ES2214100B2 - Motor de combustion interna. - Google Patents

Motor de combustion interna.

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ES2214100B2 ES200201412A ES200201412A ES2214100B2 ES 2214100 B2 ES2214100 B2 ES 2214100B2 ES 200201412 A ES200201412 A ES 200201412A ES 200201412 A ES200201412 A ES 200201412A ES 2214100 B2 ES2214100 B2 ES 2214100B2
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Abstract

Motor de combustión interna. Objeto: Aumentar el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible de un motor de combustión interna durante la combustión para mejorar el rendimiento térmico, y reducir su tamaño en la dirección del eje del cilindro. Medios de solución: Los medios de conexión 29 para conectar un pistón 14 y un cigüeñal 20 incluyen una primera biela 22 soportada rotativamente en ambos extremos por un bulón de pistón 21 y un bulón intermedio 23, una segunda biela 24 soportada rotativamente en ambos extremos por el bulón intermedio 23 y un muñón 25, y un brazo de articulación 26 soportado rotativamente en ambos extremos por un bulón intermedio 23 y una porción fija 27 colocada hacia abajo del cigüeñal 20. Cuando el pistón 14 está en el punto muerto superior, la primera biela 22 está dispuesta sustancialmente a lo largo de un eje L2 del cilindro 13 y la segunda biela 24 está dispuesta en la dirección sustancialmente ortogonal al eje L2.

Description

Motor de combustión interna.
Descripción detallada de la invención Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un motor de combustión interna en el que un pistón que se encaja deslizantemente en un cilindro está conectado a un cigüeñal mediante medios de conexión.
Descripción de la técnica relacionada
Un motor de combustión interna en el que un eje de un cigüeñal está dispuesto en el eje de un cilindro, y una biela para conectar un pistón y el cigüeñal está dividida en una primera biela en el lado de pistón y una segunda biela en el lado de cigüeñal y soportada rotativamente por un bulón intermedio, y el bulón intermedio y la porción fija están conectados por un brazo de articulación se conoce por JP-A-2000-55164 y JP-A-7-11971.
Lo descrito en la JP-A-2000-55164 citada se construye de tal manera que la primera biela en el lado de pistón se coloque en el eje del cilindro cuando el pistón esté en la sección intermedia entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior, de manera que se reduzca la presión lateral entre el pistón y el cilindro y así se reduce la abrasión entre ellos.
Lo descrito en la JP-A-7-11971 citada supone un motor diésel de combustión interna, en el que el pistón se coloca en el punto muerto superior dos veces durante un período de tiempo breve en asociación con la rotación del cigüeñal, y la inyección de combustible piloto se lleva a cabo cuando está en el punto muerto superior por primera vez, y la inyección de combustible principal se lleva a cabo cuando está en el punto muerto superior por segunda vez.
Problemas a resolver con la invención
Para aumentar el grado de volumen constante al quemar la mezcla de aire-combustible del motor de combustión interna para mejorar el rendimiento térmico y realizar una mejora de la eficiencia de admisión de aire y una reducción de pérdida de bombeo, se desea que el pistón se desplace lentamente hacia abajo desde el punto muerto superior en su carrera de expansión. Por otra parte, para promover la mezcla de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión para acortar el tiempo de combustión, y para reducir la pérdida de calor durante la compresión, se desea que el pistón se desplace hacia arriba rápidamente en su carrera de compresión.
Sin embargo, dado que el eje del cigüeñal está dispuesto en el eje del cilindro en la técnica relacionada, tanto el cambio del ángulo de calado entre la carrera de expansión y la carrera de admisión como el cambio del ángulo de calado entre la carrera de compresión y la carrera de escape son 180º, y así es difícil cumplir dichos dos requisitos.
Además, dado que la primera y la segunda biela para conectar el pistón y el cigüeñal están dispuestas en el eje del cilindro casi en serie en la técnica relacionada, surge el problema de que se puede incrementar la dimensión del motor de combustión interna en la dirección del eje del cilindro.
Teniendo presentes tales circunstancias, un objeto de la presente invención es aumentar el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible del motor de combustión interna mientras se quema para mejorar el rendimiento térmico, y disminuir su dimensión en la dirección del eje del cilindro.
Medios para resolver los problemas
Para lograr dicho objeto, la invención según la reivindicación 1 propone un motor de combustión interna en el que un pistón encajado deslizantemente en un cilindro está conectado a un cigüeñal mediante medios de conexión, donde los medios de conexión se construyen de tal manera que el tiempo de subida del pistón sea más corto que el tiempo de su bajada.
En esta disposición, dado que el tiempo de subida del pistón es más corto que el tiempo de su bajada debido a los medios de conexión que conectan el pistón al cigüeñal, se reduce la cantidad de movimiento del pistón con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado (la cantidad de aumento en volumen de la cámara de combustión) durante la carrera de expansión, y así aumenta el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible mientras se quema, mejorando por ello el rendimiento térmico del motor de combustión interna. Además, dado que el período de carrera de admisión es más largo en comparación con los 180º AC del motor de combustión interna normal, se baja la velocidad de flujo de aire de admisión, realizando por ello una mejora de la eficiencia de admisión, reducción de pérdida de bombeo, y reducción del, tamaño del diámetro de la válvula de admisión. Además, dado que el período de carrera de compresión es más corto en comparación con 180º AC del motor de combustión interna normal, se puede promover la mezcla de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión y así se acorta el tiempo de combustión, y se puede reducir la pérdida de calor durante la compresión.
