ES2294572T3 - Motor de camara activa mono y/o bi-energia de aire comprimido y/o energia adicional y su ciclo termodinamico asociado. - Google Patents
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Abstract
Motor de cámara activa que comprende al menos un pistón motor (1) deslizante en un cilindro, (2) controlado por un dispositivo de parada del pistón motor en el punto muerto superior y alimentado por aire comprimido, o cualquier otro gas a alta presión contenido en un depósito de almacenaje (22), cuya presión se reduce a una presión media llamada presión de trabajo en una capacidad de trabajo (19) preferentemente mediante un dispositivo reductor de presión dinámico caracterizado: - Por el hecho de que la cámara de expansión está constituida por un volumen variable dotado de medios que permiten producir un trabajo y está acoplada y en contacto permanente mediante un paso (12), con el espacio dispuesto encima del pistón motor (1), - Por el hecho de que, durante la parada del pistón motor (1) en su punto muerto superior, el aire o el gas bajo presión es admitido en la cámara de expansión cuando está tiene su volumen mínimo y que, bajo el empuje de este aire bajo presión, esta última aumentará su volumen produciendo un trabajo, - Por el hecho de que, puesto que la cámara de expansión se mantiene sensiblemente a su volumen máximo, el aire comprimido que contiene se expande a continuación en el cilindro motor (2) empujando así el pistón motor (1) en su carrera descendente suministrando a su vez un trabajo, - Por el hecho de que durante la carrera ascendente del pistón motor (1) durante el tiempo de escape el volumen variable de la cámara de expansión vuelve a su volumen mínimo para volver a empezar un ciclo de trabajo completo.
Description
Motor de cámara activa mono y/o
bi-energía de aire comprimido y/o energía adicional
y su ciclo termodinámico asociado.
\global\parskip0.930000\baselineskip
La invención se refiere a un motor que funciona
en especial con aire comprimido o cualquier otro gas, y más
particularmente que utiliza un dispositivo de control de la carrera
del pistón que tiene como efecto la parada del pistón en su punto
muerto superior durante un periodo de tiempo, así como a un
dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente que puede
funcionar en mono energía o en bi energía.
El redactor ha presentado numerosas patentes
relativas a motorizaciones, así como a instalaciones, que utilizan
aire comprimido para un funcionamiento totalmente limpio en zonas
urbanas y suburbanas:
- -
- WO 96/27737 WO 97/00655
- -
- WO 97/48884 WO 98/12062 WO 98/15440
- -
- WO 98/32963 WO 99/37885 WO 99/37885
Para la realización de estas invenciones,
también ha descrito en su solicitud de patente WO 99163206 un
proceso y dispositivo de control de la carrera de los pistones de
motor que permiten la parada del pistón en su punto muerto
superior; proceso también descrito en su solicitud de patente WO
99/20881 al contenido del cual también podrá hacerse referencia en
relación con el funcionamiento de estos motores en mono energía o
en bi energía, bi o tri modos de alimentación.
En su solicitud de patente WO 99/37885 propone
una solución que permite aumentar la cantidad de energía utilizable
y disponible caracterizada por el hecho de que el aire comprimido,
antes de su introducción en la cámara de combustión y/o de
expansión, que proviene del depósito de almacenaje, ya sea
directamente o tras su paso en el o los intercambiadores térmicos
del dispositivo de recuperación de energía térmica ambiente, y
antes de su introducción en la cámara de combustión, es canalizado
por un recalentador térmico donde, por aumento de su temperatura,
aumentará aún más de presión y/o su volumen antes de su introducción
en la cámara de combustión y/o de expansión del motor, luego
aumentando aún más considerablemente las prestaciones de dicho
motor.
La utilización de un recalentador térmico,
incluso en el caso de utilización de un carburante fósil, presenta
la ventaja de poder utilizar combustiones continuas limpias que
pueden ser catalizadas o descontaminadas por todos los medios
conocidos con el objetivo de obtener emisiones de contaminante
ínfimas.
El autor ha presentado una patente WO 03/036088
A1 referente a un grupo motocompresor - motoalternador de inyección
de aire comprimido adicional que funciona en mono y pluri
energía.
En estos tipos de motor que funcionan con aire
comprimido y que comprenden un depósito de almacenaje de aire
comprimido, es necesario descomprimir el aire comprimido almacenado
a muy alta presión en el depósito pero cuya presión disminuye a
medida que el depósito se vacía a una presión intermedia estable
llamada presión final de utilización en una capacidad tampón
llamada capacidad de trabajo antes de su utilización en el o los
cilindros del motor. Los reductores de presión convencionales de
válvulas y muelles conocidos tienen caudales muy reducidos y su
utilización para esta aplicación precisa de aparatos muy pesados y
de bajas prestaciones; además, son muy sensibles a la formación de
hielo originado por la humedad de aire refrigerado durante su
expansión.
Para resolver este problema, el autor también ha
presentado una solicitud de patente WO 03/089764 A1, referente a un
reductor de presión dinámico de caudal variable y distribución para
motores alimentados con inyección de aire comprimido, que comprende
un depósito de aire comprimido a alta presión y una capacidad de
trabajo.
