de aire a los colectores 13 y 14, o puede hacer recircular parte o toda la carga de aire a través del conducto 120 de vuelta al conducto 106 y dentro de la admisión del compresor 1). El módulo de control del motor (ECM) 27 controla las válvulas 3, 4, 5 y 6 para ajustar la presión, temperatura y densidad de la carga que se introduce dentro de las cámaras de combustión 130 del motor. El mismo ECM 27 puede controlar un sistema de control variable de lo que ocurre en las válvulas para ajustar el tiempo de apertura y cierre de las válvulas de admisión 16 y las válvulas de escape 17 de los cilindros de trabajo en relación al ángulo de rotación del cigüeñal 20, para ajustar la relación de compresión y la densidad de carga del motor para comportamiento óptimo con respecto a potencia, par, economía de combustible y características del combustible que se suministra.
El funcionamiento del cilindro de trabajo 7 es de esta manera:
Procedimiento alternativo 1
Cerca del final de la carrera de trabajo en el cilindro 7, la válvula(s) de escape 17, 17' se abre y, con la válvula de escape aún abierta, el pistón 22 comienza la segunda carrera o de escape. Durante la carrera de escape, quizá tan pronto como 70º ó 60º antes del punto muerto superior, las válvulas de escape 17, 17' se cierran. En el punto en que se cierran las válvulas de escape se establece la relación de compresión, las válvulas de admisión 16, 16' se abren en ese punto o más tarde en la carrera de compresión, se inyecta la carga de aire comprimido y/o aire-combustible en la cámara de combustión 130 del cilindro de trabajo 7, la válvula de admisión 16, 16' se cierra quizá a 60º antes del punto muerto superior, acompañando la turbulencia de remolino y del movimiento ascendente del pistón la inyección de aire a alta presión, el pistón 22 continúa hacia el final de su carrera, comprimiendo así la carga que produce una relación de compresión muy baja, que puede ser tan baja como 2:1. Si el combustible no está ya presente como mezcla, se inyecta combustible en la corriente de aire entrante, o se inyecta dentro de una cámara de precombustión o directamente dentro de la cámara de combustión después del cierre de la válvula de admisión. El combustible puede inyectarse en medio del remolino de carga para un proceso de combustión de carga estratificado, o puede inyectarse sobre una bujía incandescente si se va a encender combustible diesel. La mezcla combustible-aire se enciende por compresión o chispa, esta en el momento oportuno para el mayor rendimiento y/o potencia. Generalmente, el combustible podría inyectarse y encenderse antes del punto muerto superior del pistón. El combustible puede inyectarse más tarde y quizá continuamente durante la primera parte de la carrera de expansión para un proceso de combustión principalmente a presión constante, y especialmente para combustible diesel. La mezcla combustible aire se enciende preferiblemente antes de que el pistón alcance el punto muerto superior y la carga quemada se expande contra el pistón a medida que se mueve hacia el punto muerto inferior. Cerca del punto muerto inferior de la carrera del pistón, la válvula(s) de escape se abre y la mezcla expulsada es barrida por desplazamiento positivo mediante el pistón 22 durante la carrera de barrido. Si la válvula de admisión 16, 16' se abre más pronto puede requerirse para el barrido algo de cruce de válvulas con la válvula de escape. Si las válvulas de admisión 16, 16' se abren tarde no se necesitaría cruce de válvulas, cerrándose la válvula(s) de escape 17, 17' aproximadamente al mismo tiempo que se abre la válvula(s) de admisión 16, 16'. La relación de expansión del motor podría ser aproximadamente 19:1 para combustible diesel, 14:1 para combustible gaseoso o gasolina, relación de expansión que se establece dividiendo el volumen desplazado del cilindro por el volumen de la cámara de combustión.
Procedimiento de funcionamiento alternativo 2
Cerca del final de la carrera de trabajo en el cilindro 7 se abre la válvula(s) de escape 17, 17', y con la válvula de escape 17, 17' aún abierta, comienza su segunda carrera o de barrido de carga. En un punto cerca de la mitad de la carrera (por ejemplo, aproximadamente 90º antes del punto muerto superior), estando abierta todavía la válvula de escape 17, 17', la válvula de admisión se abre con un pequeño cruce de válvulas para dejar entrar aire de carga y de barrido a alta presión. Pueden retirarse una o más válvulas de admisión 16, como en el punto 30 en la Fig. 11, para dirigir el primer aire de admisión hacia abajo y a lo largo de la pared del cilindro 7 para barrer en bucle el cilindro durante el cruce de válvulas muy corto de las válvulas 16, 16' y 17, 17'. La válvula de escape 17, 17' permanece abierta hasta el punto en que debería empezar la compresión y entonces recibe la carga de aire a medida que se cierra, cerrándose la válvula(s) de admisión 16, 16' poco después, con el cilindro barrido y cargado adecuadamente con aire puro a temperatura ajustada ahora a alta presión. El pistón 22 continúa su carrera para comprimir la carga produciendo una baja relación de compresión, idealmente 13:1 a 4:1, dependiendo del tipo de combustible usado. La relación de compresión se establece por el punto en la carrera del pistón 22 en que se cierra la válvula(s) de escape 17, 17', y se calcula cuando el volumen desplazado del cilindro que queda se divide por el volumen de la cámara de combustión.
A medida que el pistón 22 continúa subiendo desde el punto x, donde la válvula de escape se cierra estableciendo la relación de compresión, y donde comenzó la compresión de la carga, la presión comienza a subir en el mismo punto. La carga de aire denso enfriado con la corta carera de compresión producirá una baja relación de compresión con una carga muy pesada, con baja presión máxima en el cilindro pero con alta presión efectiva media en el cilindro para gran par y potencia.
La relación de presiones se establecerá por la densidad, presión y temperatura de la carga entrante, el tiempo durante el que están abiertas las válvula(s) de admisión 16, 16' y el punto en que se cierra la válvula(s) de escape 17, 17'. Cuanto más tarde se cierran las válvulas de escape 17, 17', menos carga de aire se expande después de la inyección, menos trabajo se requiere para comprimir la carga, menos cruce de las válvulas de admisión y escape se requiere e inferior es la relación de compresión.
En algún punto, quizá tan pronto como 150-200 grados antes de la posición del punto muerto superior, el cilindro 7 sería barrido adecuadamente y la válvula de escape 17, 17' podría cerrarse antes, o no más tarde del momento en que las válvulas de admisión 16, 16' se abren para dejar entrar, en este caso, toda la carga de aire, habiendo sido desplazada por barrido la mayoría de los gases de escape. (En algunos casos, son beneficiosos algunos gases de escape residuales y los experimentos mostrarán en qué punto pueden cerrarse tanto la válvula de admisión como la de escape sin ningún cruce). En este ejemplo, la relación de compresión "efectiva" podría ser tan baja como 3:1 o incluso 2:1, produciendo de nuevo baja presión y temperatura máxima en el cilindro pero con alta presión efectiva media. El combustible puede inyectarse tan pronto como en el punto en que se cierra la válvula de escape y puede ser tan pronto como aproximadamente 150º-200º antes del final de la carrera de compresión. La mezcla combustible-aire se enciende antes, en o después del punto muerto superior y tiene lugar la carrera de expansión (2ª). La relación de expansión se establece dividiendo el volumen desplazado del cilindro por el volumen de la cámara de combustión, y podría ser aproximadamente 19:1 para aplicaciones diesel y 14:1 para gasolina o combustibles gaseosos.
Un módulo de control del motor (ECM) 27 puede gestionar temperaturas y densidades de la carga que se introduce en el cilindro 7 o la cámara de combustión 130 y el reglaje de la admisión en la cámara de combustión, y así puede ajustar densidades, turbulencia, temperaturas y presiones de carga, proporcionando un medio para restringir temperaturas y presiones máximas pero con una presión efectiva media en el cilindro más alta que en un motor normal, cuando se necesite, y manteniendo además niveles inferiores de emisiones contaminantes no deseadas.
Un sistema de funcionamiento sugerido para poca carga, de buen rendimiento de combustible, como el que se indica en la línea B(bp) en la Fig. 13, sería de esta manera: podría elegirse una relación de compresión nominal de 13:1, con una relación de expansión de 19:1. Esta establecería el volumen de la cámara de combustión, la primera establecería la presión máxima de carga (no la presión máxima en el cilindro), aproximadamente 37,1 kg/cm^{2} cuando se comprime adiabáticamente. El ECM 27 indicaría a las válvulas obturadoras 5 y a la válvula de control de derivación de aire 6 que hicieran recircular el aire que se bombea a través del compresor 2 de vuelta a través del compresor 2 sin ser comprimido o, para cualquier tipo de compresor, abrir una válvula de desagüe para derivar el compresor. La válvula obturadora 5 deriva el enfriador intermedio 10 y dirige la carga a la admisión del compresor 1. El compresor 1 comprimiría la carga adiabáticamente, a una relación de compresión de 7:1. Los controles ECM 27 derivarían los enfriadores intermedios 11 y 12 e introducirían la carga en los colectores 13 y 14 con el calor de compresión conservado. Si se cierran las válvulas de escape 17, 17' y se abren las válvulas de admisión 16, 16' del cilindro 7 cerca del final de la carrera de compresión del pistón 22, la relación de compresión efectiva puede ser tan baja como 2:1, produciendo una relación de compresión "nominal" de 14:1. (Si las válvulas de escape 17, 17' están cerradas y las válvulas de admisión 16, 16' se abren más pronto en la carrera de escape, la carga de aire inyectada debería ser de presión inferior y la relación de compresión "efectiva", que en la compresión dentro del cilindro produce calor, sería mayor. Si las válvulas de admisión 16, 16' se abren a mitad de la carrera, después de que se cierran las válvulas de escape 17, 17', y se deseara una relación de compresión nominal de 13:1 con una relación de compresión efectiva de 4:1, entonces la carga introducida en el cilindro a mitad de la carrera debería comprimirse a 4:1). Luego se comprime en el cilindro la carga sin enfriar con una relación de compresión efectiva de 4:1 y, en cualquier caso, con una presión de aproximadamente 37,1 kg/cm^{2} y una temperatura por encima de 482ºC. Luego se enciende la carga combustible/aire y se expande contra el pistón hasta el volumen total del cilindro de trabajo con una relación de expansión de 19:1.
En el momento en que se requiriera gran potencia, el ECM 27 podría indicar cerrarse a la válvula de derivación de aire 4 y 6. Entonces el compresor 2 comienza a comprimir la carga de aire a una presión superior, al mismo tiempo el ECM 27 abriría las válvulas obturadoras 3 y 5 para enviar la carga de aire a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12. Por tanto, a medida que se enfría la carga de aire, y podría ser a temperatura tan baja como 65-93ºC, más aire se bombea ahora al motor en la parte trasera mediante la etapa de compresión adicional 2, para impedir una caída de presión importante en la carga de aire debido al enfriamiento de la carga antes de la combustión. La carga de aire en la cámara de combustión se comprime ahora a 2:1 (línea B(ic), Fig. 13) y se mantiene cerca de la presión de diseño, en este caso aproximadamente 35-37,1 kg/cm^{2}, aunque enfriada, para incrementar considerablemente la densidad de la carga y el par y la potencia del motor. La carga de aire más fría proporciona temperatura y presión máxima inferiores, y unida a la gran turbulencia causa la producción de menos hidrocarburos sin quemar, NO_{X} y otras emisiones contaminantes, y eliminándose virtualmente el humo y partículas para una mezcla combustible-aire muy rica. La carga aire-combustible se enciende ahora y se expande hasta el volumen total del cilindro con una relación de expansión de 19:1, aunque la relación de compresión efectiva es sólo 2:1 (ver línea B(ic) en Fig. 13).
Con cada esquema de funcionamiento, el motor puede sobrealimentarse hasta un estado superior al que pueden los motores convencionales porque, en la mayoría de los casos, la válvula de admisión está cerrada en el momento de la carga de la cámara de combustión y una carga de aire más fría impide la detonación y reduce las emisiones contaminantes. También en la mayoría de los casos, el tiempo de permanencia del combustible es menos que el requerido para que se produzcan las condiciones de autoencendido previo.
Cuando se necesita menos potencia, como durante la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, el funcionamiento del motor podría volver al funcionamiento a poca carga, por ejemplo, podría eliminarse una etapa de compresión y derivarse el primer enfriador 10 haciéndose recircular la carga de aire mediante la válvula obturadora 5 y la válvula de derivación 6. La válvula obturadora 3 y la válvula de derivación de aire 4 podrían dirigir toda la carga desde el compresor 1, pasados los enfriadores intermedios 11 y 12 con el calor de compresión conservado, dentro de los colectores 13 y 14 y al cilindro para el modo de funcionamiento menos denso, de más rendimiento de combustible.
Haciendo referencia todavía a la Fig. 8, se muestra una vista de una culata de cilindro del motor de la Fig. 8 a la Fig. 11 y la Fig. 25, que muestra válvulas opcionales de admisión de presión equilibrada, proporcionándose el enfriamiento mediante conductos con el conducto de admisión 29 y el conducto de escape 29', válvulas de paso único (no mostradas) que permiten a las prolongaciones 28 en los vástagos de válvula, a medida que se mueven alternativamente con las válvulas de admisión 16, bombear un aceite refrigerante y lubricante o mezcla aceite-aire a través de los espacios encima de las prolongaciones de los vástagos de válvula.
Las válvulas de admisión a presión equilibrada 16, 16' en las Figs. 8, 11 y 25, y 16-A en las Figs. 9 y 10 aseguran el cierre rápido de la válvula de admisión y permiten grandes válvulas de admisión no limitadoras y muelles de retorno de válvula más pequeños de lo normal. (Cuando la válvula de admisión está abierta, tiene lugar casi inmediatamente el equilibrio de presión por debajo de la cabeza de válvula dentro de la cámara de combustión, y por encima de la cabeza de válvula dentro del conducto de admisión, entonces la presión dentro del conducto de admisión que actúa sobre la disposición como un pistón en el vástago de válvula tiende a hacer que el vástago de válvula siga la pendiente descendente del perfil de la leva para cierre rápido de la válvula. También podría usarse en los motores de esta invención una nueva válvula de admisión de "onda cuadrada" "Magnavox" accionada por presión).
El funcionamiento de las válvulas de admisión de presión equilibrada es de esta manera:
Las válvulas de admisión de presión equilibrada tienen prolongaciones 28 en los vástagos de válvula, la superficie inferior de las cuales se expone a los gases en el conducto 15A. Cuando el vástago de válvula es apretado por una leva 21 y la válvula(s) de admisión 16 se abre en la Fig. 8 a la Fig. 11, o la Fig. 25, cualquier presión en el conducto 15A se equilibra con la presión en la cámara de combustión y, en ese momento, la única fuerza de reacción es por alguna presión en el conducto 15A, que es contra la superficie inferior de las prolongaciones de los vástagos de válvula 28, que causa un cierre rápido de la válvula. Se proporcionan preferiblemente válvulas de paso único (no mostradas) en los canales de admisión y escape 29 y 29' para admisión de aceite o mezcla aceite-aire a través de los espacios por encima de las prolongaciones 28 y, alternativamente, a través de las prolongaciones de vástagos de válvula 28. La admisión de aceite podría ser en un punto bajo en la culata del cilindro, donde podría recogerse el aceite para suministrar al sistema de enfriamiento. Alternativamente, la línea de admisión de aceite 29 podría conectarse a una línea de suministro de aceite o mezcla aceite-aire. El conducto de admisión 29 y el conducto de salida 29' del sistema de enfriamiento estarían equipados con válvulas de paso único y el conducto de salida 29' podría estar más alto que el conducto de admisión 29 o podría conectarse a una línea de descarga de aceite que conduzca al depósito de aceite del motor. Las prolongaciones de vástagos de válvula 28 también podrían tener un canal a través de ellas con una válvula de paso único en cada lado. Como históricamente las válvulas de escape han sido difíciles de refrigerar, este mismo sistema proporcionaría refrigeración adecuada para las válvulas de escape aun cuando no exista gran presión en el conducto de escape. Este sistema se aplicaría entonces a las válvulas de escape 17 de las que se originan las lumbreras de escape 18, o a las válvulas de escape de cualquier motor para asegurar larga duración a las válvulas de escape y a los asientos de válvulas.
En motores grandes, las líneas desde las bombas descritas en la presente memoria pueden converger en líneas mayores y el bombeo de aceite proporcionado por ellas podría sustituir a la bomba de aceite convencional en dicho motor.