Además de la construcción expuesta en la reivindicación 1, la invención según la reivindicación 2 propone un motor de combustión interna caracterizado porque los medios dé conexión incluyen una primera biela soportada rotativamente en un extremo por un bulón de pistón y provista de un bulón intermedio en el otro extremo, una segunda biela soportada rotativamente en un extremo por el bulón intermedio y soportada rotativamente en el otro extremo por una muñequilla, y un brazo de articulación soportado rotativamente en un extremo por el bulón intermedio y soportado rotativamente en el otro extremo por una porción fija, porque la primera biela está dispuesta sustancialmente a lo largo del eje del cilindro, la segunda biela está dispuesta sustancialmente ortogonal al eje del cilindro, y la porción fija que soporta rotativamente el otro extremo del brazo de articulación está colocada hacia abajo del cigüeñal cuando el pistón está colocado en el punto muerto superior.
En esta disposición, dado que la segunda biela está dispuesta ortogonal al eje del cilindro, la dimensión del motor de combustión interna en la dirección de su eje se puede reducir en comparación con los de la técnica relacionada porque la primera y la segunda biela están dispuestas a lo largo del eje del cilindro. Dado que el ángulo pivotante de la primera biela en una fase temprana de la carrera de expansión es menor, y además, la velocidad del descenso del pistón es menor en una fase temprana de la carrera de expansión en comparación con la del motor de combustión interna normal, se puede reducir la pérdida de rozamiento entre el pistón y el cilindro. Además, dado que la primera biela puede pivotar solamente a un lado con respecto al eje del cilindro, se puede reducir la aparición de ruido de golpeteo del pistón.
Además de la construcción expuesta en la reivindicación 2, la invención según la reivindicación 3 propone un motor de combustión interna caracterizado porque el eje del cigüeñal está colocado hacia arriba de la línea recta que pasa por el eje del bulón intermedio y es ortogonal al eje del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior.
En esta disposición, dado que el eje del cigüeñal está colocado hacia arriba de la línea recta que pasa por el eje del bulón intermedio y es ortogonal al eje del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior, se genera una carga de tracción en la segunda biela en una fase temprana de la carrera de expansión en la que el pistón se desplaza hacia abajo desde el punto muerto superior, por lo que la segunda biela es ventajosa en resistencia, permitiendo por ello la reducción de tamaño del diámetro.
La invención expuesta en la reivindicación 4 propone un motor de combustión interna donde el pistón encajado deslizantemente en el cilindro está conectado al cigüeñal mediante los medios de conexión para abrir y cerrar la válvula de admisión y una válvula de escape en respuesta al movimiento alternativo del pistón, caracterizado porque los medios de conexión se construyen de tal manera que el tiempo de subida del pistón sea más corto que el tiempo de su bajada, y el área sustancial del agujero de la válvula de escape se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión.
En esta disposición, dado que el tiempo de subida del pistón es más corto que el tiempo de su bajada debido a los medios de conexión que conectan el pistón al cigüeñal, la cantidad de movimiento del pistón con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado en la carrera de expansión (la cantidad de aumento de volumen de la cámara de combustión) es menor, y así aumenta el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible al tiempo de la combustión, incrementando por ello el rendimiento térmico del motor de combustión interna. Además, dado que el período de carrera de admisión del motor de combustión interna, que es más largo que 180º AC, se puede bajar la velocidad de flujo de aire de admisión para realizar la mejora de la eficiencia de admisión de aire, reducción de pérdida de bombeo, y reducción del tamaño del diámetro de la válvula de admisión. Además, dado que el período de carrera de compresión del motor de combustión interna, que es más corto que 180º AC, se puede promover la mezcla de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión y así se acorta el tiempo de combustión, y se puede reducir la pérdida de calor durante la compresión. Además, dado que el área sustancial del agujero de la válvula de escape se hace más grande que el área sustancial de agujero de la válvula de admisión, los gases de escape se pueden descargar de la cámara de combustión suavemente para minimizar la pérdida de escape incluso cuando el movimiento del pistón al tiempo del inicio de la carrera de escape es más rápido que la técnica relacionada porque el tiempo de subida del pistón se establece de manera que sea más corto que el tiempo de descenso del pistón.
La invención expuesta en la reivindicación 5 propone un motor de combustión interna donde el pistón encajado deslizantemente en el cilindro está conectado al cigüeñal mediante la biela para abrir y cerrar la válvula de admisión y la válvula de escape en respuesta al movimiento alternativo del pistón, caracterizado porque la culata de cilindro, está dispuesta entre el pistón y el cigüeñal, y el área sustancial del agujero de la válvula de escape se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión.
En esta disposición, dado que la culata de cilindro está dispuesta entre el pistón y el cigüeñal en el motor de combustión interna, la cantidad de aumento de volumen de la cámara de combustión con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado en base al punto muerto superior del pistón se puede reducir en comparación con el motor de combustión interna de la técnica relacionada en el que la cámara de combustión está dispuesta en el lado del pistón enfrente del cigüeñal, y así se puede incrementar el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible durante la combustión, incrementando por ello el rendimiento térmico. Además, dado que se ejerce una carga de tracción en la biela durante la carrera de expansión, no es necesario considerar el pandeo en comparación con el motor de combustión interna de la técnica relacionada en la que se ejerce una carga de compresión, y así se reduce la resistencia de la biela para reducir su peso. Además, aunque la velocidad de movimiento del pistón cerca del punto muerto inferior es más rápida que la del motor de combustión interna de la técnica relacionada, dado que el área sustancial del agujero de la válvula de escape se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión, los gases de escape se pueden descargar de la cámara de combustión suavemente para minimizar la pérdida de escape.
Descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en sección transversal vertical de un motor de combustión interna (en un estado en el que un pistón está en el punto muerto superior).
La figura 2 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto inferior).
La figura 3 es una vista en sección transversal tomada a lo largo de la línea 3-3 en la figura 1.
La figura 4 es un gráfico que muestra la relación de la carrera del pistón con respecto al ángulo de calado del motor de combustión interna.
La figura 5 es un dibujo de la modificación de la primera realización, correspondiente a la figura 3.
La figura 6 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna según la segunda realización (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto superior).
La figura 7 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna según la tercera realización (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto superior).
La figura 8 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna según la cuarta realización (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto superior).