El redactor también ha presentado una solicitud
de patente WO 02/070876 A1 referente a una cámara de expansión de
volumen variable constituida por dos capacidades distintas, una de
las cuales está en comunicación con la llegada de aire comprimido y
la otra está acoplada con el cilindro y que pueden ser puestas en
comunicación entre ellas o aisladas de manera que durante el ciclo
de escape es posible cargar con aire comprimido la primera de estas
capacidades y después establecer la presión en la segunda, desde el
final del escape mientras el pistón está parado en su punto muerto
superior y antes de la reanudación de su carrera, quedando las dos
capacidades en comunicación y reduciéndose su presión conjuntamente
para efectuar el tiempo motor y en la que al menos una de las dos
capacidades está provista de medios que permiten modificar su
volumen para permitir variar el par motor resultante a presión
constante.
En el funcionamiento de estos motores de
"expansión de carga" el llenado de la cámara representa
siempre una reducción de presión perjudicial para el rendimiento
general de la máquina.
El motor según la invención utiliza un
dispositivo de parada del pistón motor en el punto muerto superior.
Es alimentado preferentemente con aire comprimido o cualquier otro
gas comprimido contenido en un depósito de almacenaje de alta
presión, mediante una capacidad tampón llamada capacidad de trabajo.
La capacidad de trabajo en versión bi energía comprende un
dispositivo de recalentamiento de aire alimentado por una energía
adicional (fósil u otra energía) que permite aumentar la temperatura
y/o la presión del aire que la atraviesa.
\global\parskip1.000000\baselineskip
El motor según la invención se caracteriza por
los medios empleados tomados en conjunto o separadamente y más
particularmente:
- -
- Por el hecho de que la cámara de expansión está constituida por un volumen variable dotado de medios que permiten producir un trabajo y que está acoplada y en contacto mediante un paso permanente con el espacio comprendido por encima del pistón motor,
- -
- Por el hecho de que, durante la parada del pistón motor en su punto muerto superior, el aire o el gas bajo presión es admitido en la cámara de expansión cuando esta está en su volumen mínimo y, bajo el empuje, va a aumentar su volumen produciendo un trabajo,
- -
- Por el hecho de que, estando la cámara de expansión mantenida sensiblemente a su volumen máximo, el aire comprimido que contiene se expande a continuación en el cilindro motor empujando así el pistón motor en su carrera descendente suministrando a su vez un trabajo,
- -
- Por el hecho de que, durante el ascenso del pistón motor durante el tiempo de escape, el volumen variable de la cámara de expansión vuelve a su volumen mínimo para volver a empezar un ciclo de trabajo completo.
La cámara de expansión del motor según la
invención contribuye activamente al trabajo. El motor según la
invención se denomina motor de cámara activa.
El motor según la invención está ventajosamente
dotado de un reductor de presión de caudal variable según WO
03/089764 A1, permitiendo dicho reductor de presión dinámico
alimentar la capacidad de trabajo a su presión de utilización por
aire comprimido que proviene del depósito de almacenaje llevando a
cabo una reducción de presión sin trabajo de tipo isotérmico.
El ciclo termodinámico según la invención se
caracteriza por una reducción de presión isotérmica sin trabajo
permitida por el reductor de presión dinámico seguido de una
transferencia acompañada de una muy ligera reducción de presión
casi isotérmica -por ejemplo una capacidad de 3000 centímetros
cúbicos en una capacidad de 3050 centímetros cúbicos- con trabajo
mediante la utilización de la presión del aire comprendido en la
capacidad de trabajo durante el llenado de la cámara de expansión, y
de una reducción de presión politrópica de la cámara de expansión
en el cilindro motor con trabajo y descenso de la temperatura para
finalizar con el escape del aire expandido a la atmósfera.
Por lo tanto, el ciclo termodinámico según la
invención comprende cuatro fases en modo mono energía aire
comprimido:
- -
- una reducción de presión isotérmica sin trabajo,
- -
- una transferencia - ligera reducción de presión con trabajo llamado casiisotérmico,
- -
- una reducción de presión politrópica con trabajo,
- -
- un escape a presión ambiente.
En su aplicación bi-energía
según la invención, y en modo carburante adicional, el aire
comprimido contenido en la capacidad de trabajo es recalentado por
una energía adicional en un recalentador térmico. Esta disposición
permite aumentar la cantidad de energía utilizable y disponible
debido a que el aire comprimido antes de su introducción en la
cámara activa aumentará su temperatura y su presión y/o su volumen
lo que permitirá el aumento de las prestaciones y/o de la
autonomía. La utilización de un recalentador térmico presenta la
ventaja de poder utilizar combustiones continuas limpias que pueden
ser catalizadas o descontaminadas por cualquier medio conocido con
el objetivo de obtener emisiones ínfimas de contaminantes.
