ES2285930B1

ES2285930B1 - Sistema de guiado para embolos oscilantes de compresores o motores rotativos.

Info

Publication number: ES2285930B1
Application number: ES200600383A
Authority: ES
Inventors: Edurado Garcia Sanchez
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2008-10-16
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: EP2003288A4; EP2003288A2; EP2003288A9; WO2007093649A1; ES2285930A1

Abstract

Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos. Consiste en un sistema de guiado para los émbolos de las máquinas rotativas constituidas por émbolos oscilantes girando en el extremo de manivelas. Se consigue posicionarlos, sin necesidad de que apoyen en el estator, eliminado las fuerzas de rozamiento y haciendo viable la realización práctica de diseños sin desgastes que pueden alcanzar altos regimenes de giro. Permite, la realización práctica de motores rotativos de alta compresión. El diseño se basa en utilizar una segunda manivela, entrecruzada con la del émbolo, que controla su giro por estar unida con él mediante una biela. La posición angular de esta manivela queda definida por la de la manivela del émbolo debido a que están unidas por una cadena cinemática que produce las oscilaciones necesarias. Se consigue mediante un conjunto de palancas rodantes ovaladas, o utilizando ejes unidos por juntas cardan.

Description

Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos.

Campo de la invención

La presente invención se refiere al perfeccionamiento de una maquina térmica que se puede diseñar como motor, consiguiéndose un óptimo rendimiento, eliminando casi por completo los rozamientos mecánicos y mejorando el ciclo termodinámico. Consiste en eliminar las fuerzas que aparecen entre el estator y los émbolos permitiendo su realización práctica y garantizando su eficacia, consiguiendo un conjunto compacto, sin vibraciones, de gran potencia específica y poca complejidad mecánica.

Por sus características técnicas su campo de aplicación es muy amplio:

: Presenta un máximo interés en el campo de la automoción, debido a su pequeño volumen y gran rendimiento. La potencia específica, fundamental en la automoción, comparada con los motores tradicionales puede mejorar considerablemente debido a la disminución del peso del motor, la disminución de pérdidas mecánicas, y un mejor rendimiento termodinámico. Aplicándolo a máquinas estáticas, el interés se centra en la ausencia de vibraciones, menor volumen y sobre todo, mejor rendimiento y menor desgaste.

: Debido a la ausencia de rozamientos entre pistón y cilindro, es de máximo interés para los compresores de refrigeración, pudiendo utilizar gases refrigerantes sin lubricantes.

: Por las razones anteriores y considerando su pequeño volumen y peso, puede utilizarse para motores de aire comprimido.

Se puede aplicar al ciclo Stirling utilizando dos unidades desfasadas 45º.

Descripción de la técnica relacionada

Con el fin de reducir los rozamientos laterales entre pistón y cilindro se han ideado, a lo largo de la historia, gran cantidad de configuraciones que consiguen un movimiento del pistón sin necesidad de ser guiado por los cilindros. Estos esfuerzos comienzan en la época de las máquinas de vapor y para ello se utilizaron cadenas cinemáticas complicadas o deslizaderas exteriores. Otros esfuerzos que se han hecho en este campo son los motores rotativos, siendo el motor Wankel el único utilizado actualmente. Este motor une a su elevada potencia específica la ausencia total de vibraciones, pero la mejora del rendimiento mecánico resulta mermada por las limitaciones inherentes a su diseño (relación de compresión limitada, dificultades de estanqueidad, forma de la cámara de combustión desfavorable, alto régimen del cigüeñal...).

Ninguno de estos sistemas se ha mostrado práctico para aplicar en motores de automoción, que requieren grandes potencias específicas, simplicidad y robustez mecánica.

La presente invención consigue paliar estos inconvenientes y aumenta considerablemente la potencia específica (comparándola con un motor tradicional). Consiste en modificar el diseño descrito en la patente: "Maquina de émbolos giratorios articulados" (cuyo nº de solicitud es P0416371, fecha de solicitud 19730627, clasificación principal F01C1/40). Se implementa un sistema de guiado de los émbolos que evita su desgaste y disminuye las pérdidas de rendimiento debido al rozamiento, de forma que el proyecto se hace viable.

