ES2223188T3 - Motor de dos tiempos. - Google Patents

Motor de dos tiempos.

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ES2223188T3
ES2223188T3 ES99957231T ES99957231T ES2223188T3 ES 2223188 T3 ES2223188 T3 ES 2223188T3 ES 99957231 T ES99957231 T ES 99957231T ES 99957231 T ES99957231 T ES 99957231T ES 2223188 T3 ES2223188 T3 ES 2223188T3
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Paul Francis Dunn
Robert Matthew Rutherford
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Rotec Design Ltd
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Abstract

Un método para convertir un motor alternativo de cuatro tiempos en un motor de dos tiempos, que incluye: - Proporcionar un desplazamiento positivo recíproco teniendo una cámara de bombeo respectiva para grupos de al menos dos cilindros del motor, teniendo cada cámara de bombeo un barrido de desplazamiento por su pistón de bombeo que es mayor que el barrido del desplazamiento del cilindro de cada cilindro del motor; - Fijar la bomba a un montaje en el motor, adyacente a los cilindros, en los que la salida de la bomba está situada cerca de los conductos de admisión del motor; - Disponer las muñequillas de cada grupo de cilindros a espaciados angulares de 360º divididos entre el número de cilindros del grupo; - Proporcionar unos medios de conducción del aumento para conducir la bomba desde el motor, estando el aumento en el ratio del número de cilindros en cada grupo de cilindros del motor por cámara de bombeo; - Proporcionar unos conductos de alimentación relativamente cortos a traves del distribuidor de transferencia, interconectando la salida desde cada cámara de bombeo a la admisión del del grupo de cilindros a alimentar; y - Programar la conexión entre el motor y la bomba y la operación de las válvulas de admisión y escape del motor, de modo que: o El pistón o cada pistón de la bomba lleva a cabo movimientos alternativos a los de los pistones de potencia alimentados a su respectivo Punto Muerto Superior (PMS); o La válvula de admisión de cada cilindro de potencia a alimentar se abre antes del Punto Muerto Inferior (PMI) y se cierra antes del PMS; y o La válvula de escape del cilindro de potencia alimentado se abre antes del PMI y se cierra antes del PMS.

Description

Motor de dos tiempos.
Esta invención se refiere a motores.
Esta invención tiene una aplicación particular a métodos y aparatos para convertir motores estándar de cuatro tiempos en motores eficientes de dos tiempos. Sin embargo, esta invención no está limitada a la conversión de motores y puede ser aplicada a la producción original de un motor eficiente de dos tiempos.
Hay divulgaciones anteriores de motores de dos tiempos que utilizan cilindros de potencia cargados de una cámara de bombeo para proporcionar incrementos en la eficiencia. Sin embargos es inherente en tales propuestas el alto coste de remecanizado para el diseño de un motor nuevo completo. Además se considera que muchas de estas propuestas anteriores pueden no cumplir los estándares restrictivos de emisiones ahora requeridos para muchos de los motores de combustión interna. Por ejemplo, es muy deseable reducir las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y de partículas que incluyen carbonilla. La eficiencia en términos de tales reducciones de emisiones puede ser más importante que la de la eficiencia del combustible o conseguir aumentos de potencia.
La industria del motor existente es grande, madura, estable y conservadora. Las barreras para la entrada de cambios incluso modestos para el diseño de motores son formidables. Los compradores de motores están comprometidos con los motores y diseños de motor existentes. Ha sido equipada con plantas caras y equipamiento para los motores convencionales y tienen más tendencia a aceptar avances tecnológicos de una naturaleza incremental, opuestos a los cambios radicales.
Esta invención, en un aspecto pretende proporcionar métodos y aparatos para la conversión de motores estándar de cuatro tiempos en motores de dos tiempos que puedan operar de una manera eficiente en términos de emisiones seleccionadas o de todo el escape, eficiencia de combustible y potencia de salida del motor convertido. Esta invención también pretende proporcionar motores que sean útiles y que tengan un reclamo comercial, tanto para los fabricantes como para los usuarios.
Con respecto al objetivo, esta invención reside ampliamente en un aspecto en un método para convertir un motor de pistones alternativos de cuatro tiempos en un motor de dos tiempos, incluyendo:
\bullet
Proporcionar una bomba de desplazamiento positivo recíproco que tiene una cámara de bombeo respectiva para grupos de al menos dos cilindros del motor, teniendo cada cámara de bombeo un barrido de desplazamiento por su pistón de bombeo que es mayor que el barrido de desplazamiento del cilindro de cada cilindro del motor;
\bullet
Asegurar la bomba a un marco de montaje sobre el motor adyacente a los cilindros, donde la salida de la bomba se sitúa muy cerca de las entradas al motor;
\bullet
Disponer las muñequillas del cigüeñal para cada grupo de cilindros a un espaciado angular de 360º dividido entre el número de cilindros del grupo,
\bullet
Proporcionar medios de impulsión de la bomba desde el motor, estando la elevación en el ratio entre el número de cilindros de cada grupo de cilindros del motor por cada cámara de bombeo.