El recalentador térmico puede utilizar como
energía un carburante fósil como por ejemplo gasóleo, o bien gas
GPL GNV, puede utilizar biocarburantes o alcoholes -etanol, metanol-
que permiten realizar de este modo un funcionamiento bi energía con
combustión externa en el que un quemador provocará un aumento de
temperatura.
Según una variante de la invención, el
recalentador utiliza ventajosamente procesos termoquímicos basados
en procesos de absorción y de desorción, tales como los utilizados y
descritos, por ejemplo en las patentes EP 0 307297 A1 y EP 0 382586
B1, cuyos procesos utilizan la transformación por evaporación de un
fluido, por ejemplo amoníaco líquido en un gas que reacciona con
sales como cloruros de calcio, de manganeso u otros, de forma que
el sistema funciona como una pila térmica.
Según una variante de la invención, el motor de
cámara activa está dotado de un recalentador térmico con quemador,
u otro, y de un recalentador termoquímico como el descrito
anteriormente que puede ser utilizado conjuntamente o
sucesivamente, durante la fase 1 del recalentador termoquímico en el
que el recalentador térmico con quemador permitirá regenerar (fase
2) el recalentador termoquímico cuando este último esté vacío
recalentando su reactor durante la continuación del funcionamiento
del grupo con la utilización del recalentador con quemador.
En el caso de la utilización de un recalentador
de combustión, el motor de cámara activa según la invención es un
motor de cámara de combustión externa llamado motor de combustión
externa. Sin embargo, o bien las combustiones de dicho recalentador
pueden ser internas llevando la llama directamente en contacto con
aire comprimido de funcionamiento, en cuyo caso el motor se llama
de "combustión externa-interna", o bien las
combustiones de dicho recalentador son externas recalentando el
aire de funcionamiento mediante un intercambiador, en cuyo caso el
motor se denomina de "combustión
externa-externa".
En modo de funcionamiento con energía adicional,
el ciclo termodinámico comprende entonces cinco fases:
- -
- una reducción de presión isotérmica,
- -
- un aumento de la temperatura,
- -
- una transferencia - ligera reducción de presión con trabajo denominado casi-isotérmico,
- -
- una reducción de presión politrópica con trabajo,
- -
- un escape a presión ambiente.
Se puede utilizar cualquier disposición
mecánica, hidráulica, eléctrica u otra que permite, según el ciclo
del motor, la realización en tres fases del ciclo de trabajo de la
cámara activa, a saber:
- -
- durante la parada del pistón motor en su punto muerto superior: admisión de una carga en la cámara activa que produce un trabajo aumentando su volumen,
- -
- durante la carrera de reducción de presión del pistón motor: mantenimiento a un volumen predeterminado que es el volumen real de la cámara de expansión,
- -
- durante el tiempo de escape del pistón motor: reposicionamiento de la cámara activa a su volumen mínimo para permitir la renovación del ciclo,
sin por ello cambiar el principio de la
invención descrita.
Preferentemente, la cámara de expansión de
volumen variable llamada cámara activa está constituida por un
pistón llamado pistón de carga deslizante en un cilindro y unido por
una biela al cigüeñal del motor, concepto clásico que determina una
cinemática de dos fases: carrera descendente y carrera
ascendente.
El pistón motor es controlado por un dispositivo
de parada del pistón en el punto muerto superior que determina una
cinemática de tres fases: carrera ascendente, parada en el punto
muerto superior y carrera descendente.
Para permitir el calado del motor según la
invención, las carreras del pistón de carga y del pistón motor son
diferentes, la del pistón de carga es más larga y está
predeterminada de tal manera que cuando en la carrera descendente
del pistón de carga, se alcanza el volumen escogido como "volumen
real de cámara de expansión", empieza la carrera descendente del
pistón motor y, durante esta carrera descendente, el pistón de carga
continúa y termina su carrera descendente limpia - que siempre
produce un trabajo - y a continuación empieza su carrera ascendente
mientras el pistón motor de carrera más corta y rápida, lo alcanza
en su carrera ascendente para que los dos pistones alcancen sus
puntos muertos superiores sensiblemente al mismo tiempo. Hay que
destacar que el pistón de carga padece durante el principio de su
carrera ascendente un trabajo negativo que, de hecho, se ha
compensado por un aumento de trabajo positivo al final de su carrera
descendente.
Durante el funcionamiento en modo aire
comprimido, por ejemplo en un vehículo en zona urbana para un
funcionamiento sin contaminación, se utiliza únicamente la presión
del aire comprimido almacenado en el depósito de alta presión; en
funcionamiento bi-energía en modo energía adicional,
(fósil u otro), en un vehículo en carretera con una contaminación
ínfima por ejemplo, se controla por lo tanto el recalentamiento de
la capacidad de trabajo, lo que permite aumentar la temperatura del
aire que la atraviesa y consecuentemente, su volumen y/o su presión
utilizables le permiten de esta manera mejores prestaciones y/o
autonomía.