El motor 100^{9} de la Fig. 9
Haciendo referencia ahora a la Fig. 9, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros que tiene una admisión de aire atmosférico, en el que todos los cilindros 7a-7f (sólo se muestra uno (7f) en una vista en corte) y pistones asociados 22a-22f funcionan según un ciclo de 2 tiempos y todos los cilindros de trabajo se usan para producir seis carreras de trabajo por revolución del cigüeñal 20, para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Se muestra un compresor primario 1, en esta figura uno de tipo alternativo de doble efecto, que, con conductos de aire como los mostrados, suministra aire presurizado a una o más válvulas de admisión del cilindro 16-A y 16-B (esta sólo si viene del conducto 15 una carga primaria a la válvula 16-B). Se muestra un compresor secundario 2 de tipo Lysholm en serie con el compresor 1. Una admisión de aire 8 y compresores asociados 1 y/o 2 con conductos de admisión y colectores 13 y 14 suministran carga de aire, que se ha comprimido a una presión superior a la atmosférica, al conducto de admisión de aire 15-A y a la válvula de admisión 16-A al cilindro 7. Un segundo conducto 32 dirige una carga de aire desde el conducto 110, a través de la válvula de cierre opcional 33, a la válvula de admisión 16-B para proporcionar aire a presión inferior al mismo cilindro. Alternativamente, puede equiparse un segundo conducto 15-B desde el conducto 15-A con una válvula de control de presión 25 (ambos en transparencia) y puede dirigir la carga de aire a presión inferior hasta la válvula de admisión 16-B. Los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 y las válvulas de control 3, 4, 5 y 6 se usan para ayudar al control de densidad, peso, temperatura y presión de la carga de aire. Las válvulas de admisión se regulan para controlar la relación de compresión del motor. Las cámaras de combustión se dimensionan para establecer la relación de expansión del motor.
Los motores de la Fig. 9, la Fig. 11 y la Fig. 25 tienen árboles de levas 21 equipados con levas y se disponen para rotar a la velocidad del cigüeñal del motor para suministrar una carrera de trabajo por cada pistón de trabajo, por cada rotación del cigüeñal.
El motor 100^{9} mostrado en la Fig. 9 se caracteriza por un proceso de expansión más completo y una relación de compresión inferior a la de los motores típicos, y es capaz de producir una carga de combustión que varía en peso desde más ligera de lo normal a más pesada de lo normal, y capaz de proporcionar selectivamente una presión efectiva media en el cilindro superior a la que puede la disposición convencional en motores normales con presión máxima en el cilindro similar o inferior. El módulo de control del motor (ECM) 27 y las válvulas variables 3, 4, 5 y 6 en conductos como los mostrados proporcionan un sistema para controlar la presión, densidad y temperatura de carga, y la presión media y máxima dentro del cilindro que permiten mayor economía de combustible, producción de mayor potencia y par a todas las RPM, con bajas emisiones contaminantes tanto para motores de encendido por chispa como por compresión. En realizaciones alternativas, un sistema variable de reglaje de válvulas, con el ECM 27, también puede controlar el tiempo de apertura y cierre de las válvulas de admisión 16-A o 16-B, o ambas, para proporcionar además una gestión mejorada de condiciones en la cámara de combustión para asegurar una curva de par más plana, potencia superior y con bajos niveles tanto de consumo de combustible como de emisiones contaminantes.
Breve descripción del funcionamiento del motor 100^{9} mostrado en la Fig. 9
El motor de nuevo ciclo 100^{9} de la Fig. 9 es un motor de gran rendimiento que alcanza tanto gran potencia como par, con bajo consumo de combustible y bajas emisiones contaminantes.
El nuevo ciclo es un ciclo de combustión de tipo de compresión externa. En este ciclo, parte del aire de admisión (todo el cual se comprime en los cilindros de trabajo en motores convencionales) se comprime mediante al menos un compresor auxiliar. La elevación de temperatura al final de la compresión puede suprimirse mediante el uso de enfriadores de aire, que enfrían el aire comprimido, y mediante una carrera de compresión más corta.
Durante el funcionamiento se suministra aire a una válvula de admisión 16-B del cilindro de trabajo 7 que se ha aumentado de presión quizá de un tercio a una atmósfera o más a través de un conducto de admisión de aire 32 que conduce desde el compresor auxiliar 2, o el aire entra por el conducto 15-B y una válvula de control de presión 25. Un segundo conducto de aire 15A suministra selectivamente carga de aire a una presión superior a una segunda válvula de admisión 16-A que conduce al mismo cilindro de trabajo 7. (En este diseño, la válvula de admisión 16-B deja entrar el aire a baja presión después de que las válvulas de escape 17 se abren cerca del punto muerto inferior en la carrera de trabajo, y ha ocurrido el soplado de escape). El soplado de escape ocurre después de que se abre la válvula(s) de escape 17 y la válvula de admisión 16-B se abre y se cierra ahora rápidamente para inyectar aire de barrido a baja presión. El cilindro 7 es barrido además mediante barrido en bucle a medida que el pistón 22 comienza su carrera de compresión. La válvula de admisión 16-B ahora está cerrada y el pistón 22 sube en la carrera de compresión hasta el punto donde debería comenzar la compresión, punto en el que la válvula de escape 17 se cierra cerrando herméticamente el cilindro 7 y estableciendo la relación de compresión. La compresión continúa y, cerca del punto muerto superior, en un punto considerado apropiado, estando presente el combustible, la carga se enciende mediante chispa o compresión y tiene lugar la carrera de trabajo.
Cuando se desea más potencia, puede introducirse una carga de aire secundaria desde el conducto 15-A en el cilindro de trabajo en el momento de, o después del cierre de la válvula(s) de escape 17a durante la carrera de compresión, por la válvula de admisión 16-A que introduce una carga de aire a superior presión y se cierra rápidamente, para incrementar la densidad de carga. Alternativamente, la carga de aire primaria puede aumentarse hasta una presión superior ajustando la válvula de derivación de aire 6 para enviar más aire a través del compresor 2, incrementando la velocidad del compresor 2 o cambiando el ajuste sobre la válvula de control 25 en el conducto 15-B que suministra alternativamente la carga de aire primaria a baja presión a la válvula de admisión 16-B. La temperatura, presión, cantidad y punto de inyección de una carga secundaria, si se añade, se ajustan para producir los resultados deseados.
Para funcionamiento a poca carga, un desactivador de válvula de admisión 31 (existen varios en el mercado, por ejemplo Eaton Corp. y Cadillac) puede desactivar la válvula de admisión 16-A cuando el funcionamiento a poca carga no requiere una alta presión efectiva media en el cilindro. Alternativamente, durante el tiempo que se suministra el aire a baja presión a la válvula de admisión 16-B mediante el conducto 15-B, la válvula de derivación de aire (ABV) 6 puede estar abierta para hacer recircular algo de la carga de aire de vuelta a través del compresor 2 para descargar al compresor de trabajo de compresión durante el funcionamiento a poca carga. Adicional y preferiblemente, la válvula de derivación de aire 4 puede hacer recircular a petición parte o todo el aire bombeado por el compresor 1 de vuelta a la admisión del compresor 1, para reducir la presión y densidad de la carga secundaria que pasa por la válvula de admisión 16-A.
Un procedimiento de funcionamiento preferido, sugerido, del motor de nuevo ciclo 100^{9} es de esta manera:
1.
El aire de admisión a mayor presión que la atmosférica que se ha comprimido por al menos un compresor 2 y con su temperatura ajustada por sistemas de derivación o el enfriador de carga de aire 10, se introduce en el cilindro 7 a través de la válvula de admisión 16-B, que se abre mediante un pequeño lóbulo en la leva 21-B cerca del punto muerto inferior, al final de la carrera de compresión (quizá en el punto muerto inferior) después de que las válvula(s) de escape 17, 17' se han abierto antes, a 40º antes del punto muerto inferior, para soplado de escape. Las válvulas de escape permanecen abiertas después del punto muerto inferior para barrido adicional del cilindro 7. La válvula de admisión 16-B se cierra cerca del punto muerto inferior.
2.
Después de que la carrera de admisión está completa y el cilindro 7 está lleno de carga de aire puro, la válvula(s) de escape 17 se deja abierta durante un periodo de tiempo después de que el pistón ha pasado el punto muerto inferior (con la válvula de admisión 16-B ahora cerrada) para barrer más el cilindro de trabajo con la carga de aire puro presente y, además, para establecer una baja relación de compresión del motor, estableciéndose la relación de compresión por el volumen desplazado del cilindro que queda en el punto de cierre de la válvula de escape 17, que se divide por el volumen de la cámara de combustión.
3.
Con el cilindro 7 lleno ahora de aire puro, la carrera de compresión (2ª) continúa y en algún punto se cierra la válvula de escape 17, y comienza la compresión para una pequeña relación de compresión. Esto hace posible disminuir la elevación de temperatura durante la carrera de compresión. La compresión continúa, se añade combustible si no está presente, y la carga se enciende en el punto apropiado cerca del punto muerto superior y se produce la carrera de trabajo.
4.
(a) Alternativamente, cuando se requiere mayor potencia, se inyecta en el cilindro 7 una carga de aire secundaria comprimida, a temperatura ajustada, mediante la válvula de admisión 16-A, que se abre y se cierra rápidamente durante la carrera de compresión en el punto en el que se cierra la válvula de escape, o más tarde en la carrera, para producir una carga más densa para proporcionar el par y potencia del motor deseados.
(b) Cuando se requiere incluso mayor potencia, puede incrementarse la densidad y el peso de la carga de aire secundaria haciéndola pasar a través de uno o más enfriadores intermedios 10, 11 y 12 e incrementando la velocidad del compresor, o conectando otra etapa de compresión auxiliar o pasando más carga de aire a través de los compresores operacionales.
5.
Cerca de la posición del punto muerto inferior del pistón, las válvulas de escape 17, 17' se abren y el cilindro es barrido eficazmente por soplado y por el aire inyectado por la válvula de admisión primaria 16-B.
Descripción detallada del funcionamiento del motor 100^{9} de la Fig. 9
Cerca del final de la carrera de trabajo (1ª) del pistón 22, quizá a aproximadamente 40º antes de la posición del punto muerto inferior del pistón 22, las válvulas de escape 17 se abren para soplado de escape, poco después de que el aire a baja presión circule a través del conducto de aire 32 desde el conducto 106 y la válvula de cierre opcional 33 y el compresor 2 o, alternativamente, a través del conducto de aire 15-B suministrado por una válvula reguladora de presión 25 desde la línea de aire comprimido 15-A (como se muestra en la Fig. 9 y la Fig. 10), a través de una válvula de admisión 16-B en el cilindro 7. La válvula de admisión 16-B se cierra poco después del punto muerto inferior, o quizá en el punto muerto inferior. Las válvulas de escape 17 permanecen abiertas durante la primera parte de la carrera de compresión (2ª) del pistón 22. El cilindro 7 es barrido ahora eficazmente por soplado y por barrido en bucle y, en cualquier punto de la carrera de compresión, el cilindro 7 ahora lleno de aire puro, pueden cerrarse las válvulas de escape 17, 17'. Pero como se desea una baja relación de compresión, las válvulas de escape 17, 17' pueden mantenerse abiertas hasta que el pistón ha alcanzado el punto que se desea para establecer la relación de compresión. En o después del momento en que están cerradas las válvulas de escape 17a y 17a', puede inyectarse por la válvula de admisión 16-A, dentro del mismo cilindro, una carga secundaria de aire a alta presión, a temperatura ajustada y que se ha comprimido mediante un compresor(es), después de lo cual se cierra la válvula de admisión 16-A. Además, cuando se necesitan par y potencia muy altos, la densidad de la carga de aire secundaria puede incrementarse en gran medida conectando el compresor 2 o incrementando la velocidad del compresor 2, si ya está comprimiendo, como en la Fig. 9, dirigiendo más aire a través de los compresores 1 y/o 2 mediante las válvulas 4 y/o 6, y desviando la carga totalmente o en parte a través de los enfriadores intermedios 10, 11 y 12.
En este sistema, sin tener en cuenta el punto en que la válvula de escape está cerrada para establecer la relación de compresión, la carga de aire puro primaria atrapada en el cilindro 7 será más ligera de lo normal y la relación de compresión será inferior a lo normal, por tanto, si se necesita, puede inyectarse una carga de aire altamente comprimida, a temperatura ajustada, en el cierre de la válvula de escape o más tarde en la carrera, para proporcionar una carga más pesada de lo normal pero estando limitada la elevación de temperatura por la carga de aire enfriada y la corta carrera de compresión. Esto produce una presión efectiva media en el cilindro mayor de lo normal cuando se quema para gran par y potencia pero todavía con una relación de expansión mayor que la relación de compresión.
Para funcionamiento a poca carga, una válvula de cierre o un desactivador de válvula 31 (en transparencia) en la válvula de admisión de alta presión podrían limitar temporalmente la admisión de aire, o mantener cerrada la válvula 16-A. Esto aumentaría la economía de combustible del motor. Alternativamente, si el compresor 2 no está suministrando aire al conducto 32 y a la válvula de admisión 16-B, durante el funcionamiento a poca carga la válvula obturadora 5 podría estar cerrada y la válvula de derivación de aire 6 podría estar abierta, de manera que el aire bombeado por el compresor 2 podría devolverse en parte o totalmente al conducto de admisión del compresor 2 teniendo lugar allí poca o ninguna compresión.
Como se muestra en la Fig. 10, puede disponerse una válvula de admisión automática auxiliar 26, Fig. 10, para impedir ningún reflujo de carga de aire al conducto 15-A si la presión del cilindro 7 se aproximara o sobrepasara la presión en el conducto 15-A durante la carrera de compresión del pistón 22 antes del cierre de la válvula de admisión 16-A.
Alternativamente, la válvula automática auxiliar 26 de la Fig. 10 podría usarse para proporcionar una relación de presiones constante o variable en el cilindro 7. En este caso, la válvula 16-A se mantendría abierta hasta cerca del punto muerto superior y el momento de cierre de la válvula 26 se ajustaría por el diferencial de presiones en el cilindro 7, controlado por las válvulas 3, 4, 5 y 6 por la salida del compresor(es) y por cualquier válvula reguladora presente. La válvula automática 26 podría ser del tipo de disco retraído por muelle y podría estar fabricada de metal o cerámica.
El combustible puede carburarse, inyectarse en un cuerpo del regulador 56, mostrado en la Fig. 15 a la Fig. 17 y el elemento 56 en la Fig. 19 y la Fig. 20, o el combustible pude inyectarse en la corriente de aire de admisión, inyectarse dentro de una cámara de precombustión (similar a la vista en la Fig. 21), o inyectarse a través de las válvulas de admisión 16-A, o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión en un punto x durante la carrera de escape-compresión, en el momento o después de que el pistón 22 ha pasado el punto x en la carrera de compresión. El combustible también puede inyectarse más tarde y, en el caso de funcionamiento diesel, puede inyectarse en el punto usual para inyección de gasoil, quizá dentro de una cámara de precombustión o directamente dentro de la cámara de combustión, quizá como en la Fig. 21, o directamente sobre una bujía incandescente. Después de que se ha inyectado la carga de aire a temperatura y densidad ajustadas, si se usa, continúa la compresión de la carga y, con combustible presente, se enciende en el momento oportuno para la carrera de expansión. (La relación de compresión se establece por el volumen desplazado del cilindro que queda después de que se ha alcanzado el punto x, que se divide por el volumen de la cámara de combustión. La relación de expansión se determina dividiendo el volumen total de la cámara de compresión de los cilindros por el volumen de la cámara de combustión).
Ahora se enciende la carga combustible-aire y tiene lugar la carrera de trabajo (3ª) del pistón 22 a medida que se expanden los gases de escape. Cerca del punto muerto inferior de la carrera de trabajo se abre la válvula(s) de escape 17, 17' y el cilindro 7 es barrido eficazmente por soplado y por barrido en bucle al final de la carrera de trabajo y principalmente durante el tiempo para invertir la dirección del pistón 22.
Puede verse que cuanto más tarde se alcanza el punto en la carrera de compresión después del punto x (cuanto más tarde se cierra la válvula de escape), menor es la relación de compresión del motor y menos se calienta la carga durante la compresión.
También puede verse que cuanto más tarde se introduce la carga a temperatura y densidad ajustadas, menos trabajo del motor se requerirá para comprimir la carga, la última parte de la cual ya ha recibido algo de compresión mediante el compresor 1 y/o mediante un compresor auxiliar 2. En algunos casos donde la carga es ligera y la economía de combustible importante podría derivarse el compresor auxiliar, con la carga de aire secundaria quizá eliminada temporalmente, y el peso de carga total podría ser menos que el de un motor convencional y, con la relación de expansión ampliada, producir incluso mejor economía de combustible.
