ES2271238T3 - Motor de combustion. - Google Patents

Abstract

Motor de combustión que comprende al menos una cámara de combustión (40), que está delimitada en un extremo por una culata (41) y delimitada en un segundo extremo por un pistón (1), estando dispuesto el pistón sobre una biela (3) mediante un perno de pistón (2), una carcasa (1; 8; 52) con una superficie de delimitación (8A) que puede moverse respecto al perno de pistón (2) y que facilita un volumen variable en dicha cámara de combustión (40), un resorte de compresión (10), actuando dicho resorte (10) sobre dicha superficie (8A) con una fuerza de resorte en la dirección de la cámara de combustión (40), una cámara de presión (11) que puede suministrarse con aceite hidráulico desde una fuente de presión mediante un tubo de suministro (12, 13), estando dispuesta dicha cámara de presión (11) mediante el aceite hidráulico para poder provocar el movimiento de dicha superficie de delimitación móvil (8A) con el objetivo de poder ajustar el tamaño de la cámara de combustión dependiendo de la presiónde combustión, caracterizado porque dicha cámara de presión (11) comunica con un tubo de admisión (13) que facilita siempre el rellenado del aceite hidráulico desde la fuente de presión a la cámara de presión (11) cuando la presión (P2) en la cámara de presión (11) cae por debajo de la presión (P1) en el tubo de admisión (13) y porque dicha cámara de presión (11) está provista con una salida (14) que comunica con al menos un dispositivo de restricción (14A) que facilita continuamente un flujo de aceite hidráulico fuera de la cámara de presión (11) si la presión (P2) en la cámara (11) sobrepasa la presión (P3) en dicha salida (14), de manera que durante el funcionamiento se consigue amortiguar el movimiento de dicho armazón con dicha superficie de limitación (8A).

Description

Motor de combustión.

Ámbito de la invención

La presente invención se refiere a un motor de combustión que comprende al menos una cámara de combustión, que está delimitada en el extremo por una culata y delimitada en un segundo extremo por un pistón, estando dispuesto el pistón mediante un perno de pistón sobre una biela, un armazón con una superficie de delimitación que puede moverse respecto al perno de pistón y que facilita un volumen variable en dicha cámara de combustión, un resorte de compresión, actuando dicho resorte sobre dicha superficie con una fuerza de resorte en la dirección de la cámara de combustión, una cámara de presión que puede suministrarse mediante un tubo de suministro con un aceite hidráulico desde una fuente a presión, pretendiendo dicha cámara a presión mediante el aceite hidráulico poder influir en el movimiento de dicha superficie de delimitación móvil con el objetivo de poder ajustar el tamaño de la cámara de combustión dependiendo de la presión de combustión. Los motores en los que pretende usarse la invención son, en particular, motores de automóvil de diferentes tipos tales como motores diesel y motores de gasolina y quizás fundamentalmente motores del tipo en el que ocurre supercarga.

Técnica antecedente y problemas

Los motores de combustión para coches se conocen bien. Aparecen en diversas versiones aunque los motores de cuatro de tiempos de diversos tipos son los predominantes. Lo que es común en todos los motores es que comprenden uno o más cilindros en los que un pistón puede moverse hacia arriba y hacia abajo y dirigir un cigüeñal al que están conectados dependiendo de la presión en la cámara de combustión, cambiando dicha presión entre un vacío y una presión momentánea muy alta. Los pistones normalmente están provistos con un perno de pistón transversal, alrededor del cual la biela se soporta de manera rotatoria, estando soportada dicha biela en su otro extremo alrededor del cigüeñal y accionándolo. En la cámara del cilindro hay aceite lubricante, que se bombea a aproximadamente una presión de 4-5 bar y lubrica todas las superficies que se deslizan unas contra otras.