El motor según la invención es controlado en par
y en régimen, mediante el control de la presión en la capacidad de
trabajo, estando dicho control ventajosamente asegurado por el
reductor de presión dinámico, cuando funciona en modo
bi-energía con energía adicional (fósil u otro) un
calculador electrónico controla la cantidad de energía adicional
aportada, en función de la presión en dicha capacidad de
trabajo.
Según una variante de la invención, para
permitir el funcionamiento autónomo del motor durante su utilización
con energía adicional y/o cuando el depósito de almacenaje de aire
comprimido está vacío, el motor de cámara activa según la invención
está acoplado a un compresor de aire que permite alimentar con aire
comprimido el depósito de almacenaje de aire comprimido de alta
presión.
\newpage
El motor de cámara activa bi energía así dotado
funciona normalmente según dos modos utilizando, por ejemplo en un
vehículo circulando por ciudad, el funcionamiento cero contaminación
con aire comprimido contenido en el depósito de almacenaje de alta
presión, y en carretera, todavía a modo de ejemplo, en
funcionamiento energía adicional con su recalentador térmico
alimentado con una energía fósil u otra, realimentando con aire
mediante un compresor de aire el depósito de almacenaje de alta
presión.
Según otra variante de la invención, el
compresor de aire alimenta directamente la capacidad de trabajo. En
este caso, el control del motor se hace mediante el control por
presión del compresor y el reductor de presión dinámico entre el
depósito de almacenaje de alta presión y la capacidad de trabajo
queda obturada.
Según otra variante de estas disposiciones, el
compresor de aire alimenta el depósito de alta presión, la
capacidad de trabajo o bien los dos volúmenes en combinación.
El motor de cámara activa bi energía según la
invención tiene de hecho tres modos principales de
funcionamiento:
- -
- mono energía aire comprimido,
- -
- bi energía aire comprimido más energía adicional,
- -
- mono energía a carburante de energía adicional.
El motor de cámara activa también puede
realizarse en mono energía con carburante fósil u otro cuando está
acoplado a un compresor de aire que alimenta la capacidad de trabajo
tal como se ha descrito más arriba, quedando suprimido pura y
simplemente el depósito de almacenaje de aire comprimido de alta
presión.
En el caso de un funcionamiento en modo energía
adicional, con la utilización de una combustión
externa-externa el escape del motor de cámara
activa puede ser reciclado en la admisión del compresor.
Según una variante de la invención, el motor
está constituido por varias etapas de reducción de presión,
comprendiendo cada etapa una cámara activa según la invención; entre
cada etapa se dispone un intercambiador que permite recalentar el
aire del escape de la etapa anterior en el caso de un funcionamiento
mono energía aire comprimido y/o un dispositivo de recalentamiento
de energía adicional en el caso de un funcionamiento en bi energía.
Siendo las cilindradas de la etapa siguiente más importantes que las
de la etapa anterior.
En el caso de un motor mono energía de aire
comprimido, como la reducción de presión en el primer cilindro ha
producido un descenso de temperatura, el recalentamiento del aire se
hará ventajosamente en un intercambiador aire-aire
con la temperatura ambiente.
En el caso de un motor
bi-energía en modo energía adicional, se procede al
recalentamiento de aire mediante una energía adicional en un
recalentador térmico, por ejemplo fósil.
Según una variante de esta disposición, después
de cada etapa el aire del escape es dirigido hacia un único
recalentador de varias etapas que permite utilizar únicamente una
fuente de combustión.
Los intercambiadores térmicos pueden ser
intercambiadores aire-aire o
aire-líquido o cualquier otro dispositivo o gas que
produzca el efecto buscado.
El motor de cámara activa según la invención
puede ser utilizado en cualquier vehículo terrestre, marítimo,
ferroviario o aeronáutico. El motor de cámara activa según la
invención puede también y ventajosamente aplicarse a grupos
electrógenos de emergencia, así como a numerosas aplicaciones
domésticas de cogeneración que produzcan electricidad, calefacción
y climatización.
Otros objetivos, ventajas y características de
la invención aparecerán con la lectura de la descripción, ofrecida
a título no limitativo, de varios modos de realización, haciendo
referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:
- La figura 1 representa esquemáticamente un
motor de cámara activa en sección transversal, y su dispositivo de
alimentación con aire a alta presión.
- Las figuras 2 a 4 representan con unas vistas
esquemáticas, en sección transversal, las diferentes fases de
funcionamiento del motor según la invención.
- La figura 5 representa una curva comparativa
de la cinemática de las carreras de pistón de carga y de pistón
motor.
- La figura 6 representa un gráfico del ciclo
termodinámico en modo mono energía aire comprimido.
- La figura 7 representa esquemáticamente un
motor de cámara activa visto en sección transversal y su dispositivo
de alimentación con aire a alta presión que comprende un
dispositivo de recalentamiento de aire por combustión.
- La figura 8 representa un gráfico del ciclo
termodinámico en modo bi-energía aire comprimido y
energía adicional.
- La figura 9 representa, visto
esquemáticamente, un motor de cámara activa según la invención
acoplado a un compresor de aire que permite un funcionamiento
autónomo.