Durante el funcionamiento a poca carga de este motor de ciclo de 2 tiempos (Fig. 9 y Fig. 9-B), como a la velocidad de crucero de un vehículo o en generación de energía eléctrica para poca carga, la carga de aire secundaria puede eliminarse desactivando temporalmente la válvula de admisión de alta presión 16-A (existen varios sistemas desactivadores de válvulas, Eton, Cadillac, etc.) o puede desconectarse el aire hacia la válvula de admisión 16-A y el motor aún produce mayor economía de combustible y potencia, siendo suministrada la carga de aire por el compresor 2 ó 1 a través de los conductos 15-A, 110, 32 y la válvula de admisión 16-B.
El motor 100^{9-B} de la Fig. 9-B
La Fig. 9-B es una representación esquemática de un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{9-B} que es idéntico en la mayor parte al motor 100^{9} de al Fig. 9. Las características y funcionamiento, y la estructura del motor 100^{9-B} de la Fig. 9-B son básicamente similares al motor 100^{9} de la Fig. 9 y, excepto cuando sea necesario para señalar puntos de distinción específicos, tales características, funcionamiento y estructura no se repiten en la presente memoria. Debería hacerse referencia (tanto breve como detallada) a las secciones sobre características, estructura y funcionamientos presentadas previamente en relación con el motor 100^{9} de la Fig. 9.
El principal punto de distinción entre el motor 100^{9} y el motor 100^{9-B} es que el motor 100^{9-B} representa una realización del motor 100^{9} en la que los compresores 1, 2 son de tipos alternativos. Es decir, en el motor 100^{9-B} se muestra el compresor primario 1 como un compresor rotativo Lysholm (a diferencia del compresor de tipo alternativo del motor 100^{9}) y el compresor secundario 2 es del tipo turbocompresor (a diferencia del de tipo Lysholm del 100^{9}). Aunque se muestra al conducto 32 desde el conducto 110 (designado como 106 en la Fig. 9) y la válvula de cierre opcional 33 suministrando a las válvulas de admisión 16-B de sólo dos cilindros del motor, se entiende que otros conductos de admisión (no mostrados) distribuyen aire desde el conducto 110 al resto de las válvulas de admisión 16-B del motor, o que el conducto 32 suministra a una "caja de aire" o colectores que distribuyen el aire a todas las válvulas de admisión 16-B.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 10, se muestra el mismo motor y el mismo sistema de funcionamiento que el descrito para los motores de la Fig. 9 y la Fig. 9-B, pero tiene una característica añadida opcional en que la válvula de admisión secundaria 16-A tiene una válvula auxiliar 26, que es automática, para impedir el reflujo de la carga de aire desde el cilindro 7. Esta característica impedirá que se produzca cualquier reflujo durante la carrera de compresión del motor de esta invención, la presión del cilindro debería aproximarse o superar la presión en el conducto 15-A antes de que la válvula de admisión 16-A estuviera completamente cerrada. (Esta válvula automática opcional 26 podría ser del tipo de disco retraído por muelle, o podría ser cualquier tipo de válvula de paso único). Podría usarse una válvula automática en este lugar para regular la relación de presiones en el cilindro 7 durante la compresión de la carga. En este caso, la válvula de admisión 16-A podría mantenerse abierta hasta cerca del punto muerto superior, cerrando automáticamente la válvula 26 la admisión por debajo de la válvula 16-A durante la compresión, encendido y carrera de trabajo de la carga. Además, el uso de la válvula automática 26 permitiría que la relación de presiones del motor se ajustara simplemente ajustando la presión en el conducto 15-A, manteniéndose abierta la válvula de admisión 16-A hasta cerca del punto muerto superior del pistón 22. La válvula auxiliar 26, si está presente, también impartiría a la carga de combustión una turbulencia de remolino orientada tangencialmente como también lo haría, encerrando la válvula de admisión 16-A.
El motor 100^{11} de la Fig. 11
Haciendo referencia ahora a la Fig. 11, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros 100^{11} con una admisión de aire atmosférico, en el que todos los cilindros 7a-7f (de los que sólo se muestra uno (7f) en una vista en corte) y pistones asociados 22a-22f funcionan según un ciclo de 2 tiempos y todos los cilindros de trabajo se usan para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Se muestra un compresor primario 1, en esta figura uno de tipo alternativo de doble efecto, que, con unos conductos de aire como los mostrados, suministra aire presurizado a una o más válvulas de admisión de los cilindros 16a y 16b. Se muestra un compresor secundario 2 del tipo Lysholm en serie con el compresor 1. Una admisión de aire 8 y conductos de admisión y colectores 13 y 14 asociados suministran carga de aire, que se ha comprimido hasta una presión superior a la atmosférica, a un conducto de admisión del cilindro 15 que suministra carga de aire a dos válvulas de admisión, válvulas de admisión 16a y 16b, que funcionan independientemente una de otra pero se abren al mismo cilindro. Se usan enfriadores intermedios 10, 11 y 12 y válvulas de control 3, 4, 5 y 6 para ayudar al control de la densidad, peso, temperatura y presión de la carga de aire. Las válvulas de admisión se regulan para controlar la relación de compresión del motor. Las cámaras de combustión se dimensionan para establecer la relación de expansión del motor.
El motor 100 de la Fig. 8, la Fig. 9, la Fig. 10 y la Fig. 11 tiene árboles de levas 21 equipados con levas y se disponen para rotar a la velocidad del cigüeñal del motor, para suministrar una carrera de trabajo por cada pistón de trabajo por cada rotación del cigüeñal.
El motor 100^{11} mostrado en la Fig. 11 se caracteriza por un proceso de expansión más extenso, una baja relación de compresión y ser capaz de producir una carga de combustión que varía en peso desde más ligera de lo normal a más pesada de lo normal, y capaz de proporcionar selectivamente una presión efectiva media en el cilindro superior a la que puede la disposición convencional en motores normales, pero que tiene presión máxima en el cilindro similar o inferior. El módulo de control del motor (ECM) 27 y las válvulas variables 3, 4, 5 y 6 en conductos, según se muestra, proporcionan un sistema para controlar la presión, densidad y temperatura de carga y la presión media y máxima dentro del cilindro que permite mayor economía de combustible, producción de mayor potencia y par a todas las RPM, con bajas emisiones contaminantes tanto para motores de encendido por chispa como por compresión. En realizaciones alternativas, un sistema de reglaje de válvulas variable con el ECM también puede controlar el tiempo de apertura y de cierre de las válvulas de admisión 16a o 16b, o ambas, para proporcionar además una gestión mejorada de condiciones en la cámara de combustión, para asegurar una curva de par más plana y potencia superior con bajos niveles tanto de consumo de combustible como de emisiones contaminantes.
Breve descripción del funcionamiento del motor 100^{11} mostrado en la Fig. 11
El motor de nuevo ciclo 100^{11} de la Fig. 11 es un motor de gran rendimiento que alcanza tanto gran potencia como par, con bajo consumo de combustible y bajas emisiones contaminantes.
El nuevo ciclo es un ciclo de combustión de tipo de compresión externa. En este ciclo, parte del aire de admisión (todo el cual se comprime en los cilindros de trabajo en motores convencionales) se comprime mediante un compresor auxiliar. La elevación de temperatura al final de la compresión puede suprimirse mediante el uso de enfriadores de aire, que enfrían el aire de admisión, y mediante una carrera de compresión más corta.
Durante el funcionamiento se suministra aire al cilindro de trabajo 7 a una presión que se ha incrementado quizá desde un tercio a varias atmósferas o más, a través de un conducto de admisión de aire 15. La válvula 16b se abre por la presión en la parte superior del vástago de válvula de un lóbulo muy pequeño en la leva 21-A durante un corto periodo de tiempo, cerca de la posición del punto muerto inferior del pistón 22, para barrer el cilindro y proporcionar carga de aire puro. Las válvulas de escape 17, 17' se abren para soplado de escape un poco antes de que se abra la válvula de admisión 16b para dejar entrar aire de barrido. El cilindro 7 es barrido eficazmente principalmente durante el tiempo para invertir la dirección del pistón 22. Durante la primera parte de la carera de compresión, quizá tan pronto como 10-20º después de la posición del punto muerto inferior del pistón 22, se cierra la primera válvula de admisión 16b, en un momento posterior se cierra la válvula de escape 17, 17', punto en el que comienza la compresión de la carga de aire puro, que establece la relación de compresión del motor. En el punto en que se cierran las válvulas de escape 17, 17' o en cualquier punto posterior, se abre, preferiblemente, la segunda válvula de admisión 16a y quizá la 16b, mediante un segundo lóbulo 21-C para introducir más carga a temperatura y densidad ajustadas, si se necesita.
Un desactivador de válvula de admisión 31 en la Fig. 10 (existen varios en el mercado, por ejemplo Eaton Corp. y Cadillac) puede desactivar la válvula de admisión 16a cuando el funcionamiento a poca carga no requiere una alta presión efectiva media en el cilindro. Alternativamente, la válvula de derivación de aire (ABV) 6 se abre total o parcialmente para hacer recircular algo o toda la carga de aire de vuelta a través del compresor 2 para descargar al compresor de trabajo de compresión durante el funcionamiento a poca carga. Adicionalmente, la válvula de derivación de aire 4 puede hacer recircular parte o todo el aire bombeado por el compresor 1 cuando se requiere para reducir la presión y densidad de carga.
Un procedimiento de funcionamiento preferido, sugerido, del motor de nuevo ciclo 100^{11}es de esta manera:
1.
El aire de admisión a mayor presión que la atmosférica, que se ha comprimido mediante al menos un compresor y con su temperatura ajustada por sistemas de derivación y enfriadores de carga de aire, se introduce en el cilindro 7 a través de la válvula de admisión 16b, que se abre mediante un lóbulo muy pequeño 21-D en la leva 21-A en o cerca del punto muerto inferior del pistón 22, al final de la carrera de compresión, cuando la válvula(s) de escape 17a, 17a' se ha abierto un poco antes (quizá 40º antes del punto muerto inferior), para soplado de escape. La válvula de escape 17 permanece abierta durante el punto muerto inferior para barrido eficaz del cilindro 7 mediante soplado y barrido en bucle. La válvula de admisión 16b se cierra a medida que la carga de aire puro a alta presión barre muy rápidamente el cilindro 7.
2.
Después de que la carrera de trabajo está completa, las válvulas de escape 17 se dejan abiertas durante un periodo de tiempo después de que el pistón ha pasado el punto muerto inferior (con la válvula de admisión 16b ahora cerrada) para continuar barriendo el cilindro de trabajo con la carga de aire puro y, además, para establecer una baja relación de compresión del motor, estableciéndose la relación de compresión por el volumen desplazado del cilindro que queda en el punto de cierre de la válvula de escape 17, que se divide por el volumen de la cámara de combustión.
3.
Con el cilindro 7 lleno ahora de aire puro que está casi a presión atmosférica, la carrera de compresión (2ª) continúa y, en el punto en que se cierra la válvula de escape, comienza la compresión para una pequeña relación de compresión. Esto hace posible disminuir la elevación de temperatura durante la carrera de compresión. La compresión continúa, se añade combustible, si no está presente, y la carga se enciende en el punto apropiado cerca del punto muerto superior y se produce la carrera de trabajo.
4.
(a) Alternativamente, en cualquier punto considerado apropiado, en el momento o después de que se haya cerrado la válvula de escape y haya comenzado la compresión de la carga, puede inyectarse una carga de aire secundaria, a densidad y temperatura ajustadas, a través de la válvula de admisión 16a y quizá mediante un segundo lóbulo 21-C en la leva 21-A, a través de la válvula admisión 166. La compresión continúa con la inyección de la carga de aire secundaria, se añade combustible, si no está presente, la carga se enciende y la combustión produce una gran expansión de los gases de escape, produciendo gran energía. Esta energía se convierte en gran par y potencia mediante el motor.
(b) Cuando se requiere incluso mayor potencia, puede incrementarse la densidad y el peso de la carga de aire haciéndola pasar a través de uno o más enfriadores intermedios e incrementando la velocidad del compresor, o conectando una segunda etapa 2 de compresión auxiliar, Fig. 11. Alternativamente, podrían alterarse temporalmente el reglaje de cierre de la válvula de escape 17 y el de la apertura de la válvula de admisión 16a para cerrarse antes y abrirse antes, respectivamente, para una carga mayor.
5.
Cerca del punto muerto inferior del pistón, las válvulas de escape 17, 17' se abren y el cilindro es barrido por soplado y por el aire inyectado por la válvula de admisión primaria 16-B.
Descripción detallada del funcionamiento del motor 100^{11} de la Fig. 11
Cerca del final de la carrera de trabajo (1ª) del pistón 22, quizá a aproximadamente 40º antes de la posición del punto muerto inferior del pistón 22, las válvulas de escape 17 se abren para soplado de escape, poco después circula aire a baja presión a través del conducto de aire 15 desde los colectores 13 y 14, según se muestra en la Fig. 11, a través de una válvula de admisión 16b dentro del cilindro 7, el cilindro 7 es barrido, la válvula de admisión 16b se cierra. (La cabeza de la válvula de admisión puede retirarse como se muestra en la Fig. 11 para formar una abertura como una pipa en el cilindro 7, de manera que, cuando la carga de aire se comprime mucho, y si es posible hasta 35-37,1 kg/cm^{2}, el pequeño lóbulo 21-D en la leva 21-A de la válvula de admisión 16b deja entrar un pequeño chorro del aire a alta presión que se dirige hacia abajo para barrido en bucle, durante o sólo después de la vuelta del pistón 22 a la posición del punto muerto inferior del pistón). Las válvulas de escape 17 permanecen abiertas durante la primera parte de la carrera de compresión (2ª) del pistón 22. El cilindro 7 es barrido ahora eficazmente por soplado y por barrido en bucle y, en cualquier punto de la carrera de compresión, el cilindro 7, que ahora está lleno de aire puro, pueden cerrarse las válvulas de escape 17, 17'. Pero como se desea una baja relación de compresión, las válvulas de escape 17, 17' pueden mantenerse abiertas hasta que el pistón haya alcanzado el punto que se desea para establecer la relación de compresión. En o después del momento en que se cierra la válvula de escape 17, puede inyectarse mediante una segunda válvula de admisión 16a una carga secundaria de aire a alta presión a temperatura ajustada que se ha comprimido mediante el compresor 1 y/o 2 y, si se desea, mediante otro lóbulo 21-C (en transparencia) en la primera válvula 16b dentro del mismo cilindro. (Cuando se necesita gran par y potencia, la densidad de la carga de aire puede incrementarse en gran medida incrementando la velocidad del compresor primario 1 o conectando otra etapa de compresión, como en el compresor 2, Fig. 11, y dirigiendo la carga a través de los posenfriadores 10, 11 y 12. También puede incrementarse la velocidad del compresor 2 para empujar dentro más carga sobre el extremo posterior). La compresión continuaría, para una pequeña relación de compresión, se añadiría combustible, si no está presente, la carga se encendería y los gases se expandirían contra el pistón 22 durante la carrera de trabajo.
Para funcionamiento a poca carga, una válvula de cierre (o un desactivador de válvula 31 mostrado en la Fig. 10 en la válvula de admisión 16-A) podría limitar temporalmente la admisión de aire, o mantener cerrada la válvula de admisión 16a. Esto aumentaría la economía de combustible del motor. Alternativamente, durante el funcionamiento a poca carga la válvula obturadora 5 podría estar cerrada y la válvula de derivación de aire 6 podría estar abierta, de manera que el aire bombeado por el compresor 2 podría devolverse al conducto de admisión del compresor 2 sin que tenga lugar ninguna compresión. De la misma manera, las válvulas 3 y 4 podrían devolver parte del aire que se bombea a través de la admisión 106 del compresor 1.
La válvula de admisión automática auxiliar 26, Fig. 10, que puede ser del tipo de disco retraído por muelle, puede disponerse, como se muestra en la Fig. 10, para impedir cualquier reflujo de carga de aire al conducto 15 si la presión del cilindro igualara o superara la presión en el conducto 15 durante la carrera de compresión del pistón 22 antes de que la válvula de admisión 16a se haya cerrado completamente. (Como en otros diseños de motores presentados en la presente memoria, la válvula automática opcional 26 mostrada en la Fig. 10 puede usarse para controlar la relación de presiones de este motor. Si la válvula de admisión 16a se mantiene abierta hasta cerca del punto muerto superior, el cierre de la válvula 26 y la relación de presiones del cilindro 7 podrían controlarse mediante válvulas de control 3, 4, 5 y 6, y mediante la velocidad del compresor y mediante cualquier otra válvula reguladora presente). La válvula automática 26 cerraría herméticamente la admisión del conducto 15 durante la última parte de la carrera de compresión, encendido de la carga y durante la carrera de trabajo.