La figura 9 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna según la cuarta realización (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto inferior).
La figura 10 es un dibujo explicativo que ilustra el cambio de la posición del bulón intermedio en el caso en el que la segunda biela se expande en el punto muerto superior.
La figura 11 es un dibujo explicativo que ilustra el cambio de la posición del bulón intermedio en el caso en el que la segunda biela se expande y el brazo de articulación se contrae en el punto muerto superior.
La figura 12 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna según la quinta realización (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto superior).
La figura 13 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna según la cuarta realización (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto inferior).
La figura 14 es un dibujo visto en la dirección de la línea 14-14 en la figura 12.
La figura 15 es un dibujo explicativo que ilustra la operación del ángulo de calado \theta.
La figura 16 es un gráfico que muestra la relación entre el ángulo de calado \theta y el desplazamiento del pistón x.
Números de referencia
13: Cilindro
14: Pistón
18: Válvula de admisión
19: Válvula de escape
20: Cigüeñal
21: Bulón del pistón
22: Primera biela
23: Bulón intermedio
24: Segunda biela
25: Muñequilla
26: Brazo de articulación
27: Porción fija
29: Medios de conexión
112: Culata de cilindro
115: Cilindro
116: Pistón
119: Cigüeñal
121: Biela
122: Cámara de combustión
125: Válvula de admisión
126: Válvula de escape
L1: Eje del cigüeñal
L2: Eje del cilindro
L5: Eje del bulón intermedio.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
Con referencia ahora a los ejemplos de la presente invención ilustrada en los dibujos anexos, se describirá realizaciones de la presente invención.
Las figuras 1 a 4 muestran la primera realización de la presente invención. La figura 1 es una vista en sección transversal vertical de un motor de combustión interna (en un estado en el que un pistón está en el punto muerto superior), la figura 2 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto inferior), y la figura 3 es un dibujo visto en la dirección 3-3 en la figura 1, y la figura 4 es un gráfico que muestra una relación de la carrera del pistón con respecto al ángulo de calado. En esta memoria descriptiva, la dirección hacia el punto muerto superior y la dirección hacia el punto muerto inferior del pistón 14 del motor de combustión interna E se definen de manera que sean hacia arriba y hacia abajo respectivamente.
Como se muestra en la figura 1, un motor de combustión interna de cuatro tiempos E incluye un bloque de cilindro 11 y una culata de cilindro 12, y el pistón 14 está encajado deslizantemente en un cilindro 13 dispuesto en el bloque de cilindro 11. La culata de cilindro 12 está provista de una cámara de combustión 15 que mira hacia la superficie superior del pistón 14, un orificio de admisión 16 que continúa a la cámara de combustión 15, un orificio de escape 17 que continúa a la cámara de combustión 15, una válvula de admisión 18 que abre y cierra un agujero de válvula de admisión, y una válvula de escape 19 para abrir y cerrar un agujero de válvula de escape.
Un cigüeñal 20 está dispuesto de tal manera que el eje L1 esté en un lado con respecto al eje L2 del cilindro 13. Un extremo de la segunda biela 24 se soporta por el otro extremo de la primera biela 22, uno de cuyos extremos se soporta rotativamente por el bulón de pistón 21 y que se extiende hacia abajo, mediante un bulón intermedio 23, y el otro extremo de la segunda biela 24 que se extiende del bulón intermedio 23 hacia un lado se soporta rotativamente por una muñequilla 25. Un brazo de articulación 26 soportado rotativamente en un extremo por el bulón intermedio 23 se soporta rotativamente en el otro extremo por una porción fija 27 colocada hacia abajo del cigüeñal 20 mediante un pasador de pivote 28.
Cuando el pistón 14 está colocado en el punto muerto superior, el eje L3 de la primera biela 22 (es decir, un segmento lineal que conecta el eje L4 del bulón de pistón 21 y el eje L5 del bulón intermedio 23) coincide con el eje L2 del cilindro 13, y el eje L6 de la segunda biela 24 (es decir, un segmento lineal que conecta el eje L5 del bulón intermedio 23 y el eje L7 de la muñequilla 25) es casi ortogonal al eje L3 de la primera biela 22. El eje L8 del brazo de articulación 26 (es decir, un segmento lineal que conecta el eje L5 del bulón intermedio 23 y el eje L9 del pasador de pivote 28) se inclina con respecto al eje L3 de la primera biela 22 de manera que el lado derecho esté más bajo como se ve en la figura.
Dicha primera biela 22, la segunda biela 24, y el brazo de articulación 26 constituyen medios de conexión 29 de la presente invención.
La dirección rotacional del cigüeñal 20 se establece a la dirección en la que la muñequilla 25 se desplaza hacia arriba y después hacia abajo a la vez que el pistón 14 se desplaza hacia abajo desde el punto muerto superior al punto muerto inferior.
Como es evidente por la figura 3, la relación entre el diámetro D1 de la válvula de admisión 18 y el diámetro D2 de la válvula de escape 19 es la inversa del motor de combustión interna de la técnica relacionada. Por lo tanto, el área sustancial del agujero de la válvula de escape 19 se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión 18 haciendo que el diámetro D2 de la válvula de escape 19 sea más grande que el diámetro D1 de la válvula de admisión 18, es decir, haciendo que la longitud periférica de la válvula de escape 19 sea más grande que la longitud periférica de la válvula de admisión 18. En esta realización, la válvula de admisión 18 y la válvula de escape 19 están dispuestas en una línea diametral de la cámara de combustión 15, y dos bujías de encendido 30, 31 están dispuestas de manera que interpongan la línea diametral.