- La figura 10 representa esquemáticamente un
motor de cámara activa según la invención acoplado a un compresor
que alimenta el depósito de almacenaje y la capacidad de
trabajo.
- La figura 11 representa esquemáticamente un
motor de cámara activa según la invención que comprende dos etapas
de reducción de presión.
- La figura 12 representa esquemáticamente un
motor de cámara activa según la invención en modo mono energía con
carburante fósil.
La figura 1 representa un motor de cámara activa
según la invención en el que se puede ver el cilindro motor por el
cual se desliza el pistón 1 (representado en su punto muerto
superior), deslizante en un cilindro 2, controlado por una palanca
de presión. El pistón 1 está unido por su eje al extremo libre 1A de
una palanca de presión constituida por un brazo 3 articulado
mediante un eje común 5 a otro brazo 4 fijado oscilante, a un eje
inmóvil 6. Sobre el eje común 5 a los dos brazos 3 y 4 se une una
biela 7 de mando unida al muñón 8 de un cigüeñal 9 que gira sobre
su eje 10. Durante la rotación del cigüeñal, la biela de mando 7
ejerce una fuerza sobre el eje común 5 de los dos brazos 3 y 4 de
la palanca de presión, que permiten así el desplazamiento del
pistón 1 según el eje del cilindro 2, y de retorno transmite al
cigüeñal 9 las fuerzas ejercidas sobre el pistón 1 durante el
tiempo motor que provoca así su rotación. El cilindro motor está en
comunicación mediante un paso 12 en su parte alta con el cilindro
de cámara activa 13 en el cual se desliza un pistón 14 llamado
pistón de carga unido por una biela 15 a un muñón 16 del cigüeñal 9.
Un conducto de admisión 17 controlado por una válvula 18 desemboca
en el paso 12 que conecta el cilindro motor 2 y el cilindro de
cámara activa 13 y permite alimentar el motor con aire comprimido
que proviene de la cámara de trabajo 19 mantenido a la presión de
trabajo, ella misma alimentada con aire comprimido a través de un
conducto 20 controlado por un reductor de presión dinámico 21 por
el depósito de almacenaje de alta presión 22. En la parte superior
del cilindro 2 está dispuesto un conducto de escape 23 controlado
por una válvula de escape 24.
Un dispositivo controlado por el pedal de
aceleración controla el reductor de presión dinámico 21 para
permitir regular la presión en la cámara de trabajo y controlar así
el motor.
La figura 2 representa esquemáticamente, visto
en sección transversal, el motor de cámara activa según la
invención durante la admisión; el pistón motor 1 está parado en su
posición de punto muerto superior y la válvula de admisión 18 acaba
de abrirse, la presión del aire contenido en la capacidad de trabajo
19 empuja el pistón de carga 14 rellenando el cilindro de la cámara
activa 13 y produciendo un trabajo provocando mediante su biela 15
la rotación del cigüeñal 9, siendo el trabajo considerable puesto
que es realizado a presión casi constante. Prosiguiendo su
rotación, el cigüeñal permite (figura 3) el desplazamiento del
pistón motor 1 hacia su punto muerto inferior y sensiblemente
simultáneamente la válvula de admisión 18 vuelve a cerrarse; la
carga contenida en la cámara activa se expande empujando el pistón
motor 1 que produce a su vez un trabajo provocando la rotación del
cigüeñal 9 mediante sus partes móviles constituidas por los brazos 3
y 4 y la biela de control 7. Durante este ciclo del pistón motor 1
el pistón de carga continua su carrera hacia el punto muerto
inferior y a continuación empieza su ascenso hacia su punto muerto
superior, estando el conjunto de los elementos dispuesto de tal
manera que durante su carrera ascendente (figura 4) los pistones
llegan sensiblemente juntos a su punto muerto superior en el que el
pistón motor va a pararse y el pistón de carga volverá a empezar el
ciclo. Durante la carrera ascendente de los dos pistones, la
válvula de escape 24 está abierta con la finalidad de evacuar el
aire comprimido expandido a través del conducto de escape 23.
La figura 5 representa el aspecto de las curvas
comparativas de las carreras de los pistones en la que se puede ver
en las abscisas la rotación del cigüeñal y en las ordenadas el
desplazamiento de los pistones, de carga y motor, desde su punto
muerto superior hasta su punto muerto inferior y retorno en el que,
según la invención, la carrera del pistón de carga es mayor que la
del pistón motor. El gráfico está dividido en 4 fases principales.
Durante la fase A, el pistón motor es mantenido en su punto muerto
superior y el pistón de carga realiza la mayor parte de su carrera
descendente produciendo un trabajo y durante la Fase B el pistón
motor realiza su carrera descendente de reducción de presión
produciendo un trabajo mientras el pistón de carga termina su
carrera descendente que también produce un trabajo. Mientras que el
pistón de carga alcanza su punto muerto inferior, fase C, el pistón
motor prosigue su carrera descendente y el pistón de carga empieza
su carrera ascendente. Hay que destacar que el pistón de carga
padece durante esta fase un trabajo negativo que, de hecho, ha sido
compensado por un aumento de trabajo positivo durante la fase B. En
fase D los dos pistones regresan a su punto muerto superior casi
simultáneamente para volver a empezar un nuevo ciclo. Durante las
fases A, B, C el motor produce un trabajo.