A las ventajas del Wankel, ausencia de rozamientos inerciales, ausencia de vibraciones y gran potencia especifica, se añaden, con este diseño, la relación de compresión de los motores de pistones tradicionales, la buena geometría de sus cámaras de combustión y por añadidura, produce 4 veces más de explosiones por giro de cigüeñal que el motor Wankel.

La invención consiste en calcular una ley de movimiento de los émbolos oscilantes cuyos centros giran en los extremos de unas manivelas (y cuyas extremidades siguen un perfil, creando volúmenes variables) y en conseguir producir dicho movimiento con mecanismos internos simples y fácilmente realizables en la practica. La ausencia de estos dispositivos obligaría al estator a conducir los émbolos. Estos últimos, al estar sometidos a grades aceleraciones angulares, necesitarían un par exterior muy grande que desgastaría rápidamente el material y penalizaría el rendimiento.

Explicación

El objetivo que se quiere lograr es eliminar el rozamiento entre embolo y estator de las maquinas rotativas termodinámicas configuradas por manivelas y émbolos oscilantes.

El sistema de la presente patente de invención consta de uno o varios conjuntos constituidos por:

1): Una primera manivela (1), unida a un primer eje (2) Fig. 1 y Fig. 3, cuya medida (distancia entre su eje y muñequilla) se designara por: m

2): Una segunda manivela (3) unida a un secundo eje (4) concéntrico con el primer eje Fig. 1 y Fig. 2.

: La misión de esta segunda manivela es la de transmitir el movimiento angular necesario al embolo mediante una biela (6)

3): Un embolo (5) Fig. 2 cuya articulación y centros de curvatura de sus extremidades están alineados y cuyos centros de curvatura de sus extremidades disten un longitud 2 m siendo m la medida del brazo de la manivela sobre la que articula (Fig. 3).

4): Una biela (6) que liga la segunda manivela con el embolo (Fig. 1) dispuesta de tal forma que el conjunto Fig. (3) formado por embolo (5), biela (6), secunda manivela (3) y primera manivela (1) forman un rombo deformable.

5): La bancada (7) Fig. 2 que es la base sobre la que se articulan el primer y segundo eje y donde van fijados el estator y las articulaciones de los ejes complementarios.

6): Un estator ovalado Fig. 7 y Fig. 8 diseñado de tal forma que los centros de curvatura de las extremidades de los émbolos sigan su perfil teórico y los segmentos del embolo sigan el perfil real que es paralelo al teórico y separado de él un valor igual a la medida del radio de curvatura de las extremidades del embolo.

7): Según la realización, cuatro palancas rodantes ovaladas dentadas, situando dos de ellas en los ejes concéntricos (2) y (4) de cada manivela y las otras dos, unidas entre si (9) Fig. 4, girando sobre un eje (10) Fig. 3 situado a una distancia "d" de los ejes de las manivelas.

8): Según la realización, una junta cardan doble Fig. 5 y Fig. 6 que conectan los ejes coaxiales de las manivelas (4) y (2) (que terminan en dos horquillas desfasadas (12 y 13)) con un tercer eje (14), siendo "v" el ángulo de desviación de este ultimo respecto a los ejes coaxiales (4) y (2).