\bullet
Proporcionar unos pasos de alimentación a través de unos conductos múltiples interconectando la salida de cada cámara de bombeo a las admisiones del grupo de cilindros a alimentar, y
\bullet
Programar la conexión entre el motor y la bomba y la operación de las válvulas de entrada y escape del motor, de modo que:
\medcirc
El o cada pistón de bombeo lleva a cabo movimientos alternativos de los pistones de potencia por ellos alimentados a sus respectivas posiciones Punto Muerto Superior (PMS);
\medcirc
La válvula de entrada a cada cilindro de potencia que alimentar se abra antes del Punto Muerto Inferior (PMI); y
\medcirc
La válvula de saluda del cilindro de potencia alimentado se abra antes del PMS y se cierra antes del PMI.
Preferentemente:
\bullet
El o cada pistón de bombeo lleva a cabo movimientos alternativos a los de los pistones de potencia alimentados hacia el Punto Muerto Superior entre 80º a 160º de rotación del cigüeñal;
\bullet
La válvula de alimentación del cilindro de potencia que alimentar se abre en el rango de 50º a 0º antes del PMI;
\bullet
La válvula de alimentación del cilindro de potencia que alimentar se cierra en el rango de 70º a 160º antes del PMS de rotación del cigüeñal;
\bullet
La válvula de salida del cilindro de potencia alimentado se abre en el rango de 110º a 40º antes del PMI, y
\bullet
La válvula de saluda del cilindro de potencia alimentado se cierra en el rango de 100º a 180º antes del PMS de rotación del cigüeñal.
En los rangos arriba indicados, la programación más cercana al PMI sería más adecuada para motores que operan a velocidades de operación relativamente bajas, y particularmente para motores grandes. Los motores de alta velocidad funcionarían mejor en el otro extremo del rango.
Para un motor Diesel de automoción de dos litros convertido u operando conforme a este ciclo y optimizado para operar a una velocidad sincronizada de 1500 RPM para mover un alternador de 240V por ejemplo, la programación típica sería:
\bullet
El pistón de bombeo tiene un avance respecto al PMS del pistón de potencia de 120º;
\bullet
La válvula de entrada del cilindro de potencia que ha de alimentarse se abre a 40º antes del PMI y se cierra 110º antes del PMS;
\bullet
La válvula de salida del cilindro de potencia alimentado se abre a 70º antes del PMI y se cierra a 140º antes del PMS.
Para un motor diesel típico de automoción de dos litros convertido u operando de acuerdo con este ciclo y optimizado para alta velocidad, la programación típica sería:
\bullet
El pistón de bombeo tiene un avance respecto al PMS del pistón de potencia de 135º;
\bullet
La válvula de entrada del cilindro de potencia que ha de alimentarse se abre a 45º antes del PMI y se cierra 115º antes del PMS;
\bullet
La válvula de salida del cilindro de potencia alimentado se abre a 85º antes del PMI y se cierra a 155º antes del PMS.
Los ratios de elevación de dos a uno para el eje secundario respecto al cigüeñal se usan preferentemente para motores de alta velocidad para que la que pueda conseguirse una transferencia efectiva de aire desde la bomba a los cilindros de potencia. Se usan preferentemente ratios de elevación de más de dos a uno de una manera limitada para motores de velocidades media y baja.
De una manera adecuada, el volumen de barrido de la cámara de bombeo es menor de 1,6 veces que cada cilindro de potencia respectivo. Por ejemplo, en aplicaciones que requieran un incremento de potencia modesto, el volumen barrido de la cámara de bombeo puede ser de hasta un 30% mayor que el volumen barrido de cada uno de los respectivos cilindros de potencia. En aplicaciones para grandes incrementos de potencia, el volumen barrido de la cámara de bombeo puede ser hasta un 60% mayor que el volumen barrido de cada cilindro de potencia respectivo.
Preferentemente, para mayores mejoras respecto a las emisiones, el volumen barrido de la cámara de bombeo puede ser un 60% mayor que el volumen barrido por cada uno de los respectivos volúmenes barridos de los cilindros de potencia.