El combustible puede carburarse, inyectarse en un cuerpo del regulador 56 en la Fig. 15 a la Fig. 17, y 56 en la Fig. 19 y 20, o el combustible pude inyectarse en la corriente de aire de admisión, o inyectarse dentro de una cámara de precombustión, o inyectarse a través de las válvulas de admisión 16a, 16b (esta durante su segunda apertura por el lóbulo 21-C en la leva 21-A), o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión en o después del punto x en la carrera de escape-compresión. El combustible también puede inyectarse más tarde y, en el caso de funcionamiento diesel, puede inyectarse en el punto usual para inyección de gasoil, quizá dentro de una cámara de precombustión, o directamente dentro de la cámara de combustión o directamente sobre una bujía incandescente. Después de que se ha inyectado la carga de aire a temperatura y densidad ajustadas, si se usa, continúa la compresión de la carga y, con combustible presente, se enciende en el momento oportuno para la carrera de expansión. (La relación de compresión se establece por el volumen desplazado del cilindro que queda después de que se ha alcanzado el punto x (en el cierre de la válvula de escape), que se divide por el volumen de la cámara de combustión. La relación de expansión se determina dividiendo el volumen total de la cámara de compresión de los cilindros por el volumen de la cámara de combustión). Ahora se ha encendido la carga combustible-aire y tiene lugar la carrera de trabajo del pistón 22 a medida que se expanden los gases de escape. Cerca del punto muerto inferior de la carrera de trabajo, se abre la válvula(s) de escape 17 y el cilindro 7 es barrido eficazmente, primero por soplado, luego por barrido en bucle, por aire de la válvula de admisión 16b al final de la carrera de trabajo o poco antes.
Puede verse que cuanto más tarde se alcanza el punto en la carrera de compresión después del punto x (más tarde se cierre la válvula de escape), menor es la relación de compresión del motor y menos se calienta la carga durante la compresión.
También puede verse que cuanto más tarde se introduce la carga a temperatura y densidad ajustadas, menos trabajo del motor se requerirá para comprimir la carga, la última parte de la cual ya ha recibido algo de compresión mediante el compresor 1 y/o mediante un compresor auxiliar 2. En algunos casos donde la carga es ligera y la economía de combustible importante podría derivarse el compresor auxiliar, con la carga de aire secundaria quizá eliminada temporalmente, y el peso de carga total podría ser menos que el de un motor convencional.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 12, se muestra un diagrama presión-volumen para un motor Diesel rápido comparado con los motores de esta invención, que muestra tres etapas de compresión enfriadas en enfriadores intermedios y una cuarta etapa de compresión sin enfriar que indica una relación de compresión de aproximadamente 2:1, disposición que se sugiere para potencia óptima, con rendimiento, para el motor de esta invención. (Los gráficos de la Fig. 13 y la Fig. 14 muestran algunas de las mejoras del motor de esta invención sobre motores actuales de uso industrial de 2 tiempos y de 4 tiempos).
Existen varias características que mejoran el rendimiento térmico del motor de esta invención. Mayor potencia para relaciones de peso que proporcionan un motor menor con menos pérdidas por rozamiento. La relación de expansión ampliada tiene como resultado rendimiento superior del ciclo termodinámico, que se demuestra en consideraciones teóricas. También existen ganancias de rendimiento definidas en un proceso de compresión "por etapas" incluso con compresores externos con canalizaciones asociadas, enfriadores intermedios y posenfriadores, etc. Existe un ahorro de energía muy importante cuando el aire se comprime en etapas enfriadas en enfriadores intermedios. Se usa menos energía en comprimir una carga a 35 kg/cm^{2} en 2, 3 ó 4 etapas enfriadas en enfriadores intermedios que la que se usa para comprimir la carga caliente a los mismos 35 kg/cm2 en un motor convencional. Un motor normal usa aproximadamente el 20% de su propia energía producida para comprimir su propia carga de aire. Los cálculos muestran un ahorro importante de energía en un motor si el aire se comprime en etapas postenfriadas. Comprimir una carga en sólo dos etapas hasta 37,17 kg/cm^{2} (una relación de compresión de 13:1) reduce la energía usada alrededor de 15,8% frente a comprimir hasta el mismo nivel de 37,17 kg/cm^{2} en una sola etapa, como lo hacen los motores de ciclo Otto y Diesel. Tres etapas de compresión enfriadas en enfriadores intermedios elevan el ahorro al 18%. Esto es lo ideal. La disminución respecto al ideal no debería superar el 25%, lo que deja un ahorro de energía de 13,5%. Este 13,5% de ahorro de energía determina el 20% de la potencia de un motor normal usada para comprimir su propia carga, es una mejora de rendimiento de 2,7% sólo mediante el proceso de compresión. Esta es una de las ventajas de este motor que se añade a las otras mejoras de rendimiento térmico. La baja relación de compresión, junto con la gran relación de expansión, proporciona mejoras en rendimiento, par, potencia y durabilidad en tanto que disminuye las emisiones contaminantes.
Nota 1
En la Fig. 12, la distancia recorrida de la línea para el motor B sobre la coordenada horizontal indica el volumen teórico a la mayor densidad. La densidad se mantiene a ese nivel en el volumen de la cámara de combustión real (como se muestra por la línea de trazos V), sin tener en cuenta la densidad, bombeando más carga en la parte trasera.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 13, se muestra un gráfico que compara diversos parámetros de funcionamiento del motor de esta invención (B) con los parámetros de funcionamiento de un motor conocido de ciclo diesel de 2 tiempos (A) de uso industrial.
Los parámetros mostrados para el motor A son los parámetros de funcionamiento normales para ese motor, por ejemplo relación de compresión, temperaturas de combustión, densidad de carga, etc. Los parámetros escogidos para ilustrar, para el motor (B), se dan a dos relaciones de compresión diferentes inferiores a la "nominal" con relaciones de compresión "efectiva" correspondientes, enfriadas en los enfriadores intermedios y sin enfriar, para dos niveles diferentes de potencia de salida. Las columnas que muestran densidades de carga y relaciones de expansión indican las mejoras en las mejoras de potencia por unidad de volumen en estado de régimen para el motor B incluso a una relación de compresión considerablemente inferior a la nominal y una relación de compresión efectiva tan baja como 2:1, como se muestra en la Fig. 10. Las columnas que muestran bajas temperaturas al final de la combustión, y la columna que muestra relaciones de expansión ampliadas indican emisiones contaminantes mucho más bajas. Las mejoras de potencia indicada del motor (B) sobre el motor (A) incluso a la relación de compresión nominal inferior no son menos del 50%.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 14, se muestra un gráfico que compara los diversos parámetros de funcionamiento del motor de esta invención (B) con los parámetros de funcionamiento de un motor diesel conocido de 4 tiempos (A) de uso industrial.
Cuando se realizan comparaciones similares a las de la Fig. 13, las mejoras de potencia del estado de régimen y de densidad son muy superiores, ya que el motor (B) enciende la carga más densa dos veces más frecuentemente que el motor A para una mejora de potencia por unidad de volumen en estado de régimen de 180% sobre el motor (A).
Haciendo referencia ahora a la Fig. 15, se muestra un dibujo esquemático de un motor que representa los motores de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10 con un enfriador de aire separado 10 para el compresor auxiliar 2, suministrando el compresor primario 1 a dos colectores 13 y 14 y que tiene enfriadores de aire separados 11 y 12 y conductos de carga de aire 114 y 115, y con cada colector teniendo tres conductos de admisión de aire al cilindro 15a-15c, 15d-15f, respectivamente. El motor de la Fig. 15 funciona igual que los motores de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10, y aquí muestra posiciones de válvulas sugeridas para la válvula obturadora y las válvulas de derivación de aire para suministrar a los colectores 13 y 14 una carga de aire óptima para funcionamiento a poca carga del motor de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10. Para funcionamiento a poca carga, la válvula obturadora 5 puede estar cerrada y la válvula de derivación de aire 6 del compresor (si el compresor 2 no está suministrando carga de aire primaria directamente al conducto 32 y a la válvula de admisión 15-B) puede estar abierta total o parcialmente, de manera que parte o todo el aire de admisión del compresor 2 puede devolverse a la admisión del compresor 2 produciéndose allí poca o ninguna compresión. También, la válvula obturadora 3 del compresor 1 puede estar cerrada, pasando la carga de aire en sentido opuesto a los enfriadores 11 y 12, la válvula de derivación de aire 4 se cerraría para impedir la recirculación del aire ahora comprimido y calentado de vuelta a través del compresor 1 y cuya válvula obturadora 3 y válvulas de derivación de aire están ambas dirigiendo la carga de aire sin enfriar a los colectores 13 y 14 para una carga calentada de baja densidad para funcionamiento a poca carga. Preferiblemente, el compresor se mantendría operativo para suministrar la carga de aire primaria a través de los conductos 110, 32 y la válvula de admisión 16-B para un sistema de barrido-carga más económico.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 16, se muestran posiciones sugeridas de válvulas para suministrar a los colectores 13 y 14 una carga de aire óptima para funcionamiento a media carga para los motores de la Fig. 16 o para los motores de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10. Para funcionamiento a media carga, la válvula obturadora 5 del compresor 2 se cierra y la válvula de derivación de aire 6 se abriría para pasar la carga de aire sin enfriar y sin compresión a la admisión del compresor 1, donde la válvula obturadora 3 cerrada y la válvula de derivación de aire 4 cerrada dirigen la carga de aire ahora comprimida por el compresor 1 pasando los enfriadores intermedios hasta los colectores 13 y 14, con el aire comprimido y calentado por el compresor 1, para funcionamiento a media carga.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 17, se muestra una situación sugerida para proporcionar al motor de la Fig. 17, o para los motores de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10, una carga de aire de alta densidad para funcionamiento con gran potencia de salida, de uso industrial. La Fig. 17 muestra las dos válvulas obturadoras 3 y 5 abiertas y las dos válvulas de derivación de aire 4 y 6 cerradas completamente para que la etapa de compresión primaria esté operativa y una segunda etapa de compresión se ha hecho operativa para compresión máxima de la carga, y toda la carga de aire está pasando por los enfriadores intermedios 10, 11 y 12 para producir una carga de aire enfriada, de muy alta densidad en los colectores 13 y 14 y en los cilindros de trabajo de los motores para funcionamiento a gran carga. Esto produce una presión efectiva media muy alta en el cilindro para gran par y potencia, siendo la presión máxima en el cilindro la misma o inferior a la de los motores normales.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 18, se muestra un dibujo esquemático de un tipo alternativo de compresor auxiliar 2' para los motores de las Figs. 5-7 y las Figs. 9-10 y para cualquier otro motor de esta invención, y un sistema para proporcionar un sistema para desconectar el compresor auxiliar cuando no se necesite alta presión y densidad de carga. Para descargar de trabajo al compresor 2' (si el aire comprimido por el compresor 2 no va directamente al conducto 32 y a la válvula 16-B para suministrar la carga de aire primaria), la válvula obturadora 5 está cerrada y la válvula de derivación de aire 6 está abierta para que el aire bombeado a través del compresor 2' pueda recircular a través del compresor 2, descargando así al compresor de trabajo de compresión.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 19, se muestra un dibujo esquemático de los motores de las Fig. 5-7 y de las Fig. 9-10, que ilustran medios de control de la densidad, la temperatura y la presión de la carga de aire mediante direcciones variantes del flujo de aire a través de varias válvulas electrónicas o de funcionamiento en vacío y sus conductos.
La Fig. 19 también muestras los diversos recorridos posibles de carga de aire, usando flechas huecas para indicar recorridos de aire calentado y flechas sólidas para indicar los recorridos de aire más denso enfriado en los enfriadores intermedios, indicando así cómo pueden controlarse termostática o electrónicamente las temperaturas de la carga de aire dividiendo la carga de aire en dos recorridos diferentes. Alternativamente, toda la carga de aire puede dirigirse más allá de los enfriadores de aire o puede dirigirse a través de los enfriadores de aire, como se muestra en la Fig. 19. También, la Fig. 19 muestra cómo puede variarse la salida de presión del compresor 1 y el compresor 2 abriendo parcial o totalmente las válvulas de derivación de aire 4 y 6 o cerrando completamente una o las dos válvulas de control. Se sugiere un módulo de control del motor (ECM) 27 para controlar los diversos parámetros de funcionamiento de los motores de esta invención.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 20, se muestra un dibujo esquemático que describe una disposición alternativa en la que un motor eléctrico 34 acciona preferiblemente el comprensor(es) de cualquiera de los motores de la presente invención, en la presente memoria.
Control de "válvula obturadora" de derivación del enfriador de carga de aire (ACB)
En esta sección se describen aspectos de componentes de control preferidos que encuentran aplicación junto con cualquiera de los motores (4 tiempos y 2 tiempos) de la presente invención.
Resumen: Las válvulas 3 y 5 son válvulas de solenoide de derivación del enfriador de carga de aire (ACB). En el control de derivación del enfriador de carga de aire, el aire de admisión se desvía entre dos recorridos mediante las válvulas 3 y 5, independientemente una de otra: (a) la válvula 5 dirige el flujo desde el compresor 2 directamente hacia el conducto de admisión del compresor 1 o (b) a través del enfriador de carga de aire 10 antes de circular hacia el conducto de admisión del compresor 1. La válvula 3 dirige el flujo desde el compresor 1 (a) hacia el conducto 111/121/122 que conduce directamente a los colectores de admisión 13 y 14 o (b) pasa la carga de aire a través de los enfriadores de carga de aire 11 y 12 antes de que circule hacia los colectores 13 y 14.
Un módulo de control del motor (ECM) 27 puede controlar las válvulas de derivación del enfriador de aire 3 y 5. Las válvulas de derivación pueden ser una válvula de tipo obturador, para pasar toda la carga de aire o nada en cualquier dirección, o las válvulas 3 y 5 pueden ser de tipo de solenoide helicoidal u otro tipo de válvula que pueda pasar parte de la carga de aire a través de los conductos de derivación 121 y 122 y parte a través de los enfriadores de aire 10, 11 y 12 para control preciso de la temperatura y densidad de la carga de aire. El ECM podría recibir señales de sensores como un sensor del líquido refrigerante del motor, un sensor de posición del cigüeñal, sensor de posición del regulador, sensor de posición del árbol de levas, un sensor de presión absoluta en el colector y un sensor de oxígeno calentado.
Control de válvula de derivación de aire (ABV)
Resumen: Para proporcionar presión óptima de carga de aire para diferentes condiciones de funcionamiento del motor, el ECM 27 puede enviar señales para controlar las válvulas de derivación de aire 4 y 6. Estas válvulas podrían ser válvulas de solenoide todo-nada, posiblemente de funcionamiento por vacío, o podrían ser válvulas de solenoide helicoidal o de otro tipo que pudiera abrirse parcial o totalmente para hacer recircular parte o toda la carga de aire de vuelta a través de las admisiones 110 y 8 de los compresores 1 y 2, para reducir o eliminar completamente la presión de bombeo del compresor 1 o del compresor 2, o de ambos. Podrían usarse disposiciones similares de control de presión de aire para etapas adicionales de compresión de aire si se usan etapas
adicionales.
El funcionamiento podría ser de esta manera: Las válvulas ABV 4 y 6 pueden controlarse mediante señales del ECM 27 para controlar el ángulo de apertura de las válvulas 4 y 6 para proporcionar las presiones de carga de aire óptimas para diversas cargas del motor y ciclos de trabajo. Cuando la ABV 6 se abre parcialmente, se pasa algo del aire bombeado a través del compresor 2 de vuelta a la admisión 8 del compresor 2 para reducir la presión de compresión. Cuando la ABV 6 se abre totalmente, toda la carga del compresor se pasa de vuelta a través del compresor 2, así el compresor 2 sólo bombea la carga a través de él sin incremento de presión. El sistema puede trabajar igual para la válvula 4, que podría derivar algo de la carga de aire bombeada por el compresor 1 de vuelta al conducto de admisión 110 del compresor 1 para reducir la densidad de carga de aire.
