ES2215968T3 - Motor de combustion interna de dos tiempos con inyeccion directa del combustible asistida neumaticamente. - Google Patents

Abstract

Motor de combustión interna de dos tiempos con inyección directa de combustible asistida neumáticamente, que comprende un cuerpo cilíndrico (11) en cuyo interior está dispuesto un primer cilindro impulsor (13) que contiene un primer pistón (12) y un segundo cilindro de compresor (21), que contiene un segundo pistón (20), estando dichos pistones (12, 20) conectados mediante unas bielas (16, 17) a un eje de transmisión (14), estando previsto, en una cabeza de dicho cuerpo cilíndrico (11) un canal de alimentación (43), en el cual se abre un electroinyector de combustible (44), que está conectado mediante una válvula automática (28) a una cámara de combustión (60) en el extremo del primer cilindro (13), un cárter del cigüeñal del motor (26) y un cárter del compresor (25) que contiene dichas bielas (16, 17) y que está conectado a través de unas aberturas (27), estando dicho segundo cilindro compresor (21) conectado al cárter del compresor (25) a través de unos canales embutidos (42).

Description

Motor de combustión interna de dos tiempos con inyección directa del combustilble asistida neumáticamente.

La presente invención se refiere a un motor de combustión interna de dos tiempos con inyección directa de combustible asistida neumática mente, más particularmente provisto de una válvula automática y que funciona a través de un compresor, que está integrado en el motor que tiene también la función de sobrealimentación.

En un motor de dos tiempos, la etapa de escape y la inserción de gases puros en el cilindro (etapa de limpieza) suceden casi simultáneamente, cuando el pistón está en la proximidad de su punto muerto inferior. La superposición de las etapas de entrada y de escape hacen que se pierda una parte de la mezcla preparada en el carburador (alrededor del 30%) que no está implicada en la combustión. Dicha parte de la mezcla se libera directamente por el tubo de escape y por lo tanto, esta etapa constituye el punto más crítico del ciclo de dos tiempos desde el punto de vista de la contaminación y del consumo.

El diagrama de operaciones de la inyección directa de combustible en el cilindro, por su propia naturaleza, hace muy improbable la liberación del combustible no quemado por cuanto que la inyección suele tener lugar con el tubo de escape casi completamente cerrado. La limpieza realizada con una mezcla característica de los motores de dos tiempos, se sustituye por la limpieza con aire, que proporciona una reducción definida en consumo específico y emisiones de hidrocarburos.

Se conocen actualmente varias soluciones y dispositivos que permiten a los motores de combustión interna utilizar inyección directa de combustible asistida neumáticamente.

El principio de funcionamiento de dichos sistemas está basado en la inyección de una mezcla de aire-petróleo en una cámara de combustión de modo que se obtenga, aun cuando exista una baja presión de combustible, una buena vaporización de la pulverización con la consiguiente mejora en el rendimiento de la combustión.

En un sistema de inyección simple, el aire puede fugarse directamente desde el cárter del cigüeñal del motor, enriquecido por un inyector de petróleo y luego inyectado en la cámara de combustión a través de una válvula accionada por una leva excéntrica. La complejidad mecánica del uso de una leva excéntrica y del correspondiente sistema de lubricación no permite conseguir altos niveles de rendimiento y por este motivo, dicho sistema no puede aplicarse adecuadamente a pequeños desplazamientos y también debido a sus costes elevados.

Una evolución de dicho sistema se obtuvo eliminando la leva impulsora de la válvula de inyección y haciendo dicha válvula completamente automática en términos de la apertura física y el tiempo durante el cual está abierta. En esta solución, la válvula es accionada por la presión generada en el cárter del cigüeñal del motor que, a través de un tubo largo, se apoya sobre la válvula que está situada en la culata del cilindro. El principal inconveniente de dicha longitud es el hecho de que la etapa de inyección sólo puede optimizarse por unas pocas velocidades del motor y por lo tanto, dicho sistema está limitado a los vehículos de transporte por carretera.

También se conocen sistemas que alimentan directamente el motor con una mezcla de petróleo y aire a presión a través de un inyector directo.

Un sistema especialmente interesante prevé un sistema de control para el alimentador de petróleo y para el inyector directo. En una cámara situada corriente arriba del inyector directo de combustible, el aire procedente de un compresor y el combustible son mezclados. La mezcla así obtenida se introduce luego en la cámara de combustión a través de un inyector directo accionado por una unidad de control electrónico.