Para hacer el área sustancial del agujero de la válvula de escape 19 más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión 18, como se muestra en la modificación de la figura 5, se puede disponer dos válvulas de escape 19, 19 para una válvula de admisión 19 por ejemplo, de manera que la suma de las longitudes periféricas de las dos válvulas de escape 19 sea mayor que la longitud periférica de una válvula de admisión 18. En esta modificación, la válvula de admisión 18 está dispuesta en un lado de la línea diametral de la cámara de combustión 15, dos válvulas de escape 19, 19 están dispuestas en su otro lado, y las dos bujías de encendido 30, 31 están dispuestas en la línea diametral.
La figura 2 muestra un estado en el que el pistón 14 está en el punto muerto inferior. Cuando el pistón 14 se mueve entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior, el eje L5 del bulón intermedio 23 en el extremo inferior de la primera biela 22 se mueve en el arco A que tiene su centro en el eje L9 del pasador de pivote 28 a la vez que está unido por el brazo de articulación 26. Durante el movimiento, el eje L5 del bulón intermedio 23 nunca se desplazará al lado derecho del eje L2 del cilindro 13 en la figura.
El cigüeñal 20 gira 216º mientras el pistón 14 se mueve desde el punto muerto superior al punto muerto inferior, y el cigüeñal 20 gira 144º mientras el pistón 14 se desplaza desde el punto muerto inferior al punto muerto superior. En otros términos, en el motor de combustión interna E de la presente invención, el período de tiempo de la carrera de expansión y la carrera de admisión (ángulo dé calado) son más largos que el período de tiempo de la carrera de compresión y la carrera de escape (ángulo de calado).
La figura 4 muestra una relación de las carreras del pistón con respecto a los ángulos de calado. La línea de trazos representa una característica del motor de combustión interna de la técnica relacionada en el que el eje del cigüeñal está dispuesto en el eje del cilindro y el bulón de pistón y la muñequilla están conectados por una biela. Dicha característica representada en una línea de puntos y rayas es similar a la curva senoidal, en la que el lado retardado (la carrera de compresión y la carrera de escape) y el lado avanzado (la carrera de expansión y la carrera de admisión) son simétricos con respecto al punto muerto superior. En contraposición a ella, la característica de la presente realización mostrada en una línea continua es tal que el lado retardado y el lado avanzado son asimétricos con respecto al punto muerto superior dado que el período de tiempo de la carrera de expansión y la carrera de admisión son más largos que el período de tiempo de la carrera de compresión y la carrera de escape, como se ha descrito anteriormente.
Según dicha característica, el motor de combustión interna E de esta realización ejerce el efecto siguiente en comparación con el motor de combustión interna de la técnica relacionada.
(1) Para mejorar el rendimiento térmico del motor de combustión interna E, es deseable que el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible aumente a la combustión. Para ello, cuanto menor es la cantidad de aumento de volumen de la cámara de combustión 15 con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado cuando el pistón 14 se desplaza hacia abajo del punto muerto superior durante la carrera de expansión, más aumenta el grado de volumen constante y así mejora el rendimiento térmico. Como es evidente por la porción que muestra la carrera de expansión en el gráfico de la figura 4, el desplazamiento descendente del pistón 14 desde el punto muerto superior del motor de combustión interna E de esta realización mostrado en una línea continua es menor que el desplazamiento descendente del pistón del motor de combustión interna de la técnica relacionada mostrado en una línea de puntos y rayas, y así se incrementa el grado de volumen constante en la carrera de expansión, mejorando por ello el rendimiento térmico.
(2) Como es evidente por la porción que muestra la carrera de admisión del gráfico de la figura 4, dado que el período de carrera de admisión del motor de combustión interna E de esta realización mostrada en una línea continua es 216º AC, que es mayor que 180º AC de la técnica relacionada, la velocidad de flujo de aire de admisión se puede bajar para realizar la mejora de la eficiencia de admisión de aire, reducción de pérdida de bombeo, y reducción del tamaño del diámetro de la válvula de admisión 18.
(3) Como es evidente por la porción que muestra la carrera de compresión en el gráfico de la figura 4, dado que el período de carrera de compresión del motor de combustión interna E de esta realización mostrada en una línea continua es 144º AC, que es más corto que 180º AC de la técnica relacionada, se puede promover la mezcla de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión 15 y así se acorta el tiempo de combustión, y se puede reducir la pérdida de calor (pérdida de enfriamiento) durante la compresión.
El motor de combustión interna E de esta realización puede ejercer los efectos siguientes debido a la construcción de los medios de conexión 29.
(4) Dado que la segunda biela 24 está dispuesta de manera que sea ortogonal al eje L2 del cilindro 13, la dimensión del motor de combustión interna E en la dirección del eje L2 del cilindro 13 se puede reducir en comparación con el caso en el que la primera biela 22 y la segunda biela 24 están dispuestas a lo largo del eje L2 del cilindro 13.
(5) Dado que el ángulo pivotante de la primera biela 22 en un estado en el que la presión en la cámara de combustión 15 es especialmente alta (es decir, en una fase temprana de la carrera de expansión) es considerablemente pequeño en comparación con el motor de combustión interna normal provisto de una única biela, y es baja la velocidad del descenso del pistón 14 en una fase temprana de la carrera de expansión en la que la presión en la cámara de combustión 15 es alta, se puede reducir la pérdida por rozamiento debido a la presión lateral del pistón 14.
(6) Dado que la primera biela 22 pivota solamente a un lado con respecto al eje L2 del cilindro 13, se puede reducir el ruido de golpeteo generado cuando el pistón 14 choca contra el cilindro 13.
En general, en el motor de combustión interna de la técnica relacionada, el área sustancial del agujero de la válvula de escape se establece de manera que sea más pequeña que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión. La primera razón es que el número mach marginal de la estrangulación de gases de escape es grande debido a su alta temperatura, y la segunda razón es que hay tiempo suficiente para descargar gases de escape porque el movimiento del pistón es más lento en el lado del punto muerto inferior que en el lado del punto muerto superior.