Un motor de combustión desarrolla su energía accionadora en que una mezcla combustible-aire se aspira o se introduce por presión dentro de una cámara de combustible por encima del pistón, una bujía enciende la mezcla combustible-aire que se quema rápidamente y produce una alta presión que presiona el pistón hacia abajo, cuyo movimiento hacia abajo se convierte en un movimiento rotatorio en el cigüeñal. La energía que sale del motor depende en un alto grado de la composición de la mezcla combustible-aire y de la presión en su interior antes de la ignición. Cuando la mezcla combustible-aire se comprime por el movimiento hacia arriba del pistón, la temperatura en su interior aumenta y hay riesgo de que la mezcla se encienda antes de que aparezca la bujía y se produzca por lo tanto un proceso de combustión no deseando. Este encendido prematuro se denomina golpeteo y puede escucharse fácilmente fuera del motor. Este problema es particularmente grande en motores turbocargados en los que la mezcla combustible-aire se fuerza hacia dentro en lugar de aspirarla. Para evitar el golpeteo etc. cuando se suministra la mezcla combustible-aire, es necesario empezar desde una relación de compresión extremadamente baja. Cuando se conduce un coche turbocargado con una baja carga, por ejemplo, en las carreteras principales normales, habrá un vacío en el colector de admisión. El vacío y el hecho de que haya una baja relación de compresión en el motor desde el principio significa que no se obtienen una combustión óptima y el ahorro que realmente puede proporcionar el combustible.

Lo ideal sería tener una presión de compresión próxima al límite de golpeteo a todas las velocidades y cargas del motor. La combustión óptima podría obtenerse por lo tanto en todas las condiciones; una relación de compresión alta con una potencia de salida baja y una relación baja que permita el turbocargado con alta potencia de salida. Esto puede conseguirse con una cámara de compresión variable. Se sabe previamente a partir del documento DE 3714762 cómo usar un ajuste hidráulico para cambiar/optimizar la relación de compresión durante el funcionamiento de dicha manera. La reivindicación 1 se delimita respecto a esta técnica inmediatamente conocida. El documento DE 3714762, sin embargo, utiliza un ajuste hidráulico rígido, es decir, un ajuste que no ofrece la posibilidad de ajuste momentáneo automático de la relación de compresión durante el funcionamiento. Se sabe previamente a partir del documento US 4.286.552 cómo usar un dispositivo que facilite el ajuste momentáneo, que se consigue mediante un resorte que actúa en la posición de una superficie de delimitación móvil del pistón dependiendo de la contrapresión dentro de la cámara de combustión. Una solución de acuerdo con el documento US 4.286.552 da como resultado una gran desventaja, sin embargo, ya que en ciertas condiciones de operación puede tener lugar una vibración desfavorable, que puede conducir a la destrucción total en el peor de los casos. Por lo tanto dicha solución es muy difícil si no imposible de llevar a la
práctica.

Solución

De acuerdo con la presente invención, los problemas mencionados anteriormente se han resuelto o al menos se han minimizado haciendo que dicha cámara de presión comunique con un tubo de admisión que facilita siempre el rellenado de aceite hidráulico desde dicha fuente de presión a la cámara de presión cuando la presión en la cámara de presión cae por debajo de la presión en el tubo de suministro, y proporcionando a dicho canal de presión con una salida que comunica con al menos un dispositivo de restricción que facilita continuamente un flujo de aceite hidráulico fuera de la cámara de presión cuando la presión en la cámara de presión es mayor que la presión en dicha salida, de manera que se obtiene la amortiguación del movimiento de dicho armazón con dicha superficie de delimitación durante el funcionamiento.

Descripción de los dibujos

La invención se describirá a continuación con mayor detalle con referencia a los dibujos adjuntos, en los que

La Figura 1 muestra una primera realización de la invención en sección axial,

La Figura 1A muestra una sección transversal axial de una realización preferida,

La Figura 1B muestra una sección transversal radial a lo largo de R-R en la Figura 1A,

La Figura 2, también en sección axial, muestra otra realización de la presente invención, y

La Figura 3, también en sección axial, muestra una tercera realización de la presente invención.

Descripción detallada de la invención

La Figura 1 muestra un pistón 1 en un motor de combustión en el que un perno de pistón 2 se inserta en la parte inferior del pistón, ajustándose alrededor de este perno una biela 3. Estos elementos se conocen por sí mismos y no se describen con gran detalle. La biela 3 tiene un tubo continuo 4 a través del cual el aceite a presión fluye hacia la cavidad 5 en el perno de pistón 2. La fuente de presión para el aceite es el baño de aceite lubricante del motor, que normalmente está a una presión de 4-5 bar durante el funcionamiento. Por lo tanto, se incluye un orificio 6 en el perno de pistón 2 de manera que el aceite puede fluir hacia el perno de pistón 2. Fuera del pistón 1, por su extremo superior, se proporcionan ranuras 7 para recibir los anillos del pistón.