Además, los componentes de la bomba se requieren para operar bajo unas presiones y temperaturas mucho más bajas que los componentes de potencia, y esta invención permite que los componentes sean optimizados teniendo los componentes relativamente robustos del motor convertido realicen trabajo con cada revolución mientras que los componentes menos robustos se utilizan para el bombeo, proporcionando ventajas de este modo en la reducción de energía consumida y reducción asociada de cargas de fricción.
Preferentemente el distribuidor de transferencia o cabezal de la bomba está provisto de una válvula de descarga que puede ser conducida, pero es convenientemente una válvula de láminas o válvula similar sensible a la presión, que previene el retorno de gases desde el distribuidor de transferencia al cilindro de la bomba durante la fase de barrido de admisión del cilindro de potencia. Más preferentemente, la válvula de descarga se sitúa junto a la salida de la cámara de bombeo minimizando el volumen de re-expansión, mejorando así la eficiencia volumétrica de la cámara de bombeo.
La provisión de la válvula de descarga puede atrapar una carga de gas fresco presurizado aguas debajo de la válvula de descarga, de modo que en la apertura inicial de la válvula de entrada y antes del cierre de la válvula de escape, un flujo positivo de gas freso se inyecte desde el distribuidor de entrada para mejorar el barrido de los gases de escape. Esta provisión puede ser también utilizada para inhibir el flujo de retorno de los gases consumidos desde el cilindro de potencia por vía de la puerta de transferencia y distribuidor de transferencia al cilindro de bombeo.
El distribuidor de transferencia desde la bomba al grupo de cilindros puede incluir un único ramal aguas arriba conectado a la bomba y comunicando con una pluralidad de ramales aguas abajo con lo cilindros del grupo. En tal aplicación, una única válvula de descarga, tal como una válvula de láminas, puede ser utilizada en el ramal aguas arriba para comunicación simultánea con todos los ramales aguas abajo.
Sin embargo, se prefiere que la válvula de descarga sea de un tipo que pueda ser controlado para comunicar de una manera secuencial con cada uno de los ramales aguas abajo alternativos. Esto minimizará el volumen efectivo del paso entre la bomba y los respectivos cilindros para una transferencia de gas más eficiente. Preferentemente, la válvula de descarga es un tambor rotativo programado que está dispuesto lo más cerca posible de la corona del pistón de la bomba en el punto muerto superior y que proporciona una comunicación secuencial con los ramales aguas abajo.
Pueden proporcionarse medios deflectores en la zona de entrada, envoltura de válvula o similar para inducir un remolino en el barrido de los gases de escape consumidos.
También se prefiere que se disponga una válvula de láminas u otros medios de válvula en la zona de entrada a la cámara de bombeo o a cada cámara de bombeo para asistir en la mejora de la eficiencia volumétrica de las cámaras de bombeo.
Para proporcionar la programación requerida del cigüeñal/eje secundario del grupo de cilindros alimentado por el cilindro de una bomba debe tener sus muñequillas asociadas a unos espacios angulares de 360º divididos entre el número de cilindros del grupo. De este modo el motor convertido puede requerir modificaciones en el cigüeñal para lograr esta configuración. El eje de levas requerirá una nueva programación. El eje de levas se beneficiará de los perfiles de elevación modificados para seguir la fase más corta de escape/admisión, puede también requerir otras modificaciones del tren de válvulas, tales como el tarado de muelles. Además, la bomba de aceite puede ser modificada para acomodarse a un circuito de aceite mayor, para incluir el eje de la bomba y para mantener la presión con el motor en vacío.
Se prefiere que para con objeto del balance, los respectivos pares de ejes, de los motores convertidos que tengan dos cilindros o cilindros múltiples, sean compensados de una forma equilibrada respecto a los otros. Esto es en un motor de cuatro cilindros convencional que tiene los ejes contenidos en un plano común, los pares de ejes frontales o traseros estén compensados a 90º uno de otro, produciendo un encendido del motor convertido a cada 90º de revolución del cigüeñal.