Con esta disposición, combinada con la disposición del el control ECM 27 del sistema de derivación del enfriador de carga de aire para válvulas variables 3 y 5, puede gestionarse la temperatura, densidad, presión y turbulencia de la carga de aire para producir los niveles deseados de potencia y par y emisiones característicos en el cilindro de trabajo del
motor.
Las condiciones del motor que podrían monitorizarse mediante el ECM 27 para lograr las condiciones del motor apropiadas con respecto al control de las válvulas ABV 4 y 6 podrían incluir un sensor de posición del regulador, (o sensor de actividad de inyección de combustible), sensor de temperatura de aire de admisión en diversos puntos, sensor de presión absoluta en el colector, sensor de posición del árbol de levas, sensor de posición del cigüeñal, sensor de temperatura de escape, un sensor de oxígeno calentado y/o otras tomas sensoriales que se sabe se usan en motores de combustión interna.
El ECM 27 puede controlar tanto las válvulas obturadoras 3 y 5 como las válvulas de derivación de aire 4 y 6 para mantener la óptima densidad, presión y temperatura de carga de aire en todos los ciclos de trabajo del motor.
Sistemas de combustión alternativos
Haciendo referencia ahora a la Fig. 21, se muestra una vista transversal esquemática de una cámara de precombustión 38', una cámara de combustión 38, una cabeza de pistón 22 y admisión de combustible asociada 36, una bujía 37, un conducto 8' de admisión de aire o mezcla aire/combustible, válvula de admisión 16, un conducto de escape 18' y una válvula de escape 17 sugeridos para funcionamiento con combustible líquido o gaseoso para los motores de esta invención o para cualquier otro motor de combustión interna.
Existen muchas alternativas de sistemas para combustión de encendido por compresión o por chispa para el motor de esta invención, como se muestra en la Fig. 1 a la Fig. 33. Todos los combustibles, desde gasolina de aviación a combustibles diesel pesados, incluyendo los alcoholes y combustibles gaseosos, pueden encenderse por chispa (SI) en este motor. Un buen sistema SI sería similar al sistema mostrado en la Fig. 21 para gas natural comprimido, propano, hidrógeno, gasolina, alcoholes o combustible diesel. En este sistema, se inyecta una mezcla extremadamente rica en combustible, que constituye toda la carga de combustible, preferiblemente, dentro de la cámara de precombustión 38'. El combustible podría inyectarse a través del conducto de combustible 36, con o sin inyección de chorro aire; la carga de aire, algo de la cual puede acompañar a la carga de combustible, se comprimiría dentro de la cámara de precombustión 38' mediante el pistón 22 durante la carrera de compresión. Adicionalmente, podría introducirse aire con o sin combustible adicional dentro del cilindro propiamente dicho en la carrera de admisión o en la carrera de compresión, a través del conducto de admisión 8'. En cualquier caso, la segunda etapa de combustión en el cilindro propiamente dicho sería con una mezcla pobre.
El sistema de combustión de dos etapas mostrado en la Fig. 21 funcionará de esta manera:
1. Precombustión (primera etapa)
La precombustión se produce en la cámara de precombustión 38' cuando se inyecta y se enciende combustible en una cantidad muy superior a la cantidad de oxígeno presente (inyector no mostrado). Este déficit de oxígeno, junto con la carga turbulenta más fría y temperaturas y presiones máximas inferiores reduce en gran medida la formación de óxidos de nitrógeno. La combinación de la pared de la cámara de precombustión caliente y turbulencia intensa fomenta una combustión más completa.
2. Poscombustión (segunda etapa)
La poscombustión tiene lugar a presión inferior y condiciones de temperatura relativamente baja en el espacio encima del pistón en el cilindro, a medida que los gases se expanden desde la cámara de la primera etapa de precombustión en el cilindro propiamente dicho. Si existe combustible adicional en el cilindro propiamente dicho, la mezcla más pobre se enciende por este chorro como plasma de la cámara de precombustión. La baja temperatura y la mezcla de gases de escape impiden cualquier formación adicional de óxidos de nitrógeno. El exceso de aire, una fuerte acción de remolino, y el proceso de expansión ampliado aseguran la combustión más completa del monóxido de carbono, hidrocarburos y carbono.
Los resultados del motor de esta invención usando la cámara de precombustión 38' de la Fig. 21 son: rendimientos térmicos superiores, debido a la mayor expansión, junto con unos gases de escape más fríos y un nivel inferior de emisiones contaminantes que incluyen óxidos de nitrógeno y, además, para combustibles diesel, aromáticos y partículas menores.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 22, se muestra una vista en corte transversal esquemática de un cilindro opcional del motor de esta invención que convertirá el motor de 2 tiempos de la Fig. 8 a la 33 en un motor de ciclo de un tiempo y convertirá los motores de 4 tiempos de la Fig. 1 a la Fig. 7 y la Fig. 33 para funcionar en un ciclo de 2 tiempos.
Construyendo cualquier motor de 2 tiempos con todos los cilindros de trabajo de doble efecto, la relación potencia a peso puede doblarse frente al motor básico. Un extremo del cilindro se enciende y el otro extremo es barrido en cada carrera para un motor de ciclo nominal de un tiempo en los motores de la Fig. 8 a la Fig. 33. El uso de cilindros de trabajo de doble efecto en el motor de 4 tiempos de la Fig. 1 a la Fig. 7 y la Fig. 33 convierte el motor en un motor de 2 tiempos porque un extremo del cilindro es barrido y un extremo se enciende durante cada rotación del cigüeñal.
En el diseño de la Fig. 22, la variación necesaria de la longitud del brazo 39 se logra formando el extremo del brazo un yugo escocés 40 y montándolo sobre el pasador 41 del pistón.
El pistón de doble extremo 22' puede conectarse al extremo de un brazo vertical 39 que pivota en el extremo inferior 42. Se une una biela 19' entre el punto medio del brazo y el cigüeñal 20'.
Como el cigüeñal 20' en sí no hace más que transmitir par, sus cojinetes principales estarán cargados muy ligeramente. Por consiguiente, llegará poco ruido al cárter de soporte. Debido a la acción de palanca, el cigüeñal (no mostrado) tiene la mitad del cigüeñal de la carrera del pistón y puede ser una unidad achatada como una leva con grandes vástagos espaciados estrechamente que tiene un solape considerable para refuerzo.
La relación de compresión puede cambiarse alargando o acortando ligeramente la longitud efectiva del brazo 39. Esto pude realizarse conectando la placa de pivote inferior 42 a bloque 43 montado de manera deslizante en un bloque fijo 44 en el que puede moverse de manera deslizante el bloque 43 mediante un servomotor 45. El engranaje 45a girado por el servomotor 45 es mucho más largo que el engranaje 44a en el tornillo 43b, que se conecta de forma giratoria al bloque 43 y gira contra rosca en el bloque 44, haciendo que el engranaje 44a se deslice en vaivén sobre el engranaje 45a a medida que el bloque se mueve alternativamente en el bloque 44. Como en un diesel, podría comenzarse a la relación 20:1, y luego cambiarse a una relación 13:1 para menos rozamiento y esfuerzo sobre las piezas. Esto también podría ser importante para permitir el uso de combustibles alternativos.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 23: Estas mismas ventajas son ciertas para el diseño alternativo (Figura 23) en el que el pivote 47' está entre la biela 19 y el pistón 22''.
La variación necesaria de la longitud de la barra 39 (mostrada en transparencia) que conecta el pistón 22'' a la biela 19 puede lograrse formando un yugo escocés 40 en el extremo del brazo y montándolo sobre el pasador 41 del pistón 22'', o colocando una conexión pivotante doble 42' entre el pivote 47' en el fulcro del brazo 39', conectándose el pivote 42'' a una parte no movible 46 del motor y conectándose el extremo terminal del brazo 39' a la biela 19 mediante un vástago 47.
Alternativa y preferiblemente, para motores de uso industrial (propulsión marina, producción de energía, etc.), la toma de fuerza del pistón 22'' podría ser disponiéndose un vástago de pistón convencional 39' entre el pistón 22'' y un pie de biela 20', con una biela 19' entre el pie de biela 20' y el cigüeñal (no mostrado).
Los cilindros de trabajo de doble efecto cuando se usan en el motor de esta invención, serán de especial importancia donde se desea gran potencia y está fácilmente disponible agua de refrigeración, por ejemplo para uso marino o para generación de energía.
Estos cilindros de doble extremo y doble efecto pueden usarse en todos los diseños de esta invención.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 24: Se muestra una vista en corte transversal esquemática de un cigüeñal, dos bielas 19' y 19'' y un brazo 39 que muestra un medio de proporcionar tiempo de combustión adicional a un motor convencional de 2 tiempos o de 4 tiempos.
Esta distribución para cualquier motor asegura duplicar el tiempo de respuesta del pistón 22' de un motor normal durante el periodo de combustión crítico. Esto es porque el punto muerto superior del pistón 22' (TDC) se produce en el punto muerto inferior (BDC) del cigüeñal 48. En este punto, el movimiento del muñón del cigüeñal alrededor del punto muerto superior del pistón 22' se resta del movimiento enderezador de la biela 19', en vez de sumarse a él, como en los motores convencionales. Invertir la acción usual disminuye la velocidad del pistón alrededor de este punto, lo cual tiene como resultado combustión más completa y reducir más las emisiones.
El tiempo de combustión adicional proporcionado por el diseño de la Fig. 24 puede ser importante en los motores de esta invención y para cualquier motor de ciclo Otto o Diesel.
El funcionamiento del motor construido y dispuesto con el tiempo de combustión adicional sería el mismo que los otros motores de esta invención que proporcionan alta densidad de carga, baja relación de compresión con una presión efectiva media superior a la de los motores convencionales, pero con más tiempo de combustión que otros motores, en tanto que produce incluso menos emisiones contaminantes.
Como el cigüeñal 48 en la Fig. 24 en sí no hace más que transmitir par, sus cojinetes principales estarán cargados muy ligeramente. Por consiguiente, llegará poco ruido al cárter de soporte. Debido a la acción de palanca, el cigüeñal tiene sólo la mitad del cigüeñal de la carrera del pistón (dependiendo del punto del fulcro), y puede ser una unidad achatada como una leva con grandes vástagos espaciados estrechamente que tiene un solape considerable para refuerzo.
Esta distribución también asegura duplicar el tiempo de combustión de un motor normal durante el periodo de combustión crítico. Esto es porque el punto muerto superior del pistón se produce en el punto muerto inferior (BDC) del cigüeñal.
El motor 100^{25} de la Fig. 25
Haciendo referencia ahora a la Fig. 25 de los dibujos, se muestra un motor alternativo de combustión interna de seis cilindros en el que todos los cilindros 7a-7f (de los cuales sólo se muestra uno (7f) en una vista en corte) y pistones asociados 22a-22f se adaptan para funcionar según un ciclo de 2 tiempos y todos los cilindros se usan para producir potencia para un cigüeñal común 20 por medio de bielas 19a-19f, respectivamente. Un compresor 2 suministra aire a las lumbreras de barrido 52 por medio de la válvula de cierre opcional 33-M y el conducto 32, y a la válvula(s) de admisión de carga en el cilindro 16 y 16' por medio de los conductos 15. El motor de la Fig. 25 se adapta para funcionar en un ciclo de 2 tiempos para producir seis carreras de trabajo por revolución del cigüeñal 20. Para este fin, el compresor 1 toma una carga de aire que puede haber sido sometida previamente a compresión hasta una presión superior por medio de unas válvulas de control de admisión 5 y 6 a través de un conducto de admisión 110 que conduce desde el compresor 2, por medio del enfriador intermedio 10 o el conducto de derivación 104 y la válvula obturadora 5. Durante el funcionamiento del motor de la Fig. 25, el compresor 2 recibe aire atmosférico a través de la abertura de admisión 8, precomprime la carga de aire dentro del conducto 101 que conduce a la válvula obturadora de control 5 que, en respuesta a señales del ECM 27, a la válvula obturadora 5 y a la válvula de derivación de aire 6, dirigirá la carga comprimida a través del enfriador intermedio 10 o a través de los conductos de derivación de enfriador 104 hasta el compresor 1. La carga de aire se comprime dentro del compresor 1 mediante su pistón asociado 131, y se fuerza a la carga de aire comprimido a través de una salida dentro de un conducto de transferencia de alta presión 109 que conduce a la válvula obturadora de control 3 que, si se abre, dirige el aire a través del enfriador intermedio 11 y 12 a los colectores 13 y 14 o, si se cierra, a través de un conducto y una válvula de derivación de aire 4 que puede dirigir parte de la carga de aire de vuelta a través del conducto de admisión 104 del compresor 1 o, si la válvula 4 se cierra completamente, dirige toda la carga desde el compresor 1, en respuesta a señales del módulo de control del motor (ECM) 27, a través de los enfriadores intermedios 11 y 12 o a través del conducto de derivación 111/121/122 dentro de los colectores 13 y 14. Los colectores 13 y 14 se construyen y disponen para distribuir la carga de aire comprimido por medio de conductos de derivación 15a-15f a las válvulas de admisión 16 y 16' del cilindro 7a, y a los cinco cilindros de trabajo restantes 7b-7f. En una realización alternativa, en vez de proporcionar aire de barrido a través del conducto 32', el aire de barrido se proporciona a través de la válvula de cierre 49, el conducto 50 y la válvula reductora de presión 25 a la caja de aire 51, a través de los conductos 125a-125f, hacia las lumbreras de barrido 52a-52f.
El motor 100^{25} mostrado en la Fig. 25 tiene un árbol de levas que se dispone para ser accionado a la misma velocidad que el cigüeñal para suministrar un ciclo de trabajo por revolución para los pistones de trabajo. El compresor puede ser alternativo, compuesto de una o más etapas de compresión con uno o más cilindros de doble efecto, se muestra 1, en la Fig. 25. El compresor puede accionarse por bielas asociadas 19g al cigüeñal 20, que puede tener cigüeñas de diferentes longitudes para carreras de pistón de diferentes longitudes para el compresor(es) de aire que las de los pistones de trabajo. Además, el compresor 1 puede accionarse mediante un segundo cigüeñal (no mostrado) que se acciona mediante un engranaje que engrana con un engranaje multiplicador montado sobre el cigüeñal común. El compresor rotativo auxiliar, se muestra como 2 uno tipo Lysholm, puede accionarse mediante una polea trapezoidal que se hace rotar mediante una correa trapezoidal acanalada y tiene un engranaje multiplicador dispuesto entre la polea trapezoidal y el eje motor del compresor. El compresor rotativo 2 podría tener también una velocidad variable, o dos variadores de velocidad, como en algunos motores de aviación.
El funcionamiento del motor 100^{25} mostrado en la Fig. 25 es de esta manera: Se introduce carga de aire en la abertura de admisión 8 del compresor 2. Desde allí se bombea a través del compresor 2, donde se dirige mediante la válvula obturadora 5 a través del 10 o a través de un conducto a la válvula de derivación de aire 6, donde se dirige a la admisión del compresor 1. Luego se bombea la carga mediante el compresor 1 a través de la válvula de escape hacia la válvula obturadora 3, que dirige la carga de aire a través de los enfriadores intermedios 11 y 12, hacia los colectores 13 y 14, o en un conducto que conduce a la válvula de derivación de aire 4, que puede dirigir una parte de la carga de vuelta a través de la admisión del compresor 1 o la válvula 4 dirige la carga total o parcialmente hacia la válvula obturadora 3, que dirige la carga total o parcialmente a través de los enfriadores intermedios 13 y 14, o directamente a los colectores 13 y 14 que distribuyen la carga de aire a temperatura ajustada a las válvulas de admisión 16 y 16' del cilindro 7, en cada cilindro de trabajo del motor. Una válvula de control todo-nada (no mostrada) y el conducto 32' dirigen el aire a la caja de aire 51 y a las lumbreras de barrido 52a-52f en el fondo de los cilindros 7a-7f. En la realización alternativa (mostrada en transparencia en la Fig. 25), el aire de barrido se dirige a través de la válvula reductora de presión 25, dispuesta en el conducto 50 para proporcionar una presión de aire de barrido ajustada desde la compresión 1. Otra opción a reducir la presión de aire del colector para barrer los cilindros 7a-7f es usar el aire del colector a través del conducto 50, la caja de aire 51 y las lumbreras de admisión 52a-52f sin reducir la presión de los colectores 13 y 14. El aire se usaría para barrido a toda presión por las lumbreras de barrido 52a-52f en la Fig. 25 y a través de la lumbrera de admisión 52'' y la lumbrera de escape 52' en la Fig. 30, lumbreras 52a-52f, 52' y 52'' que se construirían mucho más pequeñas que las que se construyen normalmente. En este ejemplo, aunque las lumbreras de barrido fueran más pequeñas de lo normal, el aire de barrido a presión superior a la normal sería muy eficaz. Aquí se sugieren varios medios de barrido de los cilindros. La Fig. 26 ilustra más claramente (aunque en transparencia) el sistema preferido de suministrar aire de barrido a baja presión. El conducto 32' y la válvula 33 (mostrados en transparencia en la Fig. 26) canalizan el aire del conducto 110 desde el compresor 2 al conducto 50, que suministra aire de barrido a la caja de aire 51.