Como se describe en unión con la figura 4, el período de carrera de escape del motor de combustión interna E de la presente realización es más corto que el de la técnica relacionada, y así el movimiento del pistón 14 cerca del punto muerto inferior resulta más rápido, lo que puede dar lugar a un aumento de la pérdida de escape si no se hace nada. Especialmente, aunque lo general es que la válvula de escape se abra en la posición antes de llegar al punto muerto inferior, si la temporización de apertura de la válvula de escape para utilizar la carrera de expansión se retarda efectivamente en la posición cerca del punto muerto inferior, se teme que se deteriore la descarga suave de gases de escape y así se puede aumentar más la pérdida de escape. Sin embargo, dado que el área sustancial del agujero de la válvula de escape 19 se establece de manera que sea más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión 18 en la presente realización, es posible permitir la descarga suave de gases de escape y minimizar el aumento de la pérdida de escape a la vez que se utiliza efectivamente la carrera de expansión estableciendo la temporización al abrir la válvula de escape lo más cerca posible del punto muerto inferior.
En la primera realización, cuando el pistón 14 está en el punto muerto superior, la segunda biela 24 se extiende a lo largo de la dirección ortogonal al eje L2 del cilindro 13, mientras que en la segunda realización mostrada en la figura 6, el eje L6 de la segunda biela 24 se extiende hacia arriba de forma ligeramente oblicua con respecto a la dirección ortogonal al eje L2 del cilindro 13. Además, en la tercera realización representada en la figura 7, el eje L6 de la segunda biela 24 se extiende hacia abajo de forma ligeramente oblicua con respecto a la dirección ortogonal al eje L2 del cilindro 13.
Más específicamente, en la segunda realización mostrada en la figura 6, cuando el pistón 14 está en el punto muerto superior, S está colocado hacia arriba de Q donde Q es la posición del eje L5 del bulón intermedio 23 situado en el eje L2 del cilindro 13, y S es la intersección entre el eje L2 del cilindro 13 y la línea perpendicular Al mismo desde el eje L1 del cigüeñal 20. En contraposición a ello, en la segunda realización mostrada en la figura 7, S está situado hacia abajo de Q.
Dado que la realización representada en la figura 6 y la figura 7 es tal que la primera biela 22 y la segunda biela 24 están dispuestas casi en un ángulo recto cuando el pistón 14 está en el punto muerto superior, se puede lograr todos los efectos de la primera realización. Sin embargo, en sentido estricto, a causa de la relación posicional entre S y Q, cuando el pistón 14 se desplaza hacia abajo desde el punto muerto superior mostrado en la figura durante la carrera de expansión, se ejerce una carga de tracción en la segunda biela 24 en la segunda realización mostrada en la figura 6, a la vez que se ejerce una carga compresiva en la segunda biela 24 sólo momentáneamente en la tercera realización representada en la figura 7. Por lo tanto, la segunda realización (véase la figura 6) en la que no se ejerce carga compresiva encima es ventajosa en vista de la resistencia de la segunda biela 24, y emplear así la disposición de la segunda realización puede contribuir a la reducción de tamaño del diámetro de la segunda biela 24 y por lo tanto a la reducción de su peso.
Con referencia ahora a las figuras 8 a 11, se describirá la cuarta realización de la presente invención.
La construcción de la cuarta realización es similar a la de la segunda realización descrita en unión con la figura 6; el eje L1 del cigüeñal 20 y el eje L9 del pasador de pivote 28 están colocados ligeramente más altos que los de la segunda realización. Cuando el pistón 14 está en el punto muerto superior, la segunda biela 24 está dispuesta de tal manera que el lado del eje L1 del cigüeñal 20 esté más alto que el eje L5 del bulón intermedio 23, y el brazo de articulación 26 está dispuesto de tal manera que el lado del eje L9 del pasador de pivote 28 esté más bajo que el eje L5 del bulón intermedio 23.
Según la cuarta realización, se ejercen los efectos siguientes además de los efectos de la primera realización y la segunda realización.
En otros términos, en una fase temprana de la carrera de expansión donde el pistón 14 está en el punto muerto superior, la carga debida a la explosión de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión 15 se transmite a la primera biela 22 mediante el pistón 14, y una carga de explosión descendente F actúa en el bulón intermedio 23 en el extremo inferior de la primera biela 22. La carga de explosión F se descompone en una carga de tracción F1 que empuja la segunda biela 24 en la dirección inferior izquierda y una carga de compresión F2 para comprimir el brazo de articulación 26 en la dirección inferior derecha, la segunda biela 24 se extiende \DeltaL12 a carga de tracción F1, y el brazo de articulación 26 se comprime \DeltaL2 por la carga de compresión F2. Dado que el ángulo formado entre la segunda biela 24 y la línea horizontal y el ángulo formado entre el brazo de articulación 26 y la línea horizontal son pequeños, se amplifican la carga de tracción F1 de la segunda biela 24 y la carga de compresión F2 del brazo de articulación 26 con respecto a la carga de explosión F.
En la figura 10, suponiendo que la segunda biela 24 se expanda \DeltaL1 y que la longitud del brazo de articulación 26 no cambie, la posición del bulón intermedio 23 en el extremo inferior de la primera biela 22 se baja \DeltaL'. Realmente, como se muestra en la figura 11, dado que la segunda biela 24 se expande \DeltaL1, y el brazo de articulación 26 se comprime \DeltaL2, la posición del bulón intermedio 23 en el extremo inferior de la primera biela 22 se baja \DeltaL, que es mayor que \DeltaL'.
De esta manera, cuando la posición del bulón intermedio 23 se baja \DeltaL en una fase temprana de la carrera de expansión, la posición del pistón 14 también se baja \DeltaL, y se incrementa el volumen de la cámara de combustión 15, disminuyendo correspondientemente por ello la relación de compresión. Dado que la magnitud de \DeltaL aumenta con los aumentos de la carga de explosión F, la velocidad de disminución de la relación de compresión aumenta con los aumentos de la carga del motor de combustión interna E. Consiguientemente, se puede evitar el golpeteo reduciendo la relación de compresión en condiciones de carga alta a la vez que se permite la operación de alto rendimiento térmico con alta relación de compresión en una amplia gama de operación en condiciones de carga parcial para reducir la cantidad de consumo. Además, tal control de relación de compresión variable se puede realizar solamente cambiando la disposición de la primera biela 22, la segunda biela 24, y el brazo de articulación 26 sin necesidad de un accionador especial o un controlador, lo que comporta costos muy bajos.