En otro aspecto, esta invención reside ampliamente en un motor alternativo de dos tiempos que tiene montado en culata válvulas de admisión y salida y una bomba externa para la carga de los cilindros, en la que:
\bullet
La bomba externa es una bomba de desplazamiento positivo alternativo que tiene una respectiva cámara de bombeo para grupos de al menos dos cilindros del motor, teniendo cada cámara de bombeo teniendo un barrido de desplazamiento por su pistón de bombeo que es mayor que el desplazamiento del cilindro de barrido de cada cilindro del motor;
\bullet
La bomba está montada sobre el motor adyacente a los cilindros en los que la salida de la bomba está situada cerca de las admisiones del motor;
\bullet
Las muñequillas para cada grupo de cilindros están dispuestas a espacios angulares de 360º divididos por el número de cilindros del grupo;
\bullet
Los medios de conducción de la elevación se proporcionan para conducir la bomba desde el motor, siendo la elevación en el ratio del número de cilindros en cada grupo de cilindros por cámara de bombeo;
\bullet
Se proporcionan unos conductos de alimentación relativamente cortos a través del distribuidor de transferencia a la admisión del grupo de cilindros que alimentar; y
\bullet
La conexión entre el motor y la bomba y la operación de las válvulas de admisión y escape están programadas de modo que:
\medcirc
El pistón de la bomba o de cada bomba tiene movimientos alternativos de los pistones de potencia alimentados, a sus posiciones de Punto Muerto Superior (PMS);
\medcirc
La válvula de entrada de cada cilindro de potencia a alimentar se abre antes del Punto Muerto Inferior (PMI) y se cierra antes de PMS; y
\medcirc
La válvula de entrada del cilindro de potencia alimentado se abre antes del PMI y se cierra antes del PMS.
En un motor con cuatro o más cilindros, para evitar el pulso de escape o fase de un cilindro que interfiere con la fase de barrido de otro cilindro, se proporciona un distribuidor separado de escape o un distribuidor de un tipo que evite la interferencia de la fase de escape con la fase de barrido. En el caso de un motor turboalimentado se proporcionan entradas separadas para la turbina, o se proporciona un tambor divisor en la alimentación de la turbina. Alternativamente pueden utilizarse turbinas separadas.
Para hacer que esta invención pueda ser más fácilmente entendida y puesta en práctica, se hará referencia a los dibujos acompañados que ilustran una realización típica de la presente invención, y en los que:
- La Fig. 1 es una vista lateral esquemática de un motor convencional multi-cilindros de cuatro tiempos adaptado para operar como un motor de dos tiempos por el aparato de la presente invención;
- La Fig. 2 ilustra las fases del ciclo de operación;
- Las Figs. 3 y 4 ilustran disposiciones típicas para la deflexión del puerto y envoltura de válvula, y
- La Fig. 5 es un diagrama de presión respecto al tiempo para el distribuidor de transferencia.
Con referencia inicialmente a la Fig. 1, se verá que un motor 10 típico multi-cilindros tiene pistones 11 dispuestos recíprocamente con los cilindros 12 a y desde un conjunto de culata 13 que soporta unas válvulas de movimiento vertical 18 para el control del fluido a y desde los respectivos cilindros 12.
Los pistones 11 son conducidos por un cigüeñal 14 y se conectan a el por medio de bielas 15. Unos ejes de leva sobre la culata 16 y 17 se conducen desde el cigüeñal en una relación programada correspondiente en la que las válvulas de movimiento vertical controlan el proceso de cuatro tiempos.
De acuerdo con la presente invención, tales motores multi-cilindros de cuatro tiempos son fácilmente modificados para su operación como un motor de dos tiempos proporcionando un montaje, y adecuadamente en la forma de una placa de adaptación 20 en una pared lateral del bloque motor 21 que se proporciona con aperturas roscadas para soportar una bomba alternativa 22 atornillada.
La bomba 22 tiene un cigüeñal 23 conducido por el cigüeñal del motor 14, a dos veces la velocidad de rotación correspondiente, en donde el pistón 25 de la bomba atornillada alterna a dos veces la velocidad del ciclo de los pistones 11 del motor 10. La bomba atornillada 22 proporciona un pistón 25 y una cámara de bombeo 26 para cada dos cilindros 12 del motor 10 en los que alternan los pistones 11.
La bomba atornillada 22 se monta con sus culatas 30 tan cerca como sea posible en las tomas de admisión a través de las cuales el aire de entrada distribuido conecta normalmente, por lo que pueden ser dispuestos unos pasos de transferencia 32 relativamente cortos entre el puerto de salida 33 de una respectiva cámara de bombeo a un par de conductos de admisión, una de las cuales se muestra como 34 en el motor 10.
Se proporciona un conducto de admisión 35 a la bomba atornillada 22 y válvulas antirretorno, convenientemente unas válvulas de láminas 36 y 37 se disponen en el conducto de transferencia 32. El flujo a través del conducto de transferencia se controla también por la válvula de admisión vertical 18i y se verá que las válvulas vertical 18i y las válvulas de láminas 37 se disponen cerca de los extremos del conducto de transferencia 32. Una válvula adicional 18e es proporcionada para cada puerto de escape 38 del respectivo cilindro 12 de manera convencional, siendo la programación de las válvulas, sin embargo, modificada para una operación de dos tiempos.