Se ha hecho un hueco en el pistón 1 desde su lado superior y dispuesto de acuerdo con la presente invención hay un armazón/pistón de ajuste 8. Este pistón de ajuste 8 está sellado en la parte inferior mediante las juntas inferiores 9A que los cierran en el fondo contra el interior cilíndrico de dicho hueco. En la parte superior, el pistón de ajuste 8 está provisto con una junta adicional 9B que lo cierra contra el interior de una pieza con forma de manguito 70 que se fija en la parte superior dentro de dicho hueco. El pistón de ajuste 8 está provisto con un hueco en su lado inferior dentro del cual se ha insertado un resorte helicoidal 10. El resorte 10 descansa contra la parte inferior de este hueco y la parte inferior del hueco en el pistón 1. Este resorte helicoidal 10 se esfuerza para mover el pistón de ajuste 8 a su posición superior y la fuerza de resorte en este resorte helicoidal 10 debe superar la presión de combustión para ajustar el pistón 8 para que pueda presionarse hacia abajo. Dispuesta en el extremo inferior del pistón de ajuste hay una brida 8B que soporta las juntas 9. Se forma un espacio hueco anular entre la brida 8B del pistón de ajuste y el cuerpo con forma de manguito 70, formando dicho espacio un tipo de cámara de presión. Este espacio/cámara de presión 11 pretende contener aceite para amortiguar los movimientos del pistón de ajuste 8 hacia arriba y hacia abajo. Este aceite se suministra a la cámara de presión 11 desde el espacio 5 en el perno de pistón 2 mediante un tubo 12 y una válvula de retención 13B. Para la salida de aceite desde el espacio 11 (cuando una cierta presión se sobrepasa dentro del espacio 11) hay una salida 14 que comprende un dispositivo de retención 14A y una válvula de retención 14B. Cuando el aceite deja la salida 14, fluye fuera hacia fuera del pistón 1. Cuando hay presión de aceite en el motor, el espacio 11 se llenará con aceite.

La Figura 1A muestra el mismo tipo de solución en principio que la Figura 1, pero con ciertas diferencias de diseño. En primer lugar, el diseño de acuerdo con la Figura 1A sólo tiene una válvula de retención 13B. Es totalmente adecuado tener una válvula de retención únicamente en la parte de entrada, es decir antes de la cámara de presión 11. Otra diferencia es que el propio tubo de admisión 12 de acuerdo con esta realización forma también un dispositivo de restricción 13A en la tubería de suministro. Además, el pistón de ajuste 8 está provisto con una parte de brida tanto en la parte inferior 8B como en la parte superior 8C. El cuerpo con forma de manguito 70 se adapta a este diseño extendiéndose toda la trayectoria hacia abajo a través de los huecos en el pistón 1 y tiene en una sección media una pieza 70A de tipo brida dirigida hacia dentro. El espacio de presión 11 se forma por lo tanto entre esta pieza 70A con forma de brida y la brida superior 8C del pistón de ajuste. Localizados en la pieza 70A con forma brida están los tubos conexión 14C que conectan la cámara de presión 11 a una cámara externa 14D, que comunica directamente con la salida 14A. La salida 14A está provista también con un tubo que contiene el dispositivo de restricción. Un tubo 60 entre las juntas 9B y el interior del pistón hace posible volver a drenar el excedente de aceite. La Figura 1B muestra en una perspectiva desde arriba un cuerpo con forma de manguito 70 de acuerdo con la ejecución usada en la Figura 1A. Resulta evidente que el cuerpo 70 está provisto con una pluralidad de tubos verticales 14C que permiten la comunicación entre la cámara de presión 11 y la cámara de salida 14D.

La Figura 2 muestra una realización adicional de la presente invención en la que los mismos símbolos de referencia que aparecen en la Figura 1 y Figura 1A se aplican a los mismos elementos.

Una diferencia importante entre las realizaciones es que de acuerdo con la Figura 2 toda la carcasa del pistón 1 se dispone de manera móvil respecto al perno de pistón 2. Además, la cámara de presión 11 se ha movido a una parte por dejado del perno de pistón 2, aunque por lo demás se construye de acuerdo con los principios mostrados en la Figura 1A. Una diferencia adicional es que en lugar de un resorte helicoidal 10, aquí se usan resortes de tipo copa.

La presente invención funciona por lo tanto de manera que la presión momentánea de la combustión en el motor actúa hacia abajo sobre el pistón de ajuste 8 durante un período muy corto del ciclo de trabajo del motor. El movimiento hacia arriba y hacia abajo del pistón de ajuste 8 se amortigua mediante aceite, gracias a los dispositivos de restricción 13A, 14A para la entrada y salida de flujo respectivamente hacia/desde la cámara de presión 11.