La figura 6 representa el gráfico del ciclo
termodinámico en modo mono energía aire comprimido en el que se
pueden ver las diferentes fases del ciclo con las diferentes
capacidades (en abscisas) que constituyen el motor de cámara activa
según la invención, siendo las presiones las ordenadas; en la
primera capacidad, que es el depósito de almacenaje, se aprecia una
red de curvas isotérmicas que van desde la presión de almacenaje
Pst a la presión inicial de trabajo PIT, disminuyendo la presión de
almacenaje a medida que se vacía el depósito mientras la presión
PIT será controlada en función del acoplamiento buscado entre una
presión mínima de funcionamiento y una presión máxima de
funcionamiento en este caso, como ejemplo, entre 10 y 30 bar. En la
capacidad de trabajo durante la carga de la cámara activa, la
presión permanece casi idéntica. Desde la abertura de la válvula de
admisión, el aire comprimido contenido en la capacidad de trabajo es
transferido a la cámara activa produciendo un trabajo acompañado de
una muy ligera disminución de presión, por ejemplo, para una
capacidad de trabajo de 3000 cm^{3} y una cámara activa de 35
cm^{3}, la caida de presión es de 1,16% y por lo tanto, también
como ejemplo, una presión real de trabajo de 29,65 bar para una
presión inicial de trabajo de 30 bar. A continuación, el pistón
motor empieza su carrera descendente con una reducción de presión
politrópica que produce un trabajo con descenso de la presión hasta
la abertura de la válvula de escape (por ejemplo alrededor de 2 bar)
seguido durante el retorno a la presión atmosférica durante el
tiempo de escape, para volver a empezar un nuevo ciclo.
La figura 7 representa el motor y su conjunto en
versión bi-energía con energía adicional donde se
puede ver en la capacidad de trabajo 19 un dispositivo esquemático
de recalentamiento del aire comprimido con aporte de energía
adicional, en este caso un quemador 25 alimentado por un recipiente
de gas 26. Por lo tanto, la combustión representada en esta figura
es una combustión externa-interna y permite aumentar
considerablemente el volumen y/o la presión del aire comprimido que
viene del depósito de almacenaje.
La figura 8 representa un gráfico del ciclo
termodinámico en modo bi energía aire comprimido y energía
adicional en el que se pueden ver las diferentes fases del ciclo en
las diferentes capacidades que constituyen el motor de cámara
activa según la invención en las ordenadas las presiones en la
primera capacidad que es el depósito de almacenaje se ve una red de
curvas isotérmicas que van desde la presión de almacenaje Pst hasta
la presión inicial de trabajo PIT, disminuyendo la presión de
almacenaje a medida que se vacía el depósito mientras la presión
PIT será controlada en función del par buscado entre una presión
mínima de funcionamiento y una presión máxima de funcionamiento en
el presente ejemplo de entre 10 y 30 bar. En la capacidad de
trabajo, el recalentamiento del aire comprimido permite aumentar
considerablemente la presión desde la presión inicial PIT hasta la
presión final de trabajo PFT: por ejemplo, para una PIT de 30 bar,
un aumento de temperatura del orden de 300 grados permite obtener
una PFT del orden de 60 bar. A partir de la abertura de la válvula
de admisión, el aire comprimido contenido en la capacidad de trabajo
es transferido a la cámara activa, produciendo un trabajo,
acompañado de una muy ligera disminución de presión: por ejemplo,
para una capacidad de trabajo de 3000 cm^{3} y una cámara activa
de 35 cm^{3} la caida de presión es de 1,16% es decir y aún a
titulo de ejemplo, una presión real de trabajo de 59,30 bares para
una presión inicial de trabajo de 60 bares; a continuación el
pistón motor empieza su carrera descendente con una reducción de
presión politrópica que produce un trabajo con descenso de la
presión hasta la abertura de la válvula de escape (por ejemplo
alrededor de 4 bares) seguido en el retorno por la presión
atmosférica durante el tiempo de escape, para volver a empezar un
nuevo ciclo.