Aunque la primera biela 22 propiamente dicha se comprime por la carga de explosión F y así se comprime su longitud, disminuyendo por ello la posición del pistón 14 correspondientemente y reduciendo su relación de compresión, la reducción de la relación de compresión en asociación con la expansión y compresión de la segunda biela 24 y el brazo de articulación 26 es mucho más grande. La razón es que la distancia de avance hacia abajo del pistón 14 en asociación con la contracción de la primera biela 22 dispuesta verticalmente es exactamente la cantidad de contracción antes descrita, pero la distancia de avance hacia abajo del pistón 14 en asociación con la expansión y contracción de la segunda biela 24 y el brazo de articulación 26 dispuesto de forma sustancialmente horizontal es la cantidad amplificada de expansión y contracción.
Las figuras 12 a 16 muestran la quinta realización de la presente invención, en la que la figura 12 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto superior), la figura 13 es una vista en sección transversal vertical del motor de combustión interna (en un estado en el que el pistón está en el punto muerto inferior), la figura 14 es un dibujo visto en la dirección 14-14 en la figura 12, la figura 15 es un dibujo explicativo de la acción del motor de combustión interna, y la figura 16 es un gráfico que muestra la relación entre el ángulo de calado \theta y el desplazamiento del pistón x.
Como se muestra en las figuras 12 a 15, el contorno de una unidad de potencia P para una motocicleta que tiene un motor de combustión interna E incluye una caja de transmisión 111, una culata de cilindro 112 unida en la superficie frontal de la caja de transmisión 111, un bloque de cilindro 113 unido en la superficie frontal de la culata de cilindro 112, y una cubierta 114 unida en la superficie frontal del bloque de cilindro 113. El pistón 116 está encajado deslizantemente en un cilindro 115 soportado dentro del bloque de cilindro 113, y un bulón de pistón 117 se soporta en el extremo delantero de las patas 116a, 116a que sobresalen integralmente del pistón 116 hacia la parte delantera. Cuando el pistón 116 está en el punto muerto superior mostrado en la figura 12, se forman ranuras en forma de U 115a, 115a para evitar la interferencia con el bulón de pistón 117 en el extremo delantero del cilindro 115.
Un cigüeñal 119 soportado en la superficie de acoplamiento entre la culata de cilindro 112 y la caja de transmisión 111 está provisto de un par de muñequillas 119a, 119a, y un par de bielas de conexión 121, 121 soportadas por dichas muñequillas 119a, 119a en sus extremos más grandes mediante cojinetes de aguja 120, 120 están conectadas en ambos extremos del bulón de pistón 117 mediante los agujeros 112a, 112a de la culata de cilindro 112 y un agujero (no representado) del bloque de cilindro 113.
Se ha formado una cámara de combustión 122 en la culata de cilindro 112 de manera que mire hacia la superficie superior del pistón 116, y un orificio de admisión 123 que se extiende hacia arriba de la cámara de combustión 122 y el orificio de escape 124 que se extiende hacia abajo de la misma se abren y cierran respectivamente por una válvula de admisión 125 y una válvula de escape 126 dispuestas en forma de la letra V. Como es evidente por la figura 14, el área sustancial del agujero de la válvula de escape 126 se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión 125. Una bujía de encendido 108 está montada en la cámara de combustión 122 de manera que no interfiera con la válvula de admisión 125 y la válvula de escape 126.
Un eje oscilante de admisión de aire 130 y un eje oscilante de escape 131 se soportan en la caja de transmisión 111, y un brazo oscilante de admisión de aire 132 soportado pivotantemente por el eje oscilante de admisión de aire 130 contacta contra una excéntrica de admisión de aire 133 fijada en un eje de excéntrica 128 y el extremo de vástago de la válvula de admisión 125. Una porción intermedia de un brazo oscilante de escape accionado en forma de L 134 se soporta pivotantemente por un eje oscilante de escape 131, y un extremo del brazo oscilante de escape accionado 134 contacta contra el extremo de vástago de la válvula de escape 126 y su otro extremo está conectado a un extremo de una biela 135. Un brazo oscilante de escape accionador 136 que es independiente del brazo oscilante de admisión de aire 132 se soporta pivotantemente por el eje oscilante de admisión de aire 130, y el brazo oscilante de escape accionador 136 es contactado por una excéntrica de escape 137 fijada a un eje de excéntrica 128 y está conectado al otro extremo de la biela 135.
La rotación del árbol de levas 128 se transmite a la válvula de admisión 125 mediante una excéntrica de admisión de aire 133 y el brazo oscilante de admisión de aire 132, y abre la válvula de admisión 125 una vez cada dos revoluciones del cigüeñal 119. La rotación del árbol de levas 128 se transmite a la válvula de escape 126 mediante la excéntrica de escape 137, el brazo oscilante de escape accionador 136, la biela 135, y el brazo oscilante de escape accionado 134, y abre la válvula de escape 126 una vez cada dos revoluciones del cigüeñal 119.
Ahora se describirá el funcionamiento de la quinta realización.
La figura 15 es un dibujo esquemático del motor de combustión interna E de la presente realización, que incluye el cilindro 115, el pistón 116 encajado deslizantemente en el cilindro 115, la culata de cilindro 112 conectada al cilindro 115, la cámara de combustión 122 formada en la superficie superior de la culata de cilindro 112 que mira hacia el pistón 116, el cigüeñal 119, las bielas de conexión 121, 121 para conectar el pistón 116 al cigüeñal 119. La culata de cilindro 112 está dispuesta en la posición interpuesta entre el pistón 116 y el cigüeñal 119.