Durante el resto del tiempo, el resorte mecánico se esfuerza para elevar el pistón de ajuste. Cuando el resorte funciona durante un largo período respecto al proceso de combustión real, es suficiente que la fuerza del resorte sea de 5-20 N/cm^{2} (cuando la superficie pretendida es toda la superficie superior del pistón) en el punto muerto superior, es decir en la posición menos comprimida del resorte.

Un estado funcional de equilibrio se consigue por tanto después de diversos ciclos de trabajo (se eliminan movimientos de péndulo fuertes que producen grandes pérdidas). El pistón de ajuste 8 se ajustará automáticamente a sí mismo a la posición que corresponde al nivel de llenado del motor. (Un aumento en el nivel de llenado influye en la presión contra la superficie del pistón para el ciclo de trabajo específico en contraste con un aumento de la velocidad del motor, por ejemplo). Esto significa que el pistón de ajuste 8 únicamente cambia su posición en el caso de una cantidad variada de la mezcla combustible-aire admitida para el ciclo de trabajo específico = nivel de llenado.

Debido al movimiento continuo del pistón de ajuste 8 hacia arriba y hacia abajo, disminuye el riesgo de que se sequen (se peguen) los laterales de la pared del pistón de ajuste. El denominado secado es un problema conocido, teniendo como resultado un aumento de desgaste en el área seca.

La Figura 3 muestra otra realización de un espacio de combustión de acuerdo con la invención. De acuerdo con esta ejecución, el pistón 1 está compuesto por un dispositivo convencional. No hay partes móviles en el pistón 1 o cualquier tubo de presión 4 dentro de la biela 3. En lugar de ello, un dispositivo de ajuste 50 que comprende un alojamiento cilíndrico 51, dentro del cual un pistón diferente 52 se dispone de manera móvil y que tiene una superficie inferior 8A que delimita una parte del espacio de combustión 40, se localiza en el extremo superior de la cámara de combustión 40, es decir en la culata cilíndrica 41. La superficie de delimitación 8A es móvil mediante el pistón 52, que puede desplazarse dentro de dicha carcasa 51. El pistón de ajuste 52 está provisto con juntas 53 que facilitan la creación de una cámara de presión 11, que está conectada a una entrada 12 para el suministro de aceite hidráulico mediante una válvula de retención 13B. El pistón de ajuste 52 está provisto en su extremo superior con una junta adicional 54 que evita que el aceite gotee fuera de la carcasa 51 en la parte superior. La cámara de presión 11 comunica mediante un dispositivo de restricción 14A con una salida 14, a través de la cual el aceite hidráulico puede evacuarse desde la cámara de presión 11. Un resorte de compresión 10 se dispone entre un retén fijo 55 y un extremo superior 52A del pistón de ajuste, de manera que el resorte de compresión 10 se esfuerza continuamente para desplazar el pistón de ajuste 52 hacia abajo hacia la cámara de combustión 40. La ejecución funciona totalmente de acuerdo con los principios que se han descrito anteriormente en las Figuras 1 y 2, con excepción de que el dispositivo de ajuste no sigue al pistón 1 en su movimiento.

Como se ha indicado anteriormente, la posición del pistón de ajuste 8 se ajusta automáticamente dependiendo del trabajo efectuado por el motor. Se percibe que este estado posicional/de equilibrio depende de la fuerza opuesta ejercida por el resorte 10. El pistón de ajuste 8 tolera una cierta reducción en la presión de aceite sin riesgo de dañar el motor.

En un ejemplo simulado de un motor de acuerdo con la invención, los pistones se usan con un diámetro de 80 mm para un motor Otto, es decir una superficie de pistón de aproximadamente 50 cm^{2}. La relación de compresión es por la tanto entre 1:8 y 1:17. Dependiendo de diversas variables que contribuyen, la fuerza del resorte óptima en la posición de partida/punto muerto superior es pues de al menos 400 N y en la posición máxima comprimida en ciertos casos de hasta 4000 N para obtener la potencia deseada. La necesidad de amortiguación, es decir, el efecto de restricción se mantuvo constante en gran medida en el ejemplo estudiado a 200 kNs/m. Una amortiguación menor da un posicionamiento más rápido y una amortiguación mayor da unas pérdidas por vibración menores. Pueden obtenerse grandes ventajas con un motor equipado de acuerdo con la invención. Aumentando la relación de compresión de 1:10,5 a 1:18, la potencia en un motor simulado de 1,6 litros aumentó a una carga parcial de 8,2 a 11,0 kW.