La válvula de admisión 18i o puerto 34 puede requerir una envoltura según se muestra en las Figs. 3 y 4 para dirigir el aire entrante para que cause un barrido más eficiente y reduzca el cortocircuito y el sistema de refrigeración pueda necesitar una mayor tasa de evacuación de calor, incluyendo una bomba de mayor flujo de agua y un mayor radiador. Si se desea, el puerto de admisión original de cuatro tiempos puede necesitar convertirse en puerto de escape y viceversa.
La sección y la carrera de la bomba atornillada proporciona un volumen barrido para cada cámara de bombeo que es mayor que el volumen barrido por cada cilindro de potencia 12 y para aplicaciones de gran potencia el volumen de barrido de cada cámara de bombeo puede ser 1,6 veces el volumen de cada cilindro de potencia 12.
La cámara de bombeo está programada con relación a los cilindros de potencia, por lo que el respectivo pistón de bombeo 25 alcanza su posición de punto muerto superior antes que el pistón 11 en el cilindro de potencia 12, en el que la carga está siendo inducida. En la realización ilustrada, el pistón de bombeo 25 alcanza su posición de punto muerto superior mientras que el pistón de potencia 11 se dispone a aproximadamente 120º antes de su posición de punto muerto superior en el respectivo cilindro 12. La realización ilustrada es un motor Diesel que tiene inyectores (no representados) que inyectan el combustible directamente a la cámara de combustión.
En el uso, la bomba atornillada 22 está provista con una válvula de laminillas 36 de un solo sentido en su conducto de admisión 35 de modo que durante el movimiento de descenso del pistón 25 y continuando hasta más allá del punto muerto inferior, el aire se induce en la respectiva cámara de bombeo 26 sobre el pistón 25 y entonces se descarga a través de la válvula de un sentido en la forma de una válvula de laminillas 37 situada a la entrada del conducto de transferencia 32. Una válvula rotativa o una válvula de husillo podrían ser utilizadas en lugar de una válvula de laminillas si se desea.
La válvula de entrada 18i se abre a su respectivo cilindro de potencia 12 en aproximadamente 40º antes del punto muerto inferior de la bomba 22 y se cierra durante el ascenso del pistón 11 de modo que la compresión ocurre durante el movimiento hacia el punto muerto superior cuando el fuel es inyectado y ocurre la combustión para proporcionar un movimiento de potencia en cuanto que el pistón 11 se desplaza hacia abajo del cilindro 12 hacia su posición de punto muerto inferior.
La válvula de escape 18e se abre entonces y los gases de escape se descargan a través de ella mientras el pistón continúa más allá del punto muerto inferior y parte del siguiente movimiento de compresión. Antes del cierre de la válvula de escape 18e, la válvula de admisión 18i se abre y el aire es atrapado entre la válvula de admisión y la válvula de laminillas 37 en el conducto de transferencia 32 y que está a mayor presión que los gases de escape residuales en el tiempo de su apertura, por lo que el aire atrapado es forzado a entrar en el cilindro 12 asistiendo al barrido de los gases de escape.
Este efecto está ilustrado en la gráfica de la Fig. 5 en el que puede verse que subsecuentemente a la elevación de presión de la bomba 22 la válvula de laminillas 37 se cierra y atrapa el aire presurizado en el distribuidor de transferencia 32 mostrado por el área rayada.
La válvula de admisión 18i permanece abierta por lo que la nueva carga inducida en la bomba 22 es forzada hacia la cámara de combustión para su compresión y repite el proceso arriba descrito.
En la realización ilustrada en la Fig. 1, la programación ilustrada en la Fig. 2 es tal que el pistón de bombeo 25 alcanza su punto muerto superior cuando el pistón de potencia respectivo 11 está a 120º antes del punto muerto superior en el cilindro 12. La válvula de entrada 18i está adaptada para abrirse a 40º antes del punto muerto inferior del pistón 11 y cerrarse a 110º antes del punto muerto superior. La válvula de escape 18e está adaptada para abrirse a 70º antes del punto muerto inferior del pistón 11 y cerrarse a 140º antes del punto muerto superior del pistón 11. El combustible Diesel se inyecta a 16º.
Además, la bomba atornillada tiene una capacidad de barrido que es 1.4 veces la capacidad de barrido de los cilindros 12 del motor 10.
Puede esperarse que este motor opere eficientemente como un motor de dos tiempos produciendo hasta 1,7 veces la potencia del motor original de dos tiempos.
Preferentemente, para un motor de cuatro cilindros, la bomba atornillada es una bomba de dos cilindros que tiene pistones desfasados 180º uno con el otro, y el cigüeñal del motor convencional está modificado mediante la disposición de los ejes de cada grupo de dos cilindros adyacentes a 180º de desplazamiento uno respecto al otro y siendo los dos grupos de ejes desplazados 90º uno de otro para proporcionar un orden de encendido de 1234.