La figura 15(A) muestra un estado en el que el pistón 116 está en el punto muerto superior, y el ángulo de calado \theta en este momento es de 0º. La figura 15(C) muestra un estado en el que el pistón 116 está en el punto muerto inferior, y el ángulo de calado \theta en este momento es de 180º. La figura 15(B) muestra un estado en el que el pistón 116 está en el punto medio entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior. El ángulo de calado \theta en este momento no es de 90º, sino que el ángulo \thetab es mayor que 90º. La razón es que las bielas de conexión 121, 121 se colocan en el eje de cilindro L en el punto muerto superior y el punto muerto inferior, mientras que las bielas de conexión 121, 121 están inclinadas el ángulo \phi con respecto al eje de cilindro L en dicho punto medio.
En la figura 16, la relación entre el ángulo de calado \theta con respecto al punto muerto superior del motor de combustión interna E y el desplazamiento x del pistón 116 con respecto al punto muerto superior se representa por una línea discontinua. La carrera del pistón 116 entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior es 60 mm en este caso. Como se describe en la figura 15(B), cuando el pistón 116 está en el punto medio del punto muerto superior y el punto muerto inferior (cuando el desplazamiento está en la posición de -30 mm), el ángulo de calado \theta resulta un ángulo \thetab, que es mayor de 90º. En contraposición a ello, en la curva de coseno mostrada por una línea continua, el ángulo de calado \theta es 90º cuando el pistón 116 está en el punto medio entre el punto muerto superior y el punto muerto inferior.
De esta manera, se aprecia que la línea (véase la línea de trazos) que muestra la relación del desplazamiento x del pistón 116 con respecto al ángulo de calado (está colocada en el lado superior de la curva de coseno mostrada por una línea continua en el motor de combustión interna E de esta realización. Significa que la cantidad de aumento del desplazamiento x del pistón 116 con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado \theta es menor que la característica de la curva de coseno cuando el pistón se desplaza hacia abajo del punto muerto superior en la carrera de expansión.
Para incrementar el rendimiento térmico del motor de combustión interna E, es deseable aumentar el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible durante la combustión. Para hacerlo, cuando el pistón 116 se desplaza hacia abajo del punto muerto superior durante la carrera de expansión, cuanto menor es la cantidad de aumento del volumen de la cámara de combustión 122 con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado \theta, más se incrementa el grado de volumen constante, incrementando por ello el rendimiento térmico. Como es claro por la porción que muestra la carrera de expansión, que es el rango de 0º a 180º en el ángulo de calado \theta, en el gráfico en la figura 16, el desplazamiento x del pistón 116 desde el punto muerto superior del motor de combustión interna E en la presente realización mostrada por una línea de trazos es menor que el desplazamiento x del pistón del motor de combustión interna de la técnica relacionada mostrado por unas líneas de puntos y rayas. Por lo tanto, se incrementa el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible en la carrera de expansión, incrementando por ello el rendimiento térmico.
En el motor de combustión interna E de la presente realización, dado que la línea (véase la línea de trazos) que muestra la relación de desplazamiento x del pistón 116 con respecto al ángulo de calado \theta está colocada en el lado superior de la curva de coseno mostrada en una línea continua, cuando el pistón se desplaza hacia arriba del punto muerto inferior durante la carrera de escape, la cantidad de aumento del desplazamiento x del pistón 116 con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado \theta es mayor que la característica de la curva de coseno, y así la cantidad de escape de gases de escape por período de tiempo unitario es mayor que el caso del motor de combustión interna de la técnica relacionada. Sin embargo, dado que el área sustancial del agujero de la válvula de escape 126 se establece de manera que sea más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión 125, se puede minimizar la pérdida de escape descargando suavemente gases de escape de la cámara de combustión 122.
En la carrera de expansión en la que se ejerce una carga más grande en las bielas de conexión 121, 121, dado que el pistón 116 se aleja del cigüeñal 119, una carga de tracción en la dirección opuesta a la del motor de combustión interna E de la técnica relacionada actúa en las bielas de conexión 121, 121. De esta manera, el ejercicio de una carga de tracción en las bielas 121, 121 las hace ventajosas en resistencia en comparación con el caso en el que se ejerce encima una carga de compresión, por lo que las bielas de conexión 121, 121 se pueden hacer más finas para reducir el peso.
Dado que las bielas de conexión 121, 121 están divididas en dos piezas, y están conectadas a ambos extremos del cigüeñal 119 en la dirección axial mediante ambos lados del pistón 116, se puede evitar que se ejerza una carga desviada en el pistón 116 y así se puede mejorar su durabilidad contra la abrasión. Además, dado que las porciones de pata 116a, 116a sobresalen del pistón 116 en la dirección de alejamiento del cigüeñal 119 y el bulón de pistón 117 se ha dispuesto en los extremos de las porciones de pata 116a, 116a, las longitudes completas de las bielas de conexión 121, 121 resultan más largas que el caso del motor de combustión interna E de la técnica relacionada. Por consiguiente, disminuye el ángulo pivotante \phi de las bielas de conexión 121, 121 con respecto al eje de cilindro L, y así disminuye el empuje lateral ejercido en el pistón 116, mejorando por ello su durabilidad contra la abrasión.
Aunque las realizaciones de la presente invención se han descrito con detalle, se puede hacer varias modificaciones de diseño en la presente invención sin apartarse del alcance de la invención.
Por ejemplo, un motor de combustión interna de cuatro tiempos E se ejemplifica en las realizaciones, aunque la presente invención también se puede aplicar a un motor de combustión interna de dos tiempos.