Este sistema realizado con componentes electrónicos es de alto coste y oneroso desde el punto de vista de consumo de combustible; en consecuencia, su aplicación a pequeños desplazamientos para motocicletas puede resultar problemático.

Otra solución alternativa capaz de superar los inconvenientes anteriormente descritos se proporciona por un compresor, situado directamente en la culata del cilindro para reducir así los espacios no usados, que inyecta una mezcla de aire/petróleo en el motor. El sistema de alimentación del petróleo puede estar constituido por un carburador o un inyector electrónico y una electrobomba de petróleo. La inyección en el cilindro impulsor tiene lugar a través de una válvula automática accionada por la diferencia de presión entre la cámara del compresor y la cámara de combustión.

Sin embargo, esta última solución presenta un alto coste por la parte mecánica que transmite el movimiento desde el eje de transmisión a la parte delantera del compresor.

El objetivo de la presente invención es realizar un motor de combustión interna de dos tiempos que resuelve en general los problemas técnicos anteriormente descritos. En particular, un objetivo de la presente invención es realizar un motor de combustión interna de dos tiempos que tenga en cuenta y supere las restricciones legislativas respecto a las emisiones contaminantes, que se hacen cada vez más restrictivas para los motores de dos tiempos.

Estos objetivos se alcanzan según la presente invención realizando un motor de combustión interna de dos tiempos con inyección directa de combustible asistida neumáticamente según se especifica en la reivindicación 1.

Otras características de la invención se prevén en las reivindicaciones sucesivas.

Las características y ventajas de un motor de combustión interna de dos tiempos, con inyección directa de combustible asistida neumáticamente, según la presente invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la siguiente descripción, proporcionada a título de ejemplo no limitativo, haciendo referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que:

la figura 1 es una sección de una parte de un motor de combustible interna de dos tiempos con inyección directa de combustible asistida neumáticamente según la presente invención,

la figura 2 es una sección en correspondencia con el pistón del compresor,

la figura 3 es una sección transversal ampliada del pistón del compresor en correspondencia con el pasador correspondiente y el tapón lateral en el que están conformados canales embutidos,

la figura 4 es una vista lateral en sección de la parte del motor ilustrada en la figura 1 y relativa a un sistema de alimentación en un cárter y en una culata de cilindro,

la figura 5 es una sección ampliada de una válvula neumática con una aguja flotante y funcionamiento automático, y

las figuras 6a-6f ilustran un diagrama de operaciones del motor relativo a un ciclo completo, a intervalos de 60º.

Con referencia a las figuras, se ilustra un motor de combustible interna de dos tiempos con inyección directa de combustible asistida neumáticamente según la invención, por lo menos en parte, en una de sus vistas de conjunto esquemáticas.

En realidad, se ilustra un cuerpo cilíndrico 11 del motor de combustión interna de dos tiempos anteriormente mencionado, en el que está dispuesto un pistón relativo 12 que se desliza dentro de un cilindro impulsor 13. Un eje de transmisión 14 tiene una primera biela 16 y está soportado sobre rodamientos 15. El eje de transmisión 14, a través de toda su longitud, soporta también, mediante una leva excéntrica 18, una segunda biela 17 con la interposición de un dispositivo de retención de rodillo 19 que acciona un pistón 20 de un compresor alternativo conformado en el cuerpo cilíndrico 11 por debajo de una culata 22. Además, para un montaje correcto de la leva excéntrica 18, está previsto un orificio adecuado 23 en el eje de transmisión 14 en el que se inserta una clavija 24, que sirve como una referencia angular para la puesta en fase del compresor.

Una cámara de compresión o cilindro de compresión 21 contiene el pistón 20 del compresor mientras puede observarse que el volumen de un cárter del compresor 25, que contiene la segunda biela 17, está en comunicación con el volumen del cárter del cigüeñal del motor 26 a través de aberturas adecuadas 27 y a través de uno de los cojinetes de bolas citados 15.

Desde un punto de vista de la estructura general, debe hacerse constar, además, que una válvula automática 28 para la introducción de la mezcla de aire/petróleo y una bujía 29 están situadas en la culata 22. Además, un grupo de láminas 30 (no ilustrado) y un cuerpo de regulador de estrangulamiento 31 para la emisión de aire solo y aceite a través de un orificio 32, en una zona de turbulencia máxima corriente debajo de un regulador de estrangulamiento respectivo 33, directamente extraída por el cárter del cigüeñal del motor 26.

Asimismo, la segunda biela 17, montada en la leva excéntrica 18, con interposición de un dispositivo de retención de rodillos 19, presenta dos arandelas de resalte 34 en sus partes laterales, provistas de aberturas 35 para el paso de aceite para lubricación y teniendo la función de contener la biela y el dispositivo de retención de rodillos.