9): Según la realización, dos palancas rodantes ovaladas dentadas (Fig. 14), situando una de ella en el eje concéntrico de la primera manivela y la otra, rodando con la primera, girando sobre un eje paralelo situado a una distancia "d" de los ejes de las manivelas, estando esta ultima unida a un engranaje que engrana con otro de mismo tamaño unido al eje de la segunda manivela, cumpliendo el perfil de las palancas ovaladas la ecuación definida en polares con el radio r en función de el ángulo e y un coeficiente g que se utiliza en la definición del estator:

r = \frac{d}{2}

\hskip0.5cm

\frac{1 - g^{2}}{1 + g . \ coseno \ (2e)}

\vskip1.000000\baselineskip

La presente invención tiene por objetivo hacer que los centros de curvatura de las extremidades del embolo sigan el perfil teórico del estator, consiguiéndose con un mecanismo interno a partir de las manivelas, lo que significa que incluso en ausencia del estator el embolo seguiría forzado a moverse de la misma manera. Las extremidades del embolo no tocan el estator, solo los segmentos sobresalen hasta efectuar el cierre. De este modo, se garantiza la ausencia de rozamientos importantes, que de no ser así, se producirían debido a la necesidad de acelerar angularmente los émbolos y debido a la falta de homogeneidad de la presión en el inicio de la explosión.

Este objetivo se consigue de la siguiente forma:

El émbolo esta articulado con la primera manivela que es solidaria con el cigüeñal y hace también el papel de la biela de un motor tradicional.

Con el fin de que el émbolo quede totalmente posicionado para un ángulo prefijado de la primera manivela, es necesario que además de quedar determinada la posición de su eje, en el extremo de la primera manivela, su giro alrededor de este eje quede determinado. Con este fin, se le fuerza a mantenerse siempre paralelo a una secunda manivela, por estar unido con ella mediante una biela (6) Fig. 1, de tal manera que el conjunto: embolo, biela, segunda manivela y primera manivela forman un rombo deformable, y se obliga al ángulo "b", girado por esta secunda manivela, a quedar completamente definido por el ángulo "a", girado por la primera manivela, al estar estas ultimas conectadas por un mecanismo externo que produce la siguiente relación:

b = 90^{o} + arco \ tangente \frac{(1 - g) \ tangente \ (a)}{1 + g}

Siendo g un coeficiente constante que depende de la realización decidida y que influye en la forma del perfil del estator.

\newpage

Se consigue de este modo que los centros de curvatura de las extremidades del embolo sigan el perfil definido por y = f(x):

y = \pm \sqrt{m \sqrt{(1 + g)^{2}m^{2} - 4g . x^{2}} - x^{2} + (1 + g)m^{2}}

\vskip1.000000\baselineskip

El valor de g determina el grado de redondez del estator. Para el caso limite de g = 0 el estator seria un circulo con radio = m \surd 2 y no habría posibilidad de realizar cambios de volumen, necesarios para crear una maquina térmica. El limite superior seria g = 1 y produciría un estator discontinuo. En las realizaciones practicas los valores habituales de g oscilan entre 0,2 y 0,6.

El conjunto formado por dos o cuatro émbolos, debido a su simetría, consigue un equilibrado total (frente al equilibrado solamente de primer orden de la mayoría de los motores de pistones), y mejora notablemente el ciclo termodinámico. (La zona correspondiente a la admisión se mantiene mas fría que la de la combustión, la posición correspondiente a la ignición dura mas, mejorando la combustión, y se esculpe la cámara de combustión dándole la forma mas favorable). Otra característica interesante es el reducido tamaño del conjunto, disminuyendo el tamaño respecto a un motor convencional cerca de un 50%. A todas estas ventajas, se une la gran mejora del rendimiento mecánico, al haberse eliminado los rozamientos inerciales y la mayor longevidad los segmentos frontales, comparándolo con el motor Wankel, debido a la forma mas regular del estator (sin cambio de signo del radio de curvatura para valores de g inferiores a 1/3).

La relación de movimiento requerida entre las dos manivelas se puede conseguir mediante 4 palancas rodantes ovaladas, situando dos de ellas en los ejes concéntricos de cada manivela y las otras dos, unidas entre si, girando sobre un eje paralelo situado a una distancia d de los ejes de las manivelas, cumpliendo el perfil de las palancas ovaladas la ecuación, definida en polares, con el radio r en función de su ángulo e:

r = \frac{d \sqrt{1 - g^{2}}}{\sqrt{1 - g^{2}} + 1 + g . coseno(2e)}

De este modo, una posición angular del conjunto de las palancas rodantes, fijas entre si, que giran sobre el eje paralelo, determina las posiciones de las dos manivelas por lo que queda determinada completamente la posición del embolo. (La primera manivela determina la posición de su centro y la secunda manivela su posición angular.)