Con la conversión de un motor convencional de cuatro cilindros en un motor de dos cilindros de acuerdo con esta invención el par original y la potencia de salida por unidad de volumen de barrido del motor se verá significativamente incrementada. Se considera que pueden lograrse incrementos del par y la potencia de salida en hasta un 100% para un motor de cuatro tiempos convertido.
Además, los ratos potencia/peso y potencia/volumen también son mejorados y conseguidos con una penalización de peso del 5 al 10% del peso base del motor, y siendo principalmente el peso adicional el de la bomba que realiza solamente una función de bombeo y no está sujeto a fuerzas de combustión puede ser de una construcción relativamente ligera.
Así, se espera que en un motor de cuatro tiempos convertido puedan conseguirse incrementos del 70% con un motor convertido que sea un 30% más ligero y un 25% más pequeño en el volumen general que un motor de combustión alternativo de cuatro tiempos.
Por cuanto cada cilindro del motor convertido tiene encendidos dos veces más a menudo que el del original, la tasa de combustible por combustión puede ser reducida, o el ratio aire/combustible se reduce. Esto tendría el efecto de disminución de la temperatura pico del ciclo y el tiempo de permanencia a altas temperaturas. Esto disminuye la producción de NOx y la mayor disponibilidad de oxígeno reduce la producción de partículas y humo.
Adicionalmente, los altos niveles de turbulencia pequeña y microscópica estarán presentes antes y durante la combustión para asistir en una combustión eficiente. Esto resultará de la alta tasa de masa de flujo del aire barrido que pasa por la válvula de admisión porque la mayor parte de la carga de aire es transferida en menos del 90º de rotación del cigüeñal y a causa de su admisión tardía en el ciclo que resulta de que la mayor parte del aire es transferida tras el punto muerto inferior del pistón de potencia.
A este respecto, en un motor de cuatro tiempos la turbulencia pequeña y microscópica generada durante la inducción decae en su mayor parte en el momento que se inicia la combustión. In un motor convertido conforme a la presente invención, se considera que la turbulencia será más intensa que lo usual y creada más tarde en el ciclo del motor que la usualmente resultante en la turbulencia sustancial existente en la iniciación de la combustión.
Este efecto manifestaría por sí mismo una reducción significativa del requerimiento de avance de chispa o inyección de Diesel.
Se considera que el avance respecto al punto muerto superior e inferior requeridos para el mejor par tanto en motores de gasolina como Diesel puede ser reducido desde sobre 30º a 12º, inyección desde unos 30º a 16º respectivamente. In el Diesel, esto puede reducir de una manera significativa la fase de premezcla de la combustión y una consecuente reducción en la tasa de elevación de presión y así un reducción en la producción de NOx y ruido.
También se considera que debido a que el aire de barrido se libera en un pulso rápido como el pistón de la bomba trabaja a un ciclo doble que el de los pistones del motor, los incrementos en la velocidad media del barrido de aire incrementarán la eficiencia del barrido. En cuanto que el aire de barrido se suministra relativamente tarde en el ciclo, el circuito corto recto de carga fresca al escape será minimizado. Así puede ocurrir un barrido eficiente.
Un motor convertido conforme a esta invención generalmente funcionará a menores presiones de cilindro, pero el doble de veces en todos los eventos de combustión, y los picos individuales de presión serán menores y los pulsos de par individuales en las bielas y en el cigüeñal serán menores y más numerosos, reduciendo la fluctuación del par. Así, los componentes tales como el cigüeñal y cojinetes, bielas, juntas de culata y segmentos que son designados para resistir las cargas normales de cuatro tiempos tendrán una esperanza de vida igual o superior.
Se verá que esta invención proporciona un sistema atornillado para modificar motores que los fabricantes han establecido para fabricación y que potencialmente proporcionan beneficios técnicos sustanciales mientras que minimiza el impacto sobre las tecnologías e instalaciones de producción existentes, formación del personal y esfuerzos en I+D requeridos para la producción. La conversión es convenientemente asumida por los fabricantes de motores o al menos parcialmente durante la fabricación básica. Sin embargo, puede por supuesto ser llevada a cabo por otros.
La conversión utiliza unos costes relativamente pequeños, componentes de pistones alternativos bien probados y es capaz de ser atornillado a los motores de 4 tiempos en producción con un mínimo de cambios en los componentes y cambios de equipamiento. Así, si un fabricante desea introducir en el mercado una potencia mayor o asistir en el cumplimiento de las regulaciones de emisiones, el fabricante puede proporcionar una versión convertida de su motor existente de acuerdo con esta invención para ese nuevo mercado.