El módulo de control del motor (ECM) 27 (ver, por ejemplo, Fig. 26) controla las válvulas 3, 4, 5 y 6 para ajustar la presión, temperatura y densidad de la carga que va a las cámaras de combustión y a la válvula 25, y puede dirigir selectivamente una parte de la carga de aire, una parte a una presión reducida, a las lumbreras de barrido 52, y puede controlar la válvula 53 y las válvulas 49' para abrirse o cerrarse para seleccionar el modo de barrido deseado. El ECM también puede controlar un sistema de control variable de lo que ocurre en las válvulas para ajustar el tiempo de apertura de las válvulas y la duración del tiempo de apertura de las válvulas de admisión 16 y las válvulas de escape 17 en relación con el grado de o ángulo de rotación del cigüeñal 20, para ajustar la relación de compresión del motor para comportamiento óptimo con respecto a potencia, par, economía de combustible, características del combustible y al modo de barrido deseado.
El funcionamiento preferido de los cilindros de trabajo mostrados en la Fig. 25 es de esta manera:
Después de que ha tenido lugar el soplado y barrido del cilindro 7, el cilindro se llena ahora con aire puro, y el pistón 22 ha cerrado las lumbreras de escape 52 y el pistón 22 está en su carrera de barrido-carga y está subiendo con la válvula de escape 17 todavía abierta, en algún punto, quizá tan pronto como 120 a 90 grados antes del punto muerto superior, la válvula de escape 17 se cierra para establecer la relación de compresión y comenzar la compresión, las válvulas de admisión 16, 16' se abren en ese momento o más tarde para producir la densidad de carga deseada y peso deseado, se inyecta la carga de aire comprimido o mezcla combustible aire a través de la válvula de admisión 16, 16', después se cierra la válvula de admisión 16, 16'. Continúa la compresión de la carga que comenzó en el punto x, el punto donde se cerró la válvula de escape 17, estableciéndose la relación de compresión por el volumen de la cámara de compresión que queda en el punto x, dividido por el volumen de la cámara de combustión. Puede inyectarse combustible en la corriente de aire comprimido secundaria que se inyecta dentro de la cámara de combustión o se inyecta dentro de una cámara de precombustión (se muestra una en la Fig. 21) o puede inyectarse directamente dentro de la cámara de combustión. Después del cierre de la válvula de admisión 16, 16', puede inyectarse combustible o más combustible en medio del remolino de carga para un proceso de combustión de carga estratificado o, como en motores de encendido por compresión, puede inyectarse combustible directamente dentro de la cámara de combustión quizá directamente sobre una bujía incandescente, si se usa o no la cámara de precombustión sugerida, y puede inyectarse continuamente durante parte de la carrera de expansión para un proceso de combustión principalmente a presión constante.
La mezcla combustible-aire se enciende mediante bujía, encendido por compresión o bujía incandescente en el punto considerado más eficaz, preferiblemente antes del unto muerto superior de la carrera de compresión del pistón 22. La carrera de expansión del pistón 22 tiene lugar a medida que los gases que se expanden fuerzan al pistón hacia el punto muerto inferior. Cerca del final de la carrera de trabajo, quizá aproximadamente 40º antes del punto muerto inferior, se destapan las lumbreras de barrido 52, casi al mismo tiempo que se abren las válvulas de escape 17 en la culata del motor y tiene lugar un soplado y barrido rápido, de cualquiera de las cuatro maneras mostradas en la Fig. 27, Fig. 28, Fig. 29 y Fig. 30. En cualquier caso, las válvulas de escape 17, 17' permanecen abiertas más allá del punto muerto inferior y durante una parte importante de la carrera de barrido-ajuste de carga para establecer la relación de compresión del motor.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 26, se muestra un dibujo esquemático que muestra un motor de estructura y funcionamiento similar al motor 100^{25} de la Fig. 25, que tiene dos compresores, pero se diferencia en que el compresor 1 se representa como un compresor rotativo Lysholm y el compresor 2 se representa como un turbocompresor, y que tiene un enfriador de aire para el compresor secundario, dos enfriadores de aire para el compresor primario, colectores dobles, con controles obturadores, controles de derivación de aire y conductos para diferentes recorridos de aire. También está mostrado un módulo de control del motor (ECM) 27 que puede controlar presiones, densidad y temperaturas de carga y de aire de barrido para lograr las características de emisiones y rendimiento deseado del motor. Se muestran fuentes de aire de barrido alternativas, siendo la preferida del conducto 110 por medio del conducto 32'. Los recorridos de aire se muestran mediante flechas, flechas huecas para aire comprimido sin enfriar y flechas sólidas para aire más denso enfriado. También están mostradas válvulas de derivación de aire (en este caso las dos cerradas) que, con las válvulas obturadoras (una de las cuales está cerrada y una de las cuales está abierta parcialmente, ésta para permitir el enfriamiento de parte de la carga) pueden controlar la temperatura, peso y densidad de carga según se requiera para el mejor comportamiento del motor.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 27, se muestra un sistema de barrido eficaz de los productos expulsados del motor de la Fig. 25;
Sistema de barrido A (Fig. 27)
El soplado de los gases de escape se produce desde aproximadamente 40º antes del punto muerto inferior hasta quizá 40-50º después del punto muerto inferior, abriéndose las válvulas de escape 17 aproximadamente al mismo tiempo que se abren las lumbreras 52 y permaneciendo abiertas después de que las lumbreras inferiores se cierran mediante el pistón 22, y cerrándose más tarde, causando una baja relación de compresión.
Puede suministrarse aire de barrido desde un colector quizá con una válvula reductora de presión 25 en el conducto 50 o, preferiblemente, pude suministrarse aire de barrido desde el conducto 32' del compresor auxiliar 2 (mostrado en transparencia). En este caso, las lumbreras inferiores 52 se abren poco antes de abrirse las válvulas de escape 17. Se produce el soplado a través de las lumbreras inferiores 52 hacia fuera a través del conducto de escape inferior y la válvula 53 hasta el tubo de escape principal 18; al mismo tiempo o poco después se abren las válvulas de escape 17 y se produce el soplado de los gases de escape tanto en la parte superior del cilindro, a través de las válvulas de escape 53 y 17, como a través del colector de escape 18' y el tubo 18 hacia la atmósfera. Luego, la válvula de escape 17 permanece abierta para barrido adicional durante una parte importante de la 2ª carrera o de escape-carga, esta parte por desplazamiento positivo. Durante esta carrera de barrido-carga, la válvula de escape 17 puede cerrarse en cualquier punto después del primer 20% del desplazamiento del pistón 22. Ahora, en cualquier punto, estando ahora el cilindro 7 lleno de aire puro, la válvula de escape 17 puede cerrarse y la válvula de admisión 16' abrirse para dejar entrar aire presurizado con temperatura ajustada a la que se considera apropiada. Cuanto más tarde se cierra la válvula de escape 17 en la carrera de escape-carga, más baja es la relación de compresión establecida del motor. Si se cierra lo suficientemente pronto, la relación de compresión efectiva puede ser tanto como 13 ó 16 a 1; si se cierra más tarde, la relación de compresión efectiva puede ser tan baja como 2:1. En cualquier punto después de que se ha cerrado la válvula de escape 17 y se ha establecido la relación de compresión, y antes de que el pistón haya alcanzado el punto muerto superior, puede introducirse la carga de aire, con temperatura, densidad y presión ajustadas, abriendo y luego cerrando la válvula de admisión 16. Todos los parámetros de funcionamiento sugeridos dependerían del ciclo de trabajo de los motores, por ejemplo, requisitos de potencia, rendimiento, consideraciones sobre emisiones y el combustible usado.
Se muestra un módulo de control del motor (ECM) 27 con conexiones a las válvulas de control crítico del motor, que pueden ajustarse según las condiciones señaladas al ECM 27 desde diversos sensores en el motor.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 28, se muestra un segundo sistema de barrer eficazmente el motor de la Fig. 25.
Sistema de barrido B (Fig. 28)
El soplado de los gases de escape se produce sólo a través de las válvulas de escape 17, siendo suministrado el aire de barrido por el compresor 2 por medio del conducto 32' o, alternativamente, de los colectores 13 y 14 a través de los conductos 50 por la válvula de control 49 y el control de presión opcional 25 a la caja de aire 51 y a través de las lumbreras de barrido 52 en la parte inferior de los cilindros 7, subiendo por el cilindro 7, saliendo por las válvulas de escape 17 y a través del tubo de escape 18, estando cerrada la válvula 53. En este sistema, a medida que el pistón se aproxima al punto muerto inferior en la carrera de expansión de trabajo, se destaparían las lumbreras 52 por el pistón 22 y, a medida que se produce el soplado, se inyectaría aire presurizado a través de todas las lumbreras inferiores 52 y barrería los productos quemados a través de las válvulas de escape 17, que se abren quizá antes que las lumbreras 52 para el soplado de los gases de escape. Las lumbreras inferiores pueden construirse para abrirse quizá a 40º antes del punto muerto inferior y podrían cerrarse en el mismo punto después de que el pistón comience su segunda carrera. Las válvulas de escape 17 podrían permanecer abiertas después de que se cerraran las lumbreras inferiores 52, para ayudar al barrido por desplazamiento positivo mediante el pistón 22 y para establecer la relación de compresión deseada, que se establece por el punto en que se cierran las válvulas de escape 17.
Durante esta carrera de barrido-carga del pistón 22, estando ahora lleno de aire puro el cilindro 7, la válvula de escape 17 puede cerrarse en cualquier punto después del primer 20 por ciento, aproximadamente, del desplazamiento del pistón 22. Ahora puede cerrarse en cualquier punto la válvula de escape 17 y la válvula de admisión 16 puede abrirse para dejar entrar aire muy presurizado con su temperatura y densidad ajustadas a las que se consideran apropiadas. Cuanto más tarde se cierra la válvula de escape en la carrera de escape-carga, más baja es la relación de compresión efectiva establecida del motor. Si se cierra lo suficiente mente pronto, la relación de compresión efectiva puede ser tanto como 13 ó 19 a 1; si se cierra más tarde, la relación de compresión efectiva puede ser tan baja como 2:1. Todos los parámetros de funcionamiento sugeridos dependerían del ciclo de trabajo de los motores, por ejemplo, requisitos de potencia, rendimiento y consideraciones sobre emisiones y el combustible usado.
Se sugiere un módulo de control del motor 27 como el mostrado para controlar las diversas condiciones de funcionamiento deseadas y cuando se indica desde los diversos sensores del motor.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 29, se muestra un tercer sistema eficaz de barrido del motor de la Fig. 25.
Sistema de barrido C (Fig. 29)
Este sistema de barrido sería en el que las válvulas de cierre 49' estarían cerradas (o podrían eliminarse las válvulas 25 y 49), con las lumbreras inferiores abiertas a la atmósfera por la válvula 53; una válvula de admisión 16, que conduce de los colectores 13 y 14 al cilindro 7, podría abrirse durante un periodo de tiempo muy corto mediante una leva, quizá mediante un pequeño lóbulo en una leva que tiene un gran lóbulo para abrir la misma válvula (como la 21-C en la Fig. 11) a un ángulo de cigüeñal diferente; al mismo tiempo, se destapaban las lumbreras 52 por el pistón 22 y se abrían las válvulas de escape 17. El aire a alta presión barrería rápidamente los gases de escape a través de las lumbreras 52 y las válvulas de escape 17, a través de sus tubos de escape respectivos 17 y 17' hacia la atmósfera. La válvula de admisión 16 se cerraría rápidamente, no más tarde que el momento en que se cierran las lumbreras de escape 52. La válvula de escape permanecería abierta para más barrido y para y para la reducción de la relación de compresión del motor. Alternativamente, las válvulas de escape inferiores 53 se cerrarían y, a medida que las lumbreras inferiores 52 fueran destapadas por el pistón 22, las válvulas de escape 17 también se abrirían antes para soplado, se soplaría aire de la caja de aire 51, suministrado por el conducto 32, a las lumbreras 52 y barrería el cilindro 7 a través de las válvulas de escape 17.
Durante esta carrera de barrido-carga, la válvula de escape 17 se cierra en un punto después del primer 20 por ciento, aproximadamente, del desplazamiento del pistón 22. En cualquier punto después de que se ha cerrado la válvula de escape 17, estando ahora el cilindro 7 lleno de aire puro, y habiéndose establecido la relación de compresión, y antes de que el pistón 22 haya alcanzado el punto muerto superior, se introduce carga de aire adicional (secundaria) cuando se necesita, con temperatura, densidad y presión ajustadas, abriendo una segunda válvula de admisión 16 y/o mediante otro lóbulo 21-C en la misma leva (ver 21-C, Fig. 11) que abre la misma válvula de admisión otra vez. Todos los parámetros de funcionamiento sugeridos dependerían del ciclo de trabajo de los motores, por ejemplo requisitos de potencia, rendimiento y consideraciones sobre emisiones y el combustible usado. Cuanto más tarde se cierra la válvula de escape 17 en la carrera de escape-carga, más baja es la relación de compresión establecida del motor. Si se cierra lo suficientemente pronto, la relación de compresión efectiva puede ser tanto como 13:1 ó 21:1; si se cierra más tarde, la relación de compresión efectiva puede ser tan baja como 2:1.
Un módulo de control del motor podría controlar todas las condiciones requeridas del motor.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 30, se muestra un sistema de barrido eficaz del motor de la Fig. 25.
Sistema de barrido D (Fig. 30)
En este sistema el soplado de los gases de escape se produce a través de las válvulas de escape superiores 17 y a través de parte de las lumbreras de barrido inferiores 52', que se abren justo antes del punto muerto inferior, quizá 40º, y simultáneamente con o justo después de que se abran las válvulas de escape superiores. En el momento en que se abren las lumbreras inferiores 52', o poco después, también se abren las válvulas de escape 17, o la válvula 53, que conduce a la línea de escape inferior 18, ya está abierta y se produce el soplado de los gases de escape durante los siguientes 40º, aproximadamente, después del punto muerto inferior, inyectándose aire de barrido a través de al menos una de las lumbreras inferiores 52' que se ha construido para recibir aire presurizado de la caja de aire 55, suministrado por el conducto 32' ó 50 en el momento en que se abren las lumbreras 52' mediante el pistón 22 y la presión en el cilindro 7 ha caído por debajo de la presión en la caja de aire 55. Después de que se cierran las lumbreras 52', las válvulas de escape permanecen abiertas durante una parte importante de la segunda carrera o de escape-carga del pistón 22 para barrido adicional por desplazamiento positivo y para establecer una baja relación de compresión.
Durante esta carrera de barrido-carga, estando ahora lleno de aire puro el cilindro 7, la válvula de escape 17 puede cerrarse en cualquier punto después del primer 20%, aproximadamente, del desplazamiento del pistón 22. Ahora puede cerrarse en cualquier punto la válvula de escape 17 para establecer la relación de compresión y la válvula de admisión 16 puede abrirse para dejar entrar una carga de aire presurizado secundaria con su temperatura y presión ajustadas a las que se consideran apropiadas. Cuanto más tarde se cierra la válvula de escape 17 en la carrera de escape-carga, más baja es la relación de compresión establecida del motor. Si se cierra lo suficientemente pronto, la relación de compresión efectiva puede ser tanto como 13:1 ó 21:1; si se cierra más tarde, la relación de compresión efectiva puede ser tan baja como 2:1. Todos los parámetros de funcionamiento sugeridos dependerían del ciclo de trabajo de los motores, por ejemplo requisitos de potencia, rendimiento y consideraciones sobre emisiones y el combustible usado, y pueden controlarse mediante un módulo de control del motor que recibe señales que indican las condiciones en ciertas áreas del motor y que se transmiten al ECM 27.