Otra solución para posicionar las dos manivelas consiste relacionar el movimiento entre las dos manivelas mediante un tercer eje unido a una junta cardan doble (Fig. 5) y (Fig. 6) que consta de dos horquillas desfasadas 90º utilizándose una de ellas para conectar, mediante una cruz, el eje de la primera manivela y utilizándose la otra para conectar, mediante un anillo exterior o pieza hueca, el eje de la segunda manivela, siendo v el ángulo de desviación del tercer eje respecto los ejes coaxiales, cumpliéndose:

\nu = arco \ coseno \sqrt{\frac{1 - g}{1 + g}}

\vskip1.000000\baselineskip

Una posición angular del eje (14) determina las posiciones de las dos manivelas, conectadas con el mediante la junta cardan doble, por lo que queda determinada completamente la posición del embolo.

\nu = arco \ coseno \sqrt{\frac{1 - g}{1 + g}}

Otra variante consiste en unir la primera manivela con dos juntas cardan en serie desfasadas 90º siendo el ángulo de desviación \nu = arco coseno \sqrt{\frac{1 - g}{1 + g}} y conectar a la segunda manivela con engranajes cónicos iguales Fig. 11.

Otra versión consiste en usar una única junta cardan que conecte la primera manivela a un eje desviado \nu = arco coseno \frac{1 - g}{1 + g} y completar la conexión con la segunda manivela mediante engranajes cónicos iguales.

\newpage

Ventajas de la invención en relación al motor tradicional y al motor Wankel

100

Breve descripción de los dibujos

Fig. 1: Primera manivela (1) unida a un primer eje (2), secunda manivela (3) unida al segundo eje (4) concéntrico con el primer eje y biela (6).

Fig. 2: Eslabones representados en la Fig. 1 debidamente montados. Bancada (7) donde se fijara el estator.

Fig. 3: Embolo (5) cuya articulación y centros de curvatura de sus extremidades están alineados y cuyos centros de curvatura distan un longitud 2 m siendo la longitud del brazo de la primera manivela m. Biela (6) que une la secunda manivela con el embolo. El conjunto embolo, biela, secunda manivela y primera manivela forman un rombo deformable Fig. (3).

Fig. 4: Palancas rodantes ovaladas, situando dos de ellas en los ejes concéntricos (2) y (4) de cada manivela y las otras dos, unidas entre si (9) girando en un eje (10)

Fig. 5: Junta cardan doble que conecta los ejes primero (2) y segundo (4) coaxiales con un tercer eje (14) siendo "v" el ángulo de desviación de este ultimo respecto a los ejes coaxiales.

Fig. 6: Elementos de la Fig. 5 y posición del ángulo "v".

Fig. 7: Dibujo de la aplicación referida. Para el estator se ha utilizado particularizado el coeficiente g con el valor g = 0,25

Fig. 8: Vista de los elementos de la Fig. 7 donde se aprecia el engrane de las dos parejas de engranajes.

Fig. 9: Configuración con dos émbolos.

Fig. 10: Configuración con cuatro émbolos.

Fig. 11: Configuración en la que la primera manivela transmite, mediante dos juntas cardan dispuestas en serie y desfasadas 90º, el movimiento a un engranaje cónico que engrana con otro unido a la secunda manivela.

Fig. 12: Configuración con cuatro émbolos donde los propios émbolos hacen el papel de las bielas.

Fig. 13: Posibilidad de utilizar simultáneamente en paralelo palancas ovaladas y engranajes ovales dentados.

Fig. 14: Variante de la Fig. 4 donde se utilizan solo un par de palancas rodantes y dos engranajes. La palanca rodante inferior es solidaria con el engranaje inferior.