El fabricante puede utilizar el conocimiento en I+D existente y necesita realizar solo modestas alteraciones a sus instalaciones de producción. En la mayor parte de los casos las instalaciones de producción tienen suficiente capacidad y flexibilidad para producir tanto los motores existentes como los convertidos según la presente invención, por lo que el punto de ruptura de producción de salida para ambos motores será grandemente reducida. La formación del personal será minimizada junto con los problemas de suministro del proveedor.
En adición al suministro de la bomba y distribuidor de transferencia, el fabricante requerirá adaptarse al montaje y conducción de la bomba. La conducción puede ser desde el cigüeñal a la parte anterior o posterior del motor, o desde cualquier punto a lo largo del cigüeñal del motor. Los medios de conducción pueden ser de cualquier tipo, requiriendo solamente que la conexión sea adecuadamente programada en operación. Si se desea, la conexión de conducción entre el cigüeñal y el eje secundario puede ser de un tipo en el que las fases sean ajustables en el uso para adecuarse a las condiciones de operación particulares. Por ejemplo, a una alta carga y elevadas RPM la fase del eje secundario puede ser avanzada en relación con el cigüeñal, de modo que la eficiencia en el barrido pueda ser optimizada.
El distribuidor de escape puede ser modificado para contener divisores o tambores para separar los pulsos de escape de los cilindros individuales, aunque los cilindros fuera de fase pueden compartir un volumen de distribuidor de escape común.
Los puertos de escape pueden requerir una refrigeración adicional. Si no tienen suficiente capacidad evacuación de calor pueden ser aislados por medio de recubrimientos cerámicos.
Convenientemente, el área del motor para la adaptación de la bomba debería contener provisión para atornillar o fijar la bomba a ella, tales como corchetes, orificios roscados o fijaciones similares. Preferentemente el área es una superficie revestida o cara para atornillar, y se proporcionan puertos sellables a través de los cuales es posible una conducción interna. El área de montaje puede contener también suministro de aceite y medios de retorno, y suministro de agua de refrigeración y medios de retorno.
La provisión de un cilindro de bomba único que alimenta a dos cilindros de potencia tiene la ventaja de que el pistón de bombeo está trabajando al doble del ciclo de los pistones de potencia. Esto incrementa la velocidad media de la carga fresca que se introduce en el cilindro de potencia que se suministra tarde en el ciclo de escape, minimizando así la pérdida de carga fresca por el circuito directo corto a la válvula de escape abierta.
El incremento en la velocidad del flujo puede también tener el beneficio de incrementar la turbulencia de la carga entrante y en la iniciación de la combustión. Se considera además que esto permitirá que las velocidades en vacío estables sean sustancialmente reducidas proporcionando economías adicionales.
Será, por supuesto, comprendido que lo indicado se ha dado solo por vía de un ejemplo ilustrativo de esta invención, y que todo ello y otras modificaciones y variaciones que puedan resultar evidentes a personas expertas en la materia se considera que están dentro del ámbito de esta invención según se define en las reivindicaciones anexas.

Claims (16)

1. Un método para convertir un motor alternativo de cuatro tiempos en un motor de dos tiempos, que incluye:
\bullet
Proporcionar un desplazamiento positivo recíproco teniendo una cámara de bombeo respectiva para grupos de al menos dos cilindros del motor, teniendo cada cámara de bombeo un barrido de desplazamiento por su pistón de bombeo que es mayor que el barrido del desplazamiento del cilindro de cada cilindro del motor;
\bullet
Fijar la bomba a un montaje en el motor, adyacente a los cilindros, en los que la salida de la bomba está situada cerca de los conductos de admisión del motor;
\bullet
Disponer las muñequillas de cada grupo de cilindros a espaciados angulares de 360º divididos entre el número de cilindros del grupo;
\bullet
Proporcionar unos medios de conducción del aumento para conducir la bomba desde el motor, estando el aumento en el ratio del número de cilindros en cada grupo de cilindros del motor por cámara de bombeo;
\bullet
Proporcionar unos conductos de alimentación relativamente cortos a traves del distribuidor de transferencia, interconectando la salida desde cada cámara de bombeo a la admisión del del grupo de cilindros a alimentar; y
\bullet
Programar la conexión entre el motor y la bomba y la operación de las válvulas de admisión y escape del motor, de modo que:
\medcirc
El pistón o cada pistón de la bomba lleva a cabo movimientos alternativos a los de los pistones de potencia alimentados a su respectivo Punto Muerto Superior (PMS);
\medcirc
La válvula de admisión de cada cilindro de potencia a alimentar se abre antes del Punto Muerto Inferior (PMI) y se cierra antes del PMS; y
\medcirc
La válvula de escape del cilindro de potencia alimentado se abre antes del PMI y se cierra antes del PMS.