El motor de cámara activa también funciona en
bi-energía de una manera autónoma con la energía
llamada adicional fósil, (u otra) (figura 9) cuando, según una
variante de la invención, acciona un compresor de aire comprimido
27 que alimenta el depósito de almacenaje 22. El funcionamiento
general de la máquina es el mismo que el descrito anteriormente en
las figuras 1 a 4. Sin embargo, esta disposición permite rellenar el
depósito de almacenaje durante su funcionamiento con energía
adicional pero da lugar a una pérdida de energía relativamente
importante debida al compresor. según otra variante de la invención,
(no representada en los dibujos), el compresor de aire alimenta
directamente la capacidad de trabajo; en este caso de
funcionamiento, el reductor de presión dinámico 21 se mantiene
cerrado y el compresor alimenta con aire comprimido la capacidad de
trabajo en la cual este último es recalentado mediante el
dispositivo de recalentamiento y aumenta de presión y/o de volumen
para alimentar la cámara activa 13 tal como se ha descrito en los
casos anteriores. Todavía en este caso de funcionamiento, el
control del motor se realiza mediante la regulación de presión
directamente por el compresor y la pérdida de energía debida al
compresor es mucho menor que en el caso anterior. Finalmente y
según otra variante de la invención (figura 10) el compresor
alimenta simultáneamente o sucesivamente en función de las
necesidades energéticas el depósito de almacenaje de alta presión 22
y la capacidad de trabajo 19. Una compuerta bidireccional 28
permite alimentar el depósito de almacenaje 22, la capacidad de
trabajo 19 o bien los dos simultáneamente. Luego, la elección es
función de las necesidades energéticas del motor frente a las
necesidades energéticas del compresor: si el motor es poco
solicitado, entonces se alimenta el depósito de alta presión; si
las necesidades energéticas del motor son elevadas, únicamente se
alimenta la capacidad de trabajo.
La figura 11 representa esquemáticamente un
motor de cámara activa según la invención que comprende dos etapas
de reducción de presión en el que se pueden ver el depósito de
almacenaje de aire comprimido de alta presión 22 el reductor de
presión dinámico 21 la capacidad de trabajo 19 así como la primera
etapa que comprende un cilindro motor 2 por el cual se desliza el
pistón 1 (representado en su punto muerto superior), que es
controlado por una palanca de presión. El pistón 1 está unido por su
eje al extremo libre 1A de una palanca de presión constituida por
un brazo 3 articulado en un eje común 5 a otro brazo 4 fijado
oscilante, en un eje inmóvil 6. Sobre el eje común 5 a los dos
brazos 3 y 4 está unida una biela 7 de mando unida al muñón 8 de un
cigüeñal 9 que gira sobre su eje 10. Durante la rotación del
cigüeñal, la biela de mando 7 ejerce una fuerza sobre el eje común
5 de los dos brazos 3 y 4 de la palanca de presión, permitiendo así
el desplazamiento del pistón 1 según el eje del cilindro 2, y
transmite, de retorno al cigüeñal 9, las fuerzas ejercidas sobre el
pistón 1 durante el tiempo motor provocando así su rotación. El
cilindro motor está en comunicación mediante un paso 12 en su parte
alta con el cilindro de la cámara activa 13 en la cual se desliza un
pistón 14 llamado pistón de carga unido mediante una biela 15 a un
muñón 16 del cigüeñal 9. Un conducto de admisión 17 controlado por
una válvula 18 desemboca en el paso 12 que conecta el cilindro motor
2 y el cilindro de cámara activa 13 y permite alimentar el motor
con aire comprimido proveniente de la cámara de trabajo 19 mantenida
a la presión de trabajo y ella misma alimentada con aire comprimido
mediante un conducto 20 controlado por un reductor de presión
dinámico 21. El conducto de escape 23 está unido a través de un
intercambiador 29 con la admisión 17B de la segunda etapa del motor
que comprende un cilindro motor 2B en el cual se desliza el pistón
1B que es controlado por una palanca de presión. El pistón 1B está
unido por su eje al extremo libre 1C de una palanca de presión
constituida por un brazo 3B articulado en un eje común 5B a otro
brazo 4B fijado oscilante, en un eje inmóvil 6B. Sobre el eje común
5B a los dos brazos 3B y 4B se une una biela de mando 7B unida al
muñón 8B de un cigüeñal 9 que gira sobre su eje 10. Durante la
rotación del cigüeñal, la biela de mando 7B ejerce una fuerza sobre
el eje común 5B de los dos brazos 3B y 4B de la palanca de presión,
permitiendo así el desplazamiento del pistón 1B según el eje del
cilindro 2B, y de retorno transmite al cigüeñal 9 las fuerzas
ejercidas sobre el pistón 1B durante el tiempo motor provocando así
su rotación. El cilindro motor está en comunicación mediante un
paso 12B en su parte alta con el cilindro de la cámara activa 13B
por el cual se desliza un pistón 14B llamado pistón de carga unido
por una biela 15B a un muñón 16B del cigüeñal 9. Un conducto de
admisión 17B controlado por una válvula 18B desemboca en el paso
12B que conecta el cilindro motor 2B con el cilindro de la cámara
activa 13B y permite alimentar el motor con aire comprimido. Por
razones de simplicidad del dibujo, la segunda etapa está
representada al lado de la primera etapa. Va de sí que,
preferentemente, se ha utilizado un único cigüeñal y que la segunda
etapa está en el mismo plano longitudinal que la primera etapa. El
conducto de escape 23 de la primera etapa motor está unido a través
de un intercambiador aire-aire 29 al conducto de
admisión 17B de la segunda etapa motor. En este tipo de
configuración, la primera etapa se dimensionará de tal manera que
al final de la reducción de presión motor, el aire del escape tenga
una presión residual que permita, después de su recalentamiento en
el intercambiador aire-aire, en el que va a aumentar
de presión y/o de volumen, tener una energía suficiente para
asegurar correctamente el funcionamiento de la etapa siguiente.