Descripción de la realización referida

Manivela doble principal (1) unida a un eje principal (2) Fig. 1 y Fig. 3,

Manivela doble secundaria (3) unida a un eje segundario (4) concéntrico con el eje principal Fig. 1 y Fig. 2.

Émbolos (5) Fig. 2 cuya articulación y centros de curvatura de sus extremidades están alineados y cuyos centros disten un longitud 2 "m" siendo "m" la medida de la manivela sobre la que articula Fig. 3.

Bielas (6) que une la manivela secundaria con el embolo Fig. 1. El conjunto embolo, biela, manivela secundaria y manivela principal forman un rombo deformable Fig. (3).

Bancada (7) Fig. 3 donde va fijado el estator y la articulación de los ejes.

Un estator ovalado Fig. 7 y 8 diseñado de tal forma que los segmentos del embolo sigan su perfil. Palancas rodantes ovaladas, situando dos de ellas en los ejes concéntricos (2) y (4) de cada manivela y las otras dos, unidas entre si (8).

Cuatro palancas rodantes ovaladas, situando dos de ellas en los ejes concéntricos (2) y (4) de cada manivela y las otras dos, unidas entre si (8) Fig. 4, girando sobre un eje situado a una distancia "d" (9) Fig. 3 de los ejes de las manivelas.

Conjunto Fig. 7 y Fig. 8 donde se representa el estator habiendo elegido para el coeficiente g el valor: g = 0,25.

Claims

1. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos que estén formados por émbolos cuya articulación y centros de curvatura de sus extremidades estén alineados y cuyos centros de curvatura disten un longitud dos veces mayor que el brazo de una primera manivela sobre las que articulan (Fig. 3), caracterizado porque cada embolo (5) esta unido mediante una biela (6) a una secunda manivela (3), coaxial con la primera manivela (1), formado estos cuatro cuerpos un rombo deformable, consiguiéndose que el embolo y la secunda manivela sean siempre paralelos, estando el movimiento de las dos manivelas relacionado entre si al estar conectadas por un mecanismo exterior que consigue que todo el conjunto tenga un solo grado de libertad y las extremidades del embolo describan el perfil deseado sin necesidad de tocar el estator.

2. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas esta definida porque el ángulo "b" que gira la manivela secundaria queda definido por el ángulo "a" que gira la manivela primaria al estar conectadas dichas manivelas mediante un mecanismo que produce la relación:

b = 90^{o} + arco \ tangente \frac{(1 - g) tangente (a)}{1 + g}

siendo g un coeficiente constante que depende de la realización decidida, comprendido entre 0,1 y 0,6, consiguiéndose de este modo que los centros de curvatura de las extremidades del embolo sigan el perfil definido en coordenadas cartesianas por y = f(x):

y = \pm \sqrt{m \sqrt{(1 + g)^{2} m^{2} - 4g . x^{2}} - x^{2} + (1 + g)m^{2}}

Siendo m la longitud de la manivela, 2\cdotm la distancia entre los centros de curvatura de los extremos del embolo y g la constante antes citada.

3. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas se consigue mediante 4 palancas rodantes ovaladas (Fig. 4), situando dos de ellas en los ejes concéntricos de cada manivela y las otras dos, unidas entre si y desfasadas 90º, girando sobre un eje paralelo situado a una distancia "d" de los ejes de las manivelas, cumpliendo el perfil de las palancas ovaladas la ecuación definida en polares con el radio r en función de el ángulo e:

r = \frac{d \sqrt{1 - g^{2}}}{\sqrt{1 - g^{2}} + 1 + g . coseno (2e)}

estando las palancas ovaladas constantemente en contacto dos a dos y rodando sin deslizar.

4. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas se consigue mediante 4 palancas rodantes ovaladas, situando dos de ellas en los ejes concéntricos de cada manivela y las otras dos, unidas entre si y desfasadas 90º, girando sobre un eje paralelo y teniendo estas ultimas un perímetro dos veces inferior a las anteriores definiendo los perfiles de forma que estando las palancas ovaladas constantemente en contacto dos a dos y rodando sin deslizar produzcan la relación de movimiento:

b = 90^{o} + arco \ tangente \frac{(1 - g) tangente (a)}{1 + g}

5. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas se consigue mediante 2 palancas rodantes ovaladas (Fig. 14), situando una de ella en el eje concéntrico de la primera manivela y la otra, rodando con la primera, girando sobre un eje paralelo situado a una distancia "d" de los ejes de las manivelas, estando esta ultima unida a un engranaje que engrana con otro de mismo tamaño unido al eje de la segunda manivela, cumpliendo el perfil de las palancas ovaladas la ecuación definida en polares con el radio r en función de el ángulo e:

r = \frac{d}{2}

\hskip0.5cm

\frac{1 - g^{2}}{1 + g . coseno (2e)}

6. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 3 o 4 caracterizado porque las palancas rodantes ovaladas se construyen con dientes de forma que engranen entre si, tomando como ruletas los perfiles antes citados y manteniendo parte, o nada, del espesor sin dentar (Fig. 13).

7. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas se consigue mediante un tercer eje unido a una junta cardan doble (Fig. 5) y (Fig. 6) que consta de dos horquillas desfasadas 90º utilizándose una de ellas para conectar, mediante una cruz, el eje de la primera manivela y utilizándose la otra para conectar, mediante un anillo exterior o pieza hueca, el eje de la segunda manivela, siendo v el ángulo de desviación del tercer eje respecto los ejes coaxiales, cumpliéndose:

\nu = arco \ coseno \sqrt{\frac{1 - g}{1 + g}}

8. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas se consigue mediante una junta cardan (Fig. 11) que conectan el eje coaxial de una manivela con un eje cuyo ángulo de desviación respecto el anterior es "v" y que esta a su vez conectado mediante una segunda junta, desfasada 90º respecto la primera, con otro eje desviado también un ángulo "v" y unido al eje de la otra manivela mediante engranajes cónicos con mismo número de dientes, siendo v igual a:

\nu = arco \ coseno \sqrt{\frac{1 - g}{1 + g}}

9. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 y 2 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos manivelas se consigue mediante una única junta cardan que conectan el eje coaxial de una manivela con un eje cuyo ángulo de desviación respecto el anterior es "v" y que esta conectado al eje de la otra manivela mediante engranajes cónicos con mismo número de dientes, siendo v igual a:

\nu = arco \ coseno \frac{1 - g}{1 + g}

10. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque se realiza con dos émbolos dispuestos diametralmente (Fig. 9), que giran en las extremidades de una única primera manivela diametral y que van conectados a una segunda manivela mediante dos bielas.

11. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 10 caracterizado porque se realiza con los dos émbolos que giran en las extremidades de una primera manivela doble y otros otos dos émbolos (Fig. 10) que giran en las extremidades de la segunda manivela doble teniendo esta ultima el mismo tamaño que la manivela principal y estando los cuatro émbolos conectados mediante bielas con las manivelas paralelas a ellos mismos.

12. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 11 caracterizado porque se utilizan los propios émbolos, estando articulados entre ellos, como bielas para producir un rombo deformable (Fig. 12) y conseguir que dos émbolos sean paralelos a la primera manivela y los otros dos paralelos a la segunda manivela, sin necesidad de las bielas.

13. Sistema de guiado para émbolos oscilantes de compresores o motores rotativos según la reivindicación 1 caracterizado porque la relación de movimiento entre las dos 1 manivelas se consigue mediante 4 palancas rodantes no circulares, situando dos de ellas en los ejes concéntricos de cada manivela y las otras dos, unidas entre si, girando sobre un eje paralelo situado a una distancia "d" de los ejes de las manivelas, diseñando el perfil de las palancas de manera que las extremidades de los émbolos describan cualquier perfil del estator que se quiera realizar.