2. Un método, según la reivindicación 1, en el que:
\bullet
El o cada pistón de bombeo lleva a cabo movimientos alternativos a los de los pistones de potencia alimentados en el Punto Muerto Superior (PMS) en 80º a 160º de rotación del cigüeñal;
\bullet
La válvula de admisión de cada cilindro de potencia se abre en el rango de 50º a 0º antes del PMI;
\bullet
La válvula de admisión de cada cilindro de potencia se cierra en el rango de 70º a 160º antes del PMS;
\bullet
La válvula de escape de cada cilindro de potencia se abre en el rango de 110º a 40º antes del PMI; y
\bullet
La válvula de escape de cada cilindro de potencia se cierra en el rango de 100º a 180º antes del PMS.
3. Un método, según la reivindicación 2, para un motor que opera a velocidades relativamente bajas y opera la parte del rango reivindicado próximo al PMI.
4. Un método, según la reivindicación 2, para un motor que opera a velocidades relativamente altas y opera en la parte del rango reivindicado alejada del PMI.
5. Un método, según la reivindicación 4 en el que el ratio de elevación es de dos a uno.
6. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el volumen barrido de la cámara de bombeo es menor que 1,6 veces cada cilindro del motor.
7. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el volumen barrido de la cámara de bombeo está en el rango de 1,3 a 1,6 veces cada cilindro del motor.
8. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el distribuidor de transferencia o cabezal de bomba está provisto de una válvula de descarga que impide el retorno de gases desde el distribuidor de transferencia a la cámara de la bomba durante la fase de barrido de introducción al cilindro de potencia.
9. Un método, según la reivindicación 8, en el que la válvula de descarga está situada muy cerca de la salida de la cámara de bombeo.
10. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el distribuidor de transferencia incluye un ramal único aguas arriba conectado a una cámara de bombeo y una pluralidad de ramales aguas abajo que comunican con los cilindros de un grupo.
11. Un método, según la reivindicación 10, que incluye una válvula de descarga en el ramal aguas arriba.
12. Un método, según la reivindicación 11, en el que la válvula de descarga está controlada para comunicarse secuencialmente con los ramales aguas abajo.
13. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye medios de deflexión en el conducto de entrada para inducir un barrido tipo remolino de los gases de escape consumidos.
14. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que proporciona unos medios de envoltura de válvula en el conducto de admisión de cada cilindro para inducir un barrido tipo remolino de los gases de escape consumidos.
15. Un método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que incluye válvulas en el conducto de entrada de cada cámara de bombeo.
16. Un motor alternativo de dos tiempos que tiene montadas en culata válvulas de admisión y de escape y una bomba externa para la carga de los cilindros, caracterizado porque:
\bullet
La bomba externa es una bomba alternativa de desplazamiento positivo que tiene una respectiva cámara de bombeo para grupos de al menos dos cilindros del motor, teniendo cada cámara de bombeo un barrido de desplazamiento por su pistón de bombeo que es mayor que el desplazamiento del cilindro de barrido de cada cilindro del motor;
\bullet
La bomba está fijada a un marco de montaje adyacente a los cilindros, en los que la salida de la bomba está situada cerca de la admisión del motor;
\bullet
Las muñequillas de cigüeñal del motor están dispuestas a espaciados angulares de 360º divididos por el número de cilindros del grupo;
\bullet
Las muñequillas de cada grupo de cilindros están dispuestas a un espaciado angular de 360º dividido por el número de cilindros del grupo;
\bullet
Se proporcionan medios de conducción de la elevación para la impulsión de la bomba desde el motor, siendo la elevación en el ratio del número de cilindros en cada grupo por cámara de bombeo;
\bullet
Se proporcionan conductos de alimentación relativamente cortos a través del distribuidor de transferencia que interconectan la salida de cada cámara de bombeo con la alimentación de los cilindros a ser alimentados; y
\bullet
La conexión entre el motor y la bomba y la operación de las válvulas de alimentación y escape están programadas de modo que:
\medcirc
El pistón o cada pistón de bombeo lleva a cabo movimientos alternativos de los pistones de potencia por ellos alimentados a sus respectivas posiciones Punto Muerto Superior (PMS);
\medcirc
La válvula de admisión de cada cilindro de potencia a alimentar se abre antes del Punto Muerto Inferior (PMI) y se cierra antes del PMS; y
\medcirc
La válvula de escape del cilindro de potencia alimentado se abre antes del PMI y se cierra antes del PMS.
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