Además, debe hacerse constar que la base de la segunda biela o biela secundaria 17 tiene un tapón flotante 36 situado en su orificio 47, estando el pistón 20 del compresor alternativo montado sobre dicho tapón 36 gracias a los orificios 46 en el pistón 20.

Como se ilustra en la figura 3, el tapón 36 se mantiene en su asiento en un lado de la cámara o cilindro 21 del compresor y en el otro lado, de una manera parcial, por una pared 37 obtenida directamente en un tapón de cierre 38 con el correspondiente anillo de sellado 39. El tapón de cierre 38 está situado en correspondencia con un orificio 40 conformado en el propio cilindro 21 del compresor. El orificio 40 permite el montaje del tapón 36, desde la que desciende el pistón 20 del compresor. En el propio tapón 38, bloqueado mediante pernos 41, en las partes laterales de la pared 37 para contener el tapón 36, se forma un par de canales embutidos 42 entre el cilindro del compresor 21 y el cárter del cigüeñal del motor 26 y el cárter del compresor 25. De este modo, el tapón 38 tiene las funciones siguientes: cierre del orificio 24, actuar como el orificio de vertido 25, ajustar y contener la cabeza 36 entre la base de la biela 17 y el pistón 20.

Asimismo, puede observarse que en la culata 22 se forma un canal de entrega 43 en el que se abre un electroinyector de combustible 44, que se conecta a la válvula automática 28 a través de un canal circular 45 parcialmente obtenido en la culata y parcialmente formado directamente en el diámetro exterior de la propia válvula 28.

La figura 5 ilustra, en detalle ampliado, la válvula 28 según el grupo de válvula neumática de funcionamiento automático con una aguja flotante.

Un cuerpo de válvula 50, con un vástago modelado y con un extremo fungiforme 50a, está flotando con respecto a un asiento 51, complementario a dicho extremo fungiforme y formado en un elemento anular 52 situado dentro de una caja 53. El movimiento flotante es tal que el flujo de la mezcla de aire-petróleo tiene lugar a través de un espacio de aire 54 formado entre el elemento anular 52, el asiento 51 y el extremo fungiforme 50a del cuerpo de la válvula 50.

La carrera extrema de la válvula 50 está asegurada por un primer anillo 55 que, cuando se monta en el vástago de la propia válvula, se pone en contacto con un segundo anillo 56 que está también montado en el vástago. La precarga está asegurada por un muelle 57 que interacciona entre el elemento anular 52 y el primer anillo 55. El grupo de válvula completo está encerrado en la caja 53 citada que está provista de una rosca 58 y una cabeza hexagonal 59 para roscarse en la culata del motor 22.

Dicho grupo de válvula completo se abre completamente en una cámara de combustión 60 situada en el extremo del cilindro 13.

El funcionamiento del motor relativo a un ciclo completo, a intervalos de 60º, será aquí descrito con referencia a las figuras 6a-f.

Es evidente que, a través de la presente invención, el compresor asociado con el cilindro 13 es directamente activado por el eje de transmisión 14 a través de la biela secundaria 17 y la leva excéntrica 18. El aire que está presente en el cárter de la bomba, que consiste en el cárter del cigüeñal del motor 26 y en el cárter del compresor 25, que están en comunicación entre sí, es comprimido por el pistón del motor 12 y por el pistón del compresor 20, que van simultáneamente, con un cierto desfase, a sus puntos muertos inferiores (figura 6a). La puesta en fase de los pistones 12 y 20 es tal que, aunque el pistón del motor 12 mantiene cerrados los tubos de limpieza del cilindro principal, el pistón del compresor 20 deja al descubierto los canales embutidos 42 formados en el tapón 38 y succiona de nuevo el aire desde el cárter presurizado (figura 6b-c).

Durante la etapa de compresión del aire en el cilindro del compresor 21, tienen lugar las etapas de descarga de limpieza en el cilindro principal 13 (figura 6d-e). En el motor del ciclo de dos tiempos (figura 6e-f), la admisión del aire necesitado por el cárter para la etapa sucesiva se realiza por el grupo de láminas flexibles 30. Es precisamente, en este momento, cuando la aportación hecha por el compresor se aumenta gradualmente, lo que incrementa el efecto de bombeo debido a una mayor variación en volumen en el propio cárter (superlimpieza) con respecto a un motor de dos tiempos tradicional; además, la sobrealimentación durante la etapa de entrega está garantizada por cuanto que tiene lugar principalmente cuando el orificio de escape del cilindro 13 está cerrado.