Efectos de la invención
Como se ha descrito hasta ahora, dado que el tiempo de descenso del pistón es más corto que su tiempo de subida debido a los medios de conexión que conectan el pistón al cigüeñal, se reduce la cantidad de movimiento del pistón con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado (la cantidad de aumento de volumen de la cámara de combustión) durante la carrera de expansión, y así aumenta por ello el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible mientras se quema, mejorando el rendimiento térmico del motor de combustión interna. Además, dado que el período de carrera de admisión es más largo en comparación con 180º AC del motor de combustión interna normal, la velocidad de flujo del aire de admisión se baja realizando por ello una mejora de la eficiencia de admisión, reducción de pérdida de bombeo, y reducción del tamaño del diámetro de la válvula de admisión. Además, dado que el período de carrera de compresión es más corto en comparación con 180º AC del motor de combustión interna normal, se puede promover la mezcla de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión y así se acorta el tiempo de combustión, y se puede reducir la pérdida de calor durante la compresión.
Según la invención, dado que la segunda biela está dispuesta ortogonal al eje del cilindro, la dimensión del motor de combustión interna en la dirección de su eje se puede reducir en comparación con la de la técnica relacionada en la que la primera y la segunda biela están dispuestas a lo largo del eje del cilindro. Dado que el ángulo pivotante de la primera biela en una fase temprana de la carrera de expansión es menor, y además la velocidad del descenso del pistón es menor en una fase temprana de la carrera de expansión en comparación con la del motor de combustión interna normal, se puede reducir la pérdida por rozamiento entre el pistón y el cilindro. Además, dado que la primera biela puede pivotar solamente a un lado con respecto al eje del cilindro, se puede reducir la aparición de ruido de golpeteo del pistón.
Según la invención, dado que el eje del cigüeñal está colocado hacia arriba de la línea recta que pasa por el eje del bulón intermedio y es ortogonal al eje del cilindro cuando el pistón está en el punto muerto superior, se genera una carga de tracción en la segunda biela en una fase temprana de la carrera de expansión en la que el pistón se desplaza hacia abajo del punto muerto superior, por lo que la segunda biela es ventajosa en resistencia, permitiendo por ello la reducción de tamaño del diámetro.
Según la invención, dado que el tiempo de subida del pistón es más corto que el tiempo de su bajada por los medios de conexión para conectar el pistón al cigüeñal, la cantidad de movimiento del pistón con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado disminuye en la carrera de expansión (la cantidad de aumento de volumen de la cámara de combustión) es menor, y así aumenta el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible al tiempo de combustión, incrementando por ello el rendimiento térmico del motor de combustión interna. Además, dado que el período de carrera de admisión del motor de combustión interna, que es mayor que 180º AC, se puede bajar la velocidad de flujo de aire de admisión para realizar la mejora de la eficiencia de admisión de aire, reducción de pérdida de bombeo, y reducción del tamaño del diámetro de la válvula de admisión. Además, dado que el período de carrera de compresión del motor de combustión interna, que es más corto que 180º AC, se puede promover la mezcla de la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión y así se acorta el tiempo de combustión, y se puede reducir la pérdida de calor durante la compresión. Además, dado que el área sustancial del agujero de la válvula de escape se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión, se puede descargar suavemente gases de escape desde la cámara de combustión para minimizar la pérdida de escape incluso cuando el movimiento del pistón al tiempo del inicio de la carrera de escape es más rápido que la técnica relacionada porque el tiempo de subida del pistón se pone de manera que sea más corto que el tiempo de descenso del pistón.
Según la invención, dado que la culata de cilindro en la que la cámara de combustión está dividida, está dispuesta entre el pistón y el cigüeñal en el motor de combustión interna, la cantidad de aumento de volumen de la cámara de combustión con respecto a la cantidad de aumento del ángulo de calado en base al punto muerto superior del pistón se puede reducir en comparación con el motor de combustión interna de la técnica relacionada en la que la cámara de combustión está dispuesta en el lado del pistón enfrente del cigüeñal, y así se puede incrementar el grado de volumen constante de la mezcla de aire-combustible durante la combustión, incrementando por ello el rendimiento térmico. Además, dado que se ejerce una carga de tracción en la biela durante la carrera de expansión, no es necesario considerar el pandeo en comparación con el motor de combustión interna de la técnica relacionada en el que se ejerce una carga de compresión, y así se reduce la resistencia de la biela para reducir su peso. Además, aunque la velocidad de movimiento del pistón cerca del punto muerto inferior es más rápida que el del motor de combustión interna de la técnica relacionada, dado que el área sustancial del agujero de la válvula de escape se hace más grande que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión, se puede descargar suavemente gases de escape desde la cámara de combustión para minimizar la pérdida de escape.

Claims (2)

1. Un motor de combustión interna en el que un pistón (14) que está encajado deslizantemente en un cilindro (13) está conectado a un cigüeñal (20) mediante medios de conexión (29), caracterizado porque los medios de conexión (29) determinan que el tiempo de subida del pistón (14) sea más corto que el tiempo de su bajada, al incluir una primera biela (22) soportada rotativamente en un extremo por un bulón de pistón (21) y provista de un bulón intermedio (23) en el otro extremo, una segunda biela (24) soportada rotativamente en un extremo por el bulón intermedio (23) y soportada rotativamente en el otro extremo por una muñequilla (25), y un brazo de articulación (26) soportado rotativamente en un extremo por el bulón intermedio (23) y soportado rotativamente en el otro extremo por una porción fija (27), estando la primera biela (22) dispuesta a lo largo del eje (L2) del cilindro (13); la segunda biela (24) ortogonal al eje (L2) del cilindro (13); y la porción fija (27) que soporta rotativamente el otro extremo del brazo de articulación (26), colocada hacia abajo del cigüeñal (20) cuando el pistón (14) está colocado en el punto muerto superior.
2. Un motor de combustión interna, según la reivindicación 1, caracterizado porque el área sustancial del agujero de la válvula de escape (19) es mayor que el área sustancial del agujero de la válvula de admisión (18).
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