Si se parte de un pequeño motor con turbocarga, puede obtenerse un muy buen resultado con una compresión variable, es decir, un par de torsión alto y un ahorro de combustible del 30-40%. Únicamente aumentando la relación de compresión a una carga parcial, se consigue un ahorro de combustible del 10-15%.

La invención no se restringe a las realizaciones mostradas aunque puede variarse de diferentes maneras dentro del alcance de las reivindicaciones. Se entiende entre otras cosas que pueden usarse resortes de diferentes tipos y que éstos pueden optimizarse de diferentes maneras en diferentes aplicaciones. Además, se entiende que la fuerza opuesta desde el resorte 10 puede hacerse ventajosamente ajustable en ciertas aplicaciones. De acuerdo con la realización en la Figura 5, esto se consigue simplemente haciendo que el retén 55 sea móvil/ajustable, por ejemplo mediante un servomotor o válvula de control hidráulico. Como alternativa, usando un dispositivo de resorte neumático. El ajuste se controla mejor mediante un ordenador en base a los datos de control deseados, por ejemplo carga, velocidad, valores de emisión, temperatura del aire, temperatura del motor, etc., debido a lo que el estado de equilibrio puede adaptarse momentáneamente.

Claims (10)

1. Motor de combustión que comprende al menos una cámara de combustión (40), que está delimitada en un extremo por una culata (41) y delimitada en un segundo extremo por un pistón (1), estando dispuesto el pistón sobre una biela (3) mediante un perno de pistón (2), una carcasa (1; 8; 52) con una superficie de delimitación (8A) que puede moverse respecto al perno de pistón (2) y que facilita un volumen variable en dicha cámara de combustión (40), un resorte de compresión (10), actuando dicho resorte (10) sobre dicha superficie (8A) con una fuerza de resorte en la dirección de la cámara de combustión (40), una cámara de presión (11) que puede suministrarse con aceite hidráulico desde una fuente de presión mediante un tubo de suministro (12, 13), estando dispuesta dicha cámara de presión (11) mediante el aceite hidráulico para poder provocar el movimiento de dicha superficie de delimitación móvil (8A) con el objetivo de poder ajustar el tamaño de la cámara de combustión dependiendo de la presión de combustión, caracterizado porque dicha cámara de presión (11) comunica con un tubo de admisión (13) que facilita siempre el rellenado del aceite hidráulico desde la fuente de presión a la cámara de presión (11) cuando la presión (P2) en la cámara de presión (11) cae por debajo de la presión (P1) en el tubo de admisión (13) y porque dicha cámara de presión (11) está provista con una salida (14) que comunica con al menos un dispositivo de restricción (14A) que facilita continuamente un flujo de aceite hidráulico fuera de la cámara de presión (11) si la presión (P2) en la cámara (11) sobrepasa la presión (P3) en dicha salida (14), de manera que durante el funcionamiento se consigue amortiguar el movimiento de dicho armazón con dicha superficie de limitación (8A).

2. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque dicha salida (14) está provista con al menos una válvula de retención (14B).

3. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque dicho tubo de suministro (13) está provisto con al menos una válvula de retención (13B).

4. Motor de combustión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la fuerza de resorte se consigue mediante un resorte mecánico, que en la posición de partida/punto muerto superior ejerce una fuerza de resorte en el intervalo de 5-20 N por cm^{2} de superficie de pistón, preferiblemente en el intervalo de 7-15 N/cm^{2}.

5. Motor de combustión de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha superficie de delimitación (8A) está provista sobre dicho pistón (1).

6. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque dicha superficie de delimitación móvil (8A) forma únicamente una parte de la superficie superior del pistón (1).

7. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado por una parte móvil (8) dispuesta en un hueco en la superficie del pistón (1) orientada hacia la cámara de combustión, teniendo dicho cuerpo una superficie de delimitación móvil (8A).

8. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque cada dispositivo de restricción (13A, 14A) está compuesto por una o más cavidades que proporcionan amortiguación de entre 2-20 kNs/m por cm^{2} de superficie del pistón, preferiblemente 5-15 kNs/m/cm^{2}.

9. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque dicha superficie de delimitación móvil (8A) está dispuesta sobre la culata (41).

10. Motor de combustión de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque dicho resorte (10) en la posición de máxima compresión ejerce una fuerza de resorte en el intervalo de 40-140 N por cm^{2} de superficie del pistón, preferiblemente de
60-120 N/cm^{2}.