El combustible líquido es inyectado por el electroinyector 44 en el canal de descarga 43 del compresor (figura 1). La mezcla de aire y combustible se inyecta en la cámara de combustible 60 en los momentos que preceden al final de la etapa de compresión del motor, a través de la válvula automática 28, que se acciona por la diferencia de presión que se genera entre la cámara de combustión y la cámara del compresor. Debe subrayarse que, en este momento, mientras el pistón del motor 12 comprime el aire en el cilindro principal 13, siendo avanzado el pistón del compresor 20, se comprime el aire en su propio cilindro 21 determinando la sobrealimentación durante la etapa de inyección. Ésta es otra ventaja principal a añadir a la que se refiere a la superlimpieza que ha sido anteriormente descrita.

Con el objetivo de optimizar el funcionamiento del compresor a velocidades de rotación determinadas, el uso de una calibración adecuada o la inserción de una tobera en el tubo de descarga 43 está prevista. La forma de la pulverización de la mezcla de aire/combustible en el cilindro 13 es guiada por la válvula automática 28 y es dirigida en contracorriente (figura 4) con respecto al flujo de limpieza; por consiguiente, se reduce el riesgo de fuga de hidrocarburos desde el escape y se hace más fácil la formación de la carga estratificada.

Con respecto a los motores del sistema de dos tiempos, que utilizan la inyección directa de combustible, asistida por aire, que es actualmente conocida, la presente invención está caracterizada por la integración del compresor de aire en el cilindro impulsor formado en su parte lateral entre las paredes embutidas y el plano de la culata y se accionan directamente por el eje de transmisión.

Dicha configuración permite una serie de soluciones ventajosas que se indican a continuación:

a) el cilindro del compresor 21 formado en el cilindro principal 13 permite que se mantenga en un mínimo el volumen de sustancias perjudiciales procedentes del tubo de descarga 43 y también permite que se consiga una carga que es muy similar a la de un cilindro de dos tiempos normal, mientras se mantiene todavía la simplicidad constructiva y un coste limitado;

b) la reducción del número de componentes específicos relativos a soluciones que requieran la transmisión entre el eje de transmisión 14 y el compresor da lugar a una reducción en los gastos de producción y mantenimiento pero, al mismo tiempo, también un incremento en el rendimiento mecánico y en la facilidad de mantenimiento y montaje de las diversas piezas;

c) el compresor, gracias a un mayor efecto de bombeo, contribuye a garantizar una situación de superlimpieza, una supercarga y contribuye, en gran medida, al efecto negativo debido a las áreas perjudiciales añadidas en el cárter para el control del compresor a través de una biela. El compresor extrae la mezcla directamente hacia el cárter del cigüeñal del motor 26 y su llenado está controlado por la apertura del cuerpo del regulador de estrangulamiento 31. Esto permite al sistema funcionar correctamente incluso en condiciones de basculamiento o con gas estrangulado. La combinación de los efectos de superlimpieza y supercarga sobre el funcionamiento del compresor llega al motor a niveles de par impulsor que son mayores que los que se consiguen por los motores tradicionales, haciendo posible obtener el mismo rendimiento a más bajas velocidades de rotación también con ventajas en emisiones sonoras;

d) se obtiene así una mayor libertad de posicionamiento del grupo de válvula neumático 28 y de la bujía 29 en la culata 22, para poder optimizar la formación de la pulverización para la realización de la carga estratificada. Gracias a una configuración de la culata que es simple y que no depende de otros factores, se puede optimizar también la posición del electroinyector 44 y del sensor de la temperatura. Esta estructura permite una accesibilidad simple a todos los componentes alojados en la culata por razones de mantenimiento y sustitución; y

e) los dos engranajes de los cigüeñales que están en el mismo entorno, se lubrican desde un punto único de emisión de aceite 32, transportado por el aire tomado en el cárter del cigüeñal del motor 26 y situado en el tubo del cuerpo del regulador de estrangulamiento. La ventaja está en la uniformidad de la descarga y la precisión de la fuente de alimentación dado que es posible controlar la dosificación del aceite a través de una electrobomba gestionada por la alimentación y la unidad de control del sistema de encendido. Otra ventaja es la lubricación de la válvula automática 28 que de otro modo no sería posible a no ser con soluciones específicas y muy costosas.