Haciendo referencia a la Fig. 31, se muestra un dibujo esquemático que representa una disposición alternativa en la que un motor eléctrico 34 acciona preferiblemente los compresores de aire de un motor similar al de la Fig. 25.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 32, se muestra un dibujo esquemático que muestra el motor de 2 tiempos de la Fig. 25 y la Fig. 26 y que tiene sólo un compresor 1 para suministrar tanto barrido como carga de aire. También se muestran una válvula obturadora 3 y una válvula de derivación de aire 4, válvulas 16 y 17 que controlan la carga y el aire de barrido y válvulas 53 y 53' para descargar a la atmósfera el soplado de los gases de escape de las lumbreras inferiores 52 del cilindro a través del conducto de escape 18. De esta manera, el motor de la Fig. 32 puede realizar todas las acciones descritas para el motor de la Fig. 25 y descritas para el motor de la Fig. 25. Fig. 26, Fig. 27, Fig. 28, Fig. 29, Fig. 30 y Fig. 32. También se muestra un módulo de control del motor (ECM) 27 y conexiones a diversas válvulas para gestionar la temperatura, densidad, peso y presión de carga y aire de barrido, y la presión y recorrido del aire de barrido para lograr los resultados del motor deseados. Las flechas muestran los recorridos posibles para el aire calentado (flechas huecas) y el aire enfriado (flechas sólidas), y para que la carga de aire pase por la válvula de derivación de aire 4, todo para ajustar la presión, densidad, peso y temperatura del aire para comportamiento óptimo del motor.
El sistema del motor 100^{33} de la Fig. 33
Haciendo referencia ahora a la Fig. 33, se ilustra un motor de combustión interna de seis cilindros en el que parte de los cilindros 62 a 65 se usan para producir potencia y dos de los cilindros, cilindros 66 y 67, se usan para comprimir el aire necesario para hacer funcionar el motor. Se usa un sobrealimentador 57, en este caso preferiblemente uno de tipo Lysholm, para sobrealimentar el aire a presión atmosférica recibido a través de la admisión de aire 8', antes de que al aire entre en los cilindros del compresor 66 y 67. Una válvula obturadora 3' y una válvula de derivación de aire 4' hacen recircular la carga de aire de vuelta a través del compresor 57 cuando las dos están abiertas, para disminuir el trabajo del compresor y reducir las densidades de carga para funcionamiento a poca carga. Cuando la válvula de derivación de aire 4' está cerrada, la válvula obturadora 3' puede abrirse o cerrarse para enviar la carga de aire al cilindro enfriada o sin enfriar, respectivamente, para gestionar las temperaturas de combustión y temperaturas para comportamiento óptimo.
La segunda etapa de compresión se transfiere desde los cilindros de compresión 66 y 67 a través de los conductos 201, 202 a la válvula obturadora 4'' que, cuando está cerrada, envía la carga comprimida a través del conducto 204 y el enfriador intermedio 11 y el conducto 205 al colector 58' del motor en una condición enfriada. Si está abierta, la válvula obturadora 4'' dirige la carga sin enfriar lejos del enfriador 11 a través del conducto 203 y 205 a los cilindros de trabajo.
Con su árbol de levas dispuesto para rotar a la mitad de la velocidad del cigüeñal, el motor 100^{33} funciona según un ciclo de 4 tiempos, con una baja relación de compresión, una relación de expansión ampliada y alta presión efectiva media en el cilindro cuando funciona de una manera como la descrita en la presente memoria para el motor de la Fig. 3.
Alternativamente, el motor de la Fig. 33, con uno o más cilindros actuando como cilindros compresores y teniendo su árbol de levas dispuesto para rotar a la velocidad del cigüeñal, funciona según un ciclo de 2 tiempos con baja relación de compresión, alta presión efectiva media en el cilindro y una relación de expansión ampliada cuando funciona de la manera descrita en la presente memoria para los motores de la Fig. 8, Fig. 9 y Fig. 11.
Haciendo referencia todavía a la Fig. 33 de los dibujos, pueden lograrse ahorros de combustible adicionales en cualquiera de los motores de la presente invención descritos anteriormente en la presente memoria mediante el uso de un economizador construido como un freno retardador del compresor de aire. Para la discusión del freno retardador descrito, el motor de seis cilindros 100^{33} representa cualquiera de los motores de esta invención que use aire comprimido externamente (Fig. 1 a Fig. 33) para suministrar carga de aire totalmente o que lo usa para mejorar el comportamiento del motor. El freno retardador de aire ilustrado tiene un compresor 57A conectado funcionalmente al eje motor del vehículo (no mostrado) o engranado al cigüeñal 20 de los motores y almacena energía producida durante el frenado o al desplazarse cuesta abajo, que se usa para suministrar aire comprimido a los cilindros de trabajo del motor por medio del colector de transferencia 58. Tal economizador se conecta con un depósito de aire 59 y, durante el tiempo de en que la presión de aire del depósito del economizador sea suficientemente alta para usar en los cilindros de trabajo del motor, el compresor del motor puede desembragarse o el aire bombeado por el compresor(es) puede derivarse de vuelta a la admisión del compresor(es) de manera que no se requeriría trabajo de compresión del compresor. Una válvula de descarga 60 impide el exceso de aumento de presión en el depósito de aire. Una válvula 61 (que en esta disposición es una válvula de paso único reversible) permite que el aire del depósito se transfiera al colector cuando la presión en el depósito 59 sea superior a la del colector de transferencia 58, si se necesita el aire. En el caso de construcciones de motor que tiene cilindros de compresión, cada cilindro de compresión del motor también puede desactivarse durante este tiempo de funcionamiento de aire de reserva cerrando la válvula de admisión, de manera que no se realizaría trabajo neto por el compresor(es) hasta que la presión del colector-depósito no cayera por debajo de niveles de funcionamiento. En la técnica se describen y/o han sido mencionados previamente varios sistemas de desactivación de válvulas de cilindros.
En una disposición alternativa, el compresor 57A se elimina y el depósito de almacenamiento de aire 59 se usa para almacenar el exceso de aire comprimido por los cilindros compresores del motor durante el frenado y al desplazarse cuesta abajo. En este caso, la válvula 61 es una válvula de doble paso y se coloca una válvula de bloqueo 70 en el colector 58 entre el cilindro(s) del compresor 66, 67 y los cilindros de trabajo 62-65. Durante el desplazamiento cuesta abajo o durante el frenado, la válvula de bloqueo 70 entre el compresor y los cilindros de trabajo está cerrada, preferiblemente, los cilindros de trabajo 62-65 se desactivan y se usa la válvula de doble paso 61 para desviar el aire comprimido por el cilindro(s) del compresor al depósito de almacenamiento 59.
Cuando se desea hacer funcionar el motor normalmente, la válvula de bloqueo 70 entre el compresor y los cilindros de expansión está abierta y la válvula de doble paso 61 está cerrada. Durante el funcionamiento del aire de reserva, están abiertas tanto la válvula de bloqueo 70 como la válvula de doble paso 61. Si se desea, los cilindro(s) del compresor 66, 67 se desactivan mientras están en el modo de funcionamiento de aire de reserva, como se describió anteriormente. También, un freno Jacob (un freno retardador de la técnica anterior) podría suministrar aire comprimido al depósito de aire.
Hacer funcionar el motor con el suministro de aire de reserva mejoraría la presión efectiva media (mep) el motor con un 20 por ciento de mejora en potencia y rendimiento, mientras que reduce emisiones contaminantes, durante el tiempo que el motor estuviera funcionando con el aire de reserva.
Esta característica produciría ahorros adicionales de energía, especialmente con tráfico pesado o en terreno accidentado. Por ejemplo, un motor que produce 100 caballos usa 5,76 kg de aire por minuto. Por tanto, si la energía de frenado se almacenara en el aire comprimido en el depósito economizador 59, durante las paradas y al desplazarse cuesta abajo podría acumularse y almacenarse un suministro de aire comprimido de diez a quince minutos. Cuando la presión del depósito cae por debajo del nivel deseado para funcionamiento eficaz, se usa un solenoide (no mostrado) para reactivar las válvulas del cilindro de compresión y ellos comenzarán a comprimir (con el sobrealimentador, cuando se necesite) la carga de aire que el motor necesita.
Usando el depósito de aire 59, el motor no necesita aumento de presión para arrancar y, tan pronto como el eje se haga rotar lo suficiente para abrir la válvula de admisión, entraría el aire comprimido y el combustible y se encendería para arranque "instantáneo". Además, podría usarse el aire comprimido para hacer rotar el motor por este medio de arranque abriendo las válvulas de admisión más pronto que lo usual para que los cilindros de expansión comiencen la rotación y el encendido como es común en grandes motores diesel, eliminando así la necesidad de un motor de arranque. Alternativamente, podría usarse el aire comprimido para cargar un "motor de arranque hidráulico" para arrancar el motor haciéndolo girar, como es común en algunos motores diesel de uso industrial.
En una realización alternativa y aun así preferida, el aire de reserva en el depósito 59 se usa adicionalmente para "motorizar" el motor, para permitir que un vehículo como un autobús salga de una parada y funcione sin combustible durante 30-60 segundos o más, que es el tiempo en que se produce la mayor contaminación en el funcionamiento de autobuses o vehículos de reparto de parada y marcha alternativas.
Realizaciones con aire comprimido a distancia
Haciendo referencia ahora a la Fig. 34, se observa una representación esquemática de un motor 100 según una realización alternativa de la presente invención para proporcionar externamente carga de aire para motores marinos, locomotoras, fijos o generadores de energía eléctrica, o cualquier aplicación del motor de esta invención, de carga y velocidad constante o variable, que tiene energía eléctrica adecuada o aire residual o "purgado" disponible. En la Fig. 34, un compresor de aire eléctrico remoto 35, preferiblemente con una o más etapas de compresión enfriadas en enfriadores intermedios, suministra preferiblemente carga de aire a temperatura acondicionada (tanto a alta como a baja presión, si se necesita) para uno o más motores de esta invención. La carga de aire, a temperatura y presión acondicionadas, se suministra directamente e los colectores 13 y 14 por el conducto 15AE desde el compresor 35. El conducto de admisión 9 del motor de la Fig. 4, por ejemplo, o los conductos de baja presión 32 de otros motores de esta invención reciben aire de la atmósfera o, alternativamente, reciben aire a baja presión de un conducto de baja presión 15BE desde el compresor 35.
Una realización alternativa, también representada en la Fig. 34, para proporcionar carga de aire de combustión para cualquiera de los motores 100 de la presente invención, es proporcionar carga de aire del conducto 15AR que suministra aire residual o "purgado" producido en procesos industriales. El aire se suministra a 1 ó 2 niveles de presión. La presión inferior, si se necesita, se suministra preferiblemente bajando la presión del conducto principal de aire residual entrante 15AR con una válvula reguladora de presión (25a que conduce al conducto de baja presión 15BR). La disposición es similar a la disposición de los conductos 15-A, 15-B y la válvula 25 de la Fig. 5, por ejemplo, representando el conducto 15-A el conducto de suministro 15AR del suministro de aire residual, y representando el conducto 15-B el conducto 15BR de la Fig. 34.
El uso de aire comprimido a distancia, ya sea aire residual o del compresor 35, elimina los compresores del motor 1, 2, los enfriadores intermedios 10, 11, 12, ciertos conductos y válvulas 3, 4, 5, 6 del equipo de suministro de carga de aire, proporcionando el aire que ha sido acondicionado durante o después del proceso de compresión (y antes de la introducción en los colectores 13 y 14). De esta manera, se elimina el equipo del motor 100 de las diversas realizaciones mostradas a lo largo de las diversas figuras de las realizaciones del motor 100 de esta invención hasta aquellos puntos indicados por líneas de trazos A, B, y C a lo largo de los diversos dibujos. La carga de aire de cualquiera de las fuentes remotas anteriormente mencionadas se introduce preferiblemente en los motores cerca de los colectores 13 y 14 y, en las realizaciones apropiadas, el aire a baja presión de las fuentes remotas se introduce en el conducto 32, como se muestra en la Fig. 34.
En los motores cargados a distancia, el combustible puede carburarse antes de la compresión, puede inyectarse en el cuerpo del regulador, inyectarse en las lumbreras o inyectarse directamente en el cilindro.
Respecto al control de contaminación
Haciendo referencia ahora a la Fig. 2 y a la Fig. 4-C, se muestra un procedimiento para reducir más las emisiones contaminantes en cualquiera de las realizaciones de motores de esta invención que incluye volver a quemar una parte de los gases de escape cuando y si se requiere. En los motores de 4 tiempos de las Figs. 1-3 y en los motores de 2 tiempos representados en la presente memoria que tienen una sola admisión de aire, el conducto(s) de escape de gases 18 tiene un conducto de derivación 202 (remitirse a la Fig. 2) que conduce desde una lumbrera 206 en el lado del conducto de escape 18 hasta una lumbrera 204 en el lado del conducto de admisión 8. Se sitúa una válvula de control proporcional 201 en la lumbrera de admisión 204 y se dispone para limitar selectivamente el flujo de aire puro al conducto 8, mientras que se abre al mismo tiempo la lumbrera 204 al conducto de escape para permitir selectivamente la entrada de gases de escape al conducto de admisión 8. Esta válvula es variable y accionada mecánicamente, eléctricamente o por solenoide por vacío, y controlada preferiblemente mediante un módulo de control del motor (ECM) 27 o control 144 en la Fig. 35 y la Fig. 36. Esto permite volver a quemar una parte de los gases de escape ajustándose la cantidad de porcentajes de los mismos mediante el módulo de control del motor en respuesta a diversos sensores, como un sensor de oxígeno, colocados en posiciones estratégicas en el motor. Los gases de escape que pasan a través del conducto 202 pueden enfriarse o mediante aletas de enfriamiento 202a opcionales o pasando por un enfriador intermedio opcional (no mostrado) antes de alcanzar el conducto de admisión de aire 8.
En relación con la Fig. 4C, en motores que tiene sólo un conducto de admisión atmosférica pero que tienen diferentes recorridos y conductos de aire, como los conductos 15-A y 15-C de la Fig. 4B, un conducto de derivación 202' que conduce desde el conducto de escape 18 se divide en dos partes de conductos de derivación 203a, 203b, cada uno con una válvula de control proporcional 209a, 209b que funcionan para dejar entrar selectivamente gases de escape a cualquiera de las válvulas 16-B, o a ambas (a través del conducto 9 y eventualmente del conducto 15-C) o a la válvula de admisión 16-A (por medio del conducto 8 y el conducto 15-A). Cada válvula de control proporcional 209a, 209b permitiría que entrara en su respectiva lumbrera una o ninguna parte de los gases de escape, limitando mientras tanto la entrada de aire puro, si fuera necesario. Los gases de escape pueden enfriarse mediante aletas 202a dispuestas opcionalmente en un conducto 202' y/o 203a, 203b y 203c, o pasando los gases de escape por un enfriador intermedio opcional (no mostrado) antes de que los gases se introduzcan en la admisión(es) de aire del motor.
Alternativamente, como se muestra en transparencia en la Fig. 4C, una parte de derivación 203a se desvía (mostrada como 203c) directamente al conducto 15-C y provisto allí con una válvula de control proporcional 209c.
En los motores de la Fig. 4 y la Fig. 7 que tienen admisiones de aire atmosférico dobles 8, 9, se usa una disposición similar a la que se muestra en la Fig. 4C, entendiéndose, sin embargo, que el conducto 8 está abierto a la atmósfera.
En cualquier motor que tenga conductos de admisión de aire dobles o recorridos de aire dobles, puede introducirse una parte de los gases de escape en cualquier cantidad necesaria, de uno a tres puntos y controlada preferiblemente mediante un módulo de control del motor (ECM) para mejor gestión de combustión y características de emisiones.
Esta característica de volver a quemar es de particular importancia con funcionamiento mediante combustible diesel.
Motores de carga y velocidad constantes
Mientras que la preponderancia de la descripción anterior describe realizaciones y motores representativos de la presente invención que están optimizados para ciclos de trabajo de vehículos (marinos, camiones, autobuses, camiones, automóviles, tanques, trenes y aviones) y describe sistemas y procedimientos para variar potencia, par y velocidad, la presente invención encuentra aplicación útil para obtener gran potencia y par mientras que mantiene óptima economía de combustible y bajas emisiones contaminantes en motores menos complicados como, por ejemplo, motores de carga y velocidad constantes. La Fig. 35 y la Fig. 36 representan realizaciones alternativas de la presente invención, realizaciones que son representativas de motores de carga y velocidad constantes (por ejemplo, para generación de energía eléctrica y en otras aplicaciones de motores fijos o industriales, por ejemplo, para bombas y compresores) equipados según los principios de la presente invención.
El motor del sistema 100 de la Fig. 35
Haciendo referencia ahora a la Fig. 35, se muestra una presentación esquemática de un motor que representa cualquiera de los motores de 4 tiempos o 2 tiempos de la presente invención equipado para funcionamiento a carga y velocidad constantes. Los componentes básicos del motor 100, como los compresores 1, 2 y los enfriadores intermedios opcionales 10, 11, 12 (mostrados en transparencia) y sus conductos necesarios asociados se diseñan, preferiblemente, para parámetros de funcionamiento óptimo teniendo sólo los componentes básicos. Los diversos controles, válvulas obturadoras, válvulas de derivación de aire y sus conductos de derivación asociados como los de las realizaciones descritas previamente, se eliminan preferiblemente para reducir peso, coste y complejidad de funcionamiento. En la Fig. 35 se muestra el motor 100 equipado con un primer compresor auxiliar 1 y un segundo compresor auxiliar 2, enfriadores intermedios opcionales 10, 11, 12 (mostrados en transparencia) y conductos de interconexión, todos funcionando según se deduciría en relación con las descripciones detalladas previas y funcionando con dos etapas de precompresión de carga de aire, enfriadas en enfriadores intermedios o comprimidas adiabáticamente.
La Fig. 35 muestra una instalación preferida para generación de energía con cualquiera de los motores de esta invención. El eje de potencia de salida 20 del motor 100 se conecta esquemáticamente por la línea 140 al eje de potencia de entrada 20'' del generador 141 que tiene líneas de salida de energía eléctrica 142. Cuando el eje 20 del motor 100 hace girar el eje 20'' del generador 141,la cantidad de energía eléctrica producida por el generador 141 es detectada por el sensor 143 y transmitida a la unidad de control y al regulador 144, que contiene diversos relés y circuitos integrados para cuantificar la potencia de salida y enviar mensajes por la línea 145 al control de combustible/aire (no mostrado) en la línea de combustible 148 y al regulador 56, y/o por la línea 149 al control de encendido para avanzar o retardar la chispa en motores de encendido por chispa y/o para enviar mensajes a través de las líneas 146 y 146b para motores que tienen sistemas de inyección de combustible, por ejemplo para gas natural, gasolina o combustible diesel, o a los controles de combustible/aire, todo para controlar la admisión de combustible, velocidad y rendimiento del motor 100 y, por lo tanto, el rendimiento del generador 141. La unidad de control 144 también envía señales para controlar la válvula de control proporcional 201 mostrada en la Fig. 4 y a las válvulas de control proporcional 209a, 209b, 209c mostradas en la Fig. 2, para controlar la cantidad de gases de escape, si los hay, que recirculan por estas válvulas para volverse a quemar en cualquier motor de esta invención que utilice esta característica. Se considera innecesaria más explicación de los componentes y funcionamiento del motor 100 de la presente invención, como los expertos en la materia entenderían haciendo referencia a la presente descripción.
Los enfriadores intermedios opcionales 10, 11, 12 (mostrados en transparencia) se usan preferiblemente para motores alimentados con combustibles gaseosos o gasolina y se eliminan, preferiblemente, o se reduce su número o capacidad de enfriamiento en el motor de encendido por compresión, haciéndose esto posible por las bajas presiones y temperaturas máximas en los motores de esta invención.
Haciendo referencia ahora a la Fig. 36, se muestra un motor ilustrado como motor de 2 tiempos, pero que representa cualquiera de los motores de la presente invención, de 2 tiempos o de 4 tiempos, que se conecta esquemáticamente por la línea 140 con un generador eléctrico 141. El motor y disposiciones son de estructura y funcionamiento similares a los mostrados y descritos para el motor de la Fig. 35, con la excepción de que el motor de la Fig. 36, que funciona como el motor 100 de 2 tiempos o 4 tiempos, tiene sólo una única etapa de precompresión de la carga de aire, enfriada en los enfriadores intermedios opcionalmente mediante los enfriadores intermedios 11, 12 (mostrados en transparencia). Como con el motor de la Fig. 35, los enfriadores intermedios 11, 12 se eliminan, preferiblemente, o se reduce su capacidad de enfriamiento en las versiones de encendido por compresión del motor de esta invención. También, como con el motor 100 de la Fig. 35, el regulador y otros controles, y el funcionamiento del motor y del generador como los expertos en la materia entenderían haciendo referencia a la presente descripción.
Se observará por la descripción anterior de una pluralidad de realizaciones de la presente invención, que las ventajas buscadas a partir de la presente invención son comunes a todas las realizaciones.
Aunque ha habido realizaciones aprobadas descritas en la presente memoria de la presente invención, se entenderá que pueden realizarse muchos y diversos cambios y modificaciones de forma, disposición de partes y detalles de construcción de la misma sin salir del espíritu de la invención, y que todos los cambios y modificaciones que entren dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas se contemplan como parte de esta invención.
Aunque las realizaciones de la presente invención que se han descrito en la presente memoria son las formas preferidas, otras realizaciones de la presente invención se sugerirán ellas mismas a las personas expertas en la materia en vista de la esta descripción. Por lo tanto, se entenderá que pueden efectuarse variaciones y modificaciones dentro del espíritu y alcance de la invención y que el alcance de la presente invención debería limitarse sólo por las reivindicaciones de más abajo. Además, se pretende que loe equivalentes de todos los elementos medios o pasos así como las funciones en las reivindicaciones siguientes incluyan cualquier estructura, material o acción para realizar la función como se reivindica específicamente y como personas expertas en la materia de esta descripción entenderían, sin sugerir que cualquiera de las estructuras, materiales o acciones son más evidentes en virtud de su asociación con otros elementos.

Claims (38)

1. Un procedimiento de funcionamiento de un motor de combustión interna que tiene un cigüeñal (20) accionado por al menos un pistón (22) movido mediante al menos una carrera de compresión y una carrera de expansión ayudadas por la combustión que tiene lugar dentro de un cilindro (7), en el que la carrera de compresión tiene como resultado la compresión de aire y combustible dentro del cilindro, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de
-
introducir aire a través de una primera lumbrera (16-B; 52) dentro de un cilindro (7); e
-
introducir aire comprimido a través de una segunda lumbrera (16-A; 16) dentro del cilindro (7),
caracterizado porque la segunda lumbrera (16-A; 16) está abierta sólo cuando la primera lumbrera (16-B; 52) está cerrada.
2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la segunda lumbrera está abierta sólo durante la carrera de compresión.
3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que la segunda lumbrera está abierta sólo durante una carrera de compresión del pistón (22).
4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha segunda lumbrera se abre durante la carrera de compresión, incluyendo en el comienzo de la carrera de compresión o en cualquier momento a partir de entonces durante la carrera de compresión.
5. El procedimiento según una o más reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de ajustar los volúmenes de la carga de aire dentro del cilindro (7), proporcionando así una relación de compresión inferior a la relación de expansión del motor.
6. El procedimiento según una o más de las reivindicaciones precedentes, en el que la etapa de introducir aire comprende las etapas de:
-
comprimir ligeramente una carga de aire a baja presión por fuera del cilindro (7); y
-
dirigir la carga de aire a baja presión a través de la primera lumbrera dentro del cilindro (7); y
en el que la etapa de introducir aire comprimido comprende:
-
comprimir una carga de aire a alta presión por fuera del cilindro (7); y
-
dirigir la carga de aire a alta presión a través de la segunda lumbrera dentro del cilindro (7), sólo mientras la primera lumbrera ocupa una posición cerrada.
7. El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la carga de aire a baja presión está a una primera presión y la carga de aire a alta presión está a una segunda presión, siendo la segunda presión mayor que la primera presión.
8. El procedimiento de la reivindicación 6, en el que la carga de aire a baja presión se comprime mediante un primer compresor (1) y la carga de aire a alta presión se comprime mediante un segundo compresor (2).
9. El procedimiento de la reivindicación 6, que comprende además la etapa de enfriar la carga de aire a baja presión antes de la entrada de la misma en el cilindro (7).
10. El procedimiento de la reivindicación 6, que comprende además la etapa de enfriar la carga de aire a alta presión antes de la entrada de la misma en el cilindro (7).
11. El procedimiento según una cualquiera, o más, de las reivindicaciones precedentes, en el que
-
la etapa de introducir aire comprende la etapa de dirigir una carga de aire primaria a través de la primera lumbrera dentro del cilindro (7); y en el que
-
la etapa de introducir aire comprimido comprende las etapas de comprimir una carga de aire secundaria fuera del cilindro (7) e introducir la carga de aire secundaria a través de la segunda lumbrera del cilindro (7).
12. El procedimiento de la reivindicación 11, en el que la carga de aire primaria está a una primera presión y la carga de aire secundaria está a una segunda presión, siendo la segunda presión mayor que la primera presión.
13. El procedimiento según una cualquiera, o más, de las reivindicaciones precedentes, que comprende además la etapa de controlar una o más características de las cargas de aire seleccionadas del grupo compuesto por turbulencia, densidad, presión, temperatura, presión media y presión máxima.
14. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además la etapa de comprimir ligeramente la carga de aire primaria antes de dirigir la misma dentro del cilindro (7).
15. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además la etapa de enfriar la carga de aire primaria antes de la entrada de la misma en el cilindro (7).
16. El procedimiento de la reivindicación 11, que comprende además la etapa de enfriar la carga de aire secundaria antes de la entrada de la misma en el cilindro (7).
17. Un motor de combustión interna, que comprende un bloque del motor que define al menos un cilindro (7) en el mismo, una primera lumbrera de admisión (16-B; 52) y una segunda lumbrera de admisión (16-A; 16) que comunican entre dicho cilindro (7) y una fuente de aire, una lumbrera de escape a través de la cual se expulsan los gases de escape de dicho cilindro (7), un pistón (22) montado de manera móvil dentro de dicho cilindro (7), al menos un compresor (1, 2) en comunicación fluida mediante un conducto entre dicha fuente de aire y al menos dicha segunda lumbrera; y caracterizado por medios para abrir la segunda lumbrera (16-A; 16) sólo mientras la primera lumbrera (16-B; 52) está cerrada.
18. El motor de combustión interna de la reivindicación 17, que comprende además medios para dirigir aire a baja presión a través de dicha primera lumbrera y dentro de dicho cilindro (7) y para dirigir aire muy comprimido por dicho al menos un compresor (1, 2) a través de dicha segunda lumbrera y dentro de dicho cilindro (7) durante una carrera de compresión de dicho pistón (22).
19. El motor de la reivindicación 17 ó 18, en el que dicha segunda lumbrera está abierta sólo durante una carrera de compresión de dicho pistón (22).
20. El motor de la reivindicación 19, en el que dicha segunda lumbrera está abierta sólo después de que ha comenzado la compresión durante una carrera de compresión de dicho pistón (22).
21. El motor de la reivindicación 17, en el que dicha segunda lumbrera se abre durante la carrera de compresión, incluyendo el comienzo de la carrera de compresión o cualquier momento a partir de entonces durante la carrera de compresión.
22. El motor de combustión interna de la reivindicación 17, que comprende además medios para dirigir aire a baja presión a través de una de dichas lumbreras y dentro de dicho cilindro (7) durante una carrera de admisión del pistón (22) y para dirigir aire muy comprimido por dicho al menos un compresor (1, 2) a través de la otra de dichas lumbreras y dentro de dicho cilindro (7) durante una carrera de compresión de dicho pistón (22) y después de que haya comenzado la compresión.
23. El motor de la reivindicación 17, en el que dicho al menos un compresor incluye un primer compresor (2), y que comprende además:
-
al menos un enfriador de aire (11, 12) interconectado entre dicho primer compresor (2) y dicha segunda lumbrera;
-
medios para dirigir aire a baja presión a través de una de dichas lumbreras y dentro de dicho cilindro (7) durante una carrera de admisión del pistón (22) y para dirigir aire muy comprimido por dicho primer compresor (2) a través de la otra de dichas lumbreras y dentro de dicho cilindro (7) durante una carrera de compresión de dicho pistón (22); y
-
un segundo compresor externo (1) en el que dicha carga de aire a baja presión se comprime ligeramente fuera del cilindro (7) y conducto que dirige dicha carga de aire desde dicho segundo compresor externo (1) a través de un enfriador de aire (10) hasta una lumbrera de baja presión del cilindro (7) durante la carrera de admisión.
24. El motor de la reivindicación 17, en el que dicho al menos un compresor incluye un primer compresor (2), y que comprende además un segundo compresor (1) en comunicación fluida entre dicho primer compresor (2) y dicha segunda lumbrera, por lo cual al menos parte del aire de admisión se comprime selectivamente una segunda vez antes de entrar en el cilindro (7); y medios (27) para controlar el funcionamiento de dicho segundo compresor (1).
25. El motor de la reivindicación 17, en el que se proporcionan medios para minimizar el reflujo de la carga durante el cierre de la lumbrera de presión superior.
26. El motor de la reivindicación 25, en el que el medio para minimizar el reflujo es una válvula de paso único (26).
27. El motor de la reivindicación 17, en el que la carrera de compresión tiene como resultado la compresión de aire dentro del cilindro (7), con medios para gestionar volúmenes de carga de aire para proporcionar una relación de compresión igual o inferior a la relación de expansión del motor.
28. El motor de la reivindicación 17, que comprende además medios (27) para controlar el funcionamiento de dicho al menos un compresor (1, 2) y para controlar la apertura y cierre de dichas lumbreras, y para controlar una o más características de la carga de aire seleccionadas del grupo compuesto por turbulencia, densidad, presión, temperatura y la presión media y máxima.
29. El motor de la reivindicación 17, que comprende además medios para dirigir aire a una primera presión a través de dicha primera lumbrera y dentro de dicho cilindro (7) y para dirigir aire comprimido por dicho al menos un compresor (1, 2) a una segunda presión, diferente de dicha primera presión, a través de dicha segunda lumbrera y dentro de dicho cilindro (7) durante una carrera de compresión del pistón (22).
30. El motor de la reivindicación 17, en el que dicho al menos un compresor incluye un primer compresor (2), y que comprende además un segundo compresor (1) que dirige aire a una primera presión a través de dicha primera lumbrera y en el que dicho primer compresor (2) dirige aire a una segunda presión, diferente de dicha primera presión, a través de dicha segunda lumbrera durante una carrera de compresión de dicho pistón (22).
31. El motor de la reivindicación 29 ó 30, en el que dicha primera presión es de una presión inferior a dicha segunda presión.
32. El motor de la reivindicación 17, que comprende además el conducto que introduce aire ambiental a dicha primera lumbrera, y en el que dicho al menos un compresor (1, 2) dirige aire comprimido a través de dicha segunda lumbrera durante una carrera de compresión de dicho pistón (22).
33. El motor según una cualquiera, o más, de las reivindicaciones 17 a 32, que comprende además:
-
una válvula de admisión (16-A, 16-B) que ocluye selectivamente cada una de dichas lumbreras; y
-
una válvula de escape (17) que ocluye selectivamente dicha lumbrera de escape;
en el que una de dichas válvulas de admisión ocupa una posición abierta sólo mientras la otra de dichas válvulas de admisión ocupa una posición cerrada.
34. El motor según una cualquiera, o más, de las reivindicaciones 17 a 31, que comprende además:
-
una válvula de admisión (16) que ocluye selectivamente dicha segunda lumbrera; y
-
una válvula de escape (17) que ocluye selectivamente dicha lumbrera de escape; y
en el que dicho pistón (22) ocluye selectivamente dicha primera lumbrera (52); ocupando dicha válvula de admisión (16) una posición abierta sólo mientras dicho pistón (22) está ocluyendo dicha primera lumbrera (52).
35. El motor de la reivindicación 17 a 34, en el que la carrera de compresión tiene como resultado la compresión de aire dentro del cilindro (7), con medios para gestionar volúmenes de carga de aire para proporcionar una relación de compresión inferior a la relación de expansión del motor.
36. El motor de una cualquiera, o más, de las reivindicaciones 17 a 35, que comprende además un cigüeñal que afecta al movimiento de dicho pistón (22), y en el que dicho pistón (22) ocupa una posición del punto muerto superior dentro de dicho cilindro (7) cuando dicho cigüeñal (48) está en el punto muerto inferior de su movimiento.
37. El procedimiento según una o más de las reivindicaciones 1 a 16, que comprende además la etapa de reducir la velocidad de desplazamiento del pistón (22) en su punto de transición del punto muerto superior dentro de cilindro (7).
38. El procedimiento según una o más de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además la etapa de enfriar el aire comprimido antes de la entrada del mismo en el cilindro (7).
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