En consecuencia, según la presente invención, existen múltiples ventajas a resaltar, comenzando con el rendimiento termodinámico en términos de superlimpieza y supercarga. La centralización de numerosas funciones en unos pocos componentes principales, sin comprometer su resistencia y la complejidad de realización, ha permitido, por lo tanto, la reducción en componentes que son adecuados para accionar el compresor con la consiguiente reducción en la emisión de ruido causada por varias partes móviles (por ejemplo, la correa de transmisión con respecto a sistemas análogos existentes hasta ahora).

Además de lo destacado anteriormente, existe una carga de trabajo que es prácticamente la misma que la de un motor de dos tiempos tradicional, la rápida accesibilidad y el mantenimiento de todos los componentes principales, la posibilidad de optimizar la posición de la bujía y la válvula automática para la realización de la carga estratificada.

La suma de las ventajas descritas hacen a este tipo de motor especialmente adecuado para la producción masiva.

Por lo tanto, puede observarse que se han alcanzado la totalidad de los objetivos de la presente invención señalados anteriormente.

El motor de combustión interna de dos tiempos, con inyección de combustible asistida neumáticamente de la presente invención, así concebido, es susceptible de numerosas modificaciones y variantes, estando todas ellas comprendidas dentro del mismo concepto inventivo.

Además, en la práctica, los materiales utilizados, así como sus dimensiones y los componentes, pueden ser de cualquier tipo de conformidad con los requisitos técnicos.

Claims (8)

1. Motor de combustión interna de dos tiempos con inyección directa de combustible asistida neumáticamente, que comprende un cuerpo cilíndrico (11) en cuyo interior está dispuesto un primer cilindro impulsor (13) que contiene un primer pistón (12) y un segundo cilindro de compresor (21), que contiene un segundo pistón (20), estando dichos pistones (12, 20) conectados mediante unas bielas (16, 17) a un eje de transmisión (14), estando previsto, en una cabeza de dicho cuerpo cilíndrico (11) un canal de alimentación (43), en el cual se abre un electroinyector de combustible (44), que está conectado mediante una válvula automática (28) a una cámara de combustión (60) en el extremo del primer cilindro (13), un cárter del cigüeñal del motor (26) y un cárter del compresor (25) que contiene dichas bielas (16, 17) y que está conectado a través de unas aberturas (27), estando dicho segundo cilindro compresor (21) conectado al cárter del compresor (25) a través de unos canales embutidos (42).

2. Motor de dos tiempos según la reivindicación 1, caracterizado porque dichos canales embutidos (42) están formados en un tapón de cierre (38) dispuesto en un orificio (40) formado en dicho segundo cilindro de compresor (21) y enclavado en el mismo (en 41).

3. Motor de dos tiempos según la reivindicación 2, caracterizado porque en dicho orificio (40) se inserta una clavija (36) en la etapa de montaje para enlazar dicho segundo pistón (20) a dicha segunda biela (17), siendo el segundo pistón del compresor (20) sometido a tracción hasta recibir dicha clavija (36) en uno de sus orificios (46).

4. Motor de dos tiempos según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho tapón de cierre (38) presenta una pared (37) que se apoya entre dichos canales embutidos (42) que sujetan una clavija (36) para enclavar dicho segundo pistón (20) a dicha segunda biela (17).

5. Motor de dos tiempos según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha segunda biela (17) está montada en dicho eje de transmisión (14) a través de una leva excéntrica (18) con la interposición de un cojinete (19), estando además previsto, para un montaje correcto de dicha leva excéntrica (18) en el eje de transmisión (14), un pasador (24) insertado en un orificio adecuado (23) de dicho eje y apretadamente conectado a la leva excéntrica que sirve como referencia.

6. Motor de dos tiempos según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha válvula automática (28) comprende un cuerpo de válvula (50), con un vástago conformado y con extremos fungiformes (50a), dispuesto en flotación con respecto a un asiento (51) formado en un elemento anular (52) colocado dentro de una caja (53), estando previsto un canal circular (45) conectado a dicho canal de entrega (43).

7. Motor de dos tiempos según la reivindicación 6, caracterizado porque dicho canal circular (45) está previsto, en parte en dicha culata del cuerpo cilíndrico (11) y en parte, formado directamente en un diámetro exterior de dicha caja (53).

8. Motor de dos tiempos según la reivindicación 6, caracterizado porque dicha válvula automática (28) prevé una carrera extrema a través de un primer anillo (55), que cuando se monta en dicho vástago (50) se mantiene en contacto con un segundo anillo (56) también insertado en el vástago, estando presente un muelle (57) que interacciona entre dicho elemento anular (52) y dicho primer anillo (55).