La figura 12 muestra un motor de cámara activa
monoenergía que funciona con un carburante fósil, el motor está
acoplado a un compresor 27 que alimenta con aire comprimido la
capacidad de trabajo 19 que comprende aquí un quemador 25
alimentado con energía mediante un recipiente de gas 26. El
funcionamiento general de la máquina es el mismo que el descrito
anteriormente.
El motor de cámara activa se ha descrito con un
funcionamiento con aire comprimido. Sin embargo, se puede utilizar
cualquier gas comprimido sin por ello cambiar la invención
descrita.
La invención no se limita a los ejemplos de
realizaciones descritos y representados, limitándose únicamente por
las reivindicaciones adjuntas.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante es sólo para conveniencia del lector. No forma parte
del documento de Patente Europea. Aunque se haya tenido un gran
cuidado en recoger las referencias, no puede excluirse la presencia
de errores u omisiones y por ello la EPO declina cualquier
responsabilidad a este respecto.
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Claims (20)
1. Motor de cámara activa que comprende al menos
un pistón motor (1) deslizante en un cilindro, (2) controlado por
un dispositivo de parada del pistón motor en el punto muerto
superior y alimentado por aire comprimido, o cualquier otro gas a
alta presión contenido en un depósito de almacenaje (22), cuya
presión se reduce a una presión media llamada presión de trabajo en
una capacidad de trabajo (19) preferentemente mediante un
dispositivo reductor de presión dinámico caracterizado:
- -
- Por el hecho de que la cámara de expansión está constituida por un volumen variable dotado de medios que permiten producir un trabajo y está acoplada y en contacto permanente mediante un paso (12), con el espacio dispuesto encima del pistón motor (1),
- -
- Por el hecho de que, durante la parada del pistón motor (1) en su punto muerto superior, el aire o el gas bajo presión es admitido en la cámara de expansión cuando está tiene su volumen mínimo y que, bajo el empuje de este aire bajo presión, esta última aumentará su volumen produciendo un trabajo,
- -
- Por el hecho de que, puesto que la cámara de expansión se mantiene sensiblemente a su volumen máximo, el aire comprimido que contiene se expande a continuación en el cilindro motor (2) empujando así el pistón motor (1) en su carrera descendente suministrando a su vez un trabajo,
- -
- Por el hecho de que durante la carrera ascendente del pistón motor (1) durante el tiempo de escape el volumen variable de la cámara de expansión vuelve a su volumen mínimo para volver a empezar un ciclo de trabajo completo.
2. Motor de cámara activa según la
reivindicación 1 caracterizado por el hecho de que el ciclo
de trabajo de la cámara activa en relación con el ciclo del pistón
motor comprende las tres fases siguientes:
- -
- durante la parada del pistón motor en su punto muerto superior: admisión de una carga en la cámara activa que produce un trabajo aumentando su volumen,
- -
- durante la carrera de reducción de presión del pistón motor: mantenimiento a un volumen predeterminado que es el volumen real de la cámara de expansión,
- -
- durante el tiempo de escape del pistón motor: vuelta de la cámara activa a su volumen mínimo para permitir la renovación del ciclo.
3. Motor de cámara activa según las
reivindicaciones 1 y 2 cuyo ciclo termodinámico de funcionamiento en
modo monoenergía aire comprimido se caracteriza por una
reducción de presión isotérmica sin trabajo con conservación de
energía, realizada entre el depósito de almacenaje de aire
comprimido de alta presión y la capacidad de trabajo, seguida de
una transferencia acompañada de una muy ligera reducción de presión
en el cilindro de carga llamada
casi-isotérmica con trabajo, y seguida de una reducción de presión politrópica con trabajo en el cilindro motor y finalmente, de un escape a presión atmosférica, es decir las cuatro fases siguientes:
casi-isotérmica con trabajo, y seguida de una reducción de presión politrópica con trabajo en el cilindro motor y finalmente, de un escape a presión atmosférica, es decir las cuatro fases siguientes:
- -
- una reducción de presión isotérmica sin trabajo,
- -
- un transferencia - ligera reducción de presión con trabajo llamado casi isotérmico,
- -
- una reducción de presión politrópica con trabajo,
- -
- un escape a presión ambiente.
4. Motor de cámara activa según las
reivindicaciones 1 a 3 caracterizado por el hecho de que la
capacidad de trabajo (19) comprende un dispositivo de
recalentamiento (25, 26) de aire comprimido con una energía
adicional fósil u otra, permitiendo dicho dispositivo aumentar la
temperatura y/o la presión del aire que la atraviesa.
5. Motor de cámara activa según la
reivindicación 4 caracterizado por el hecho de que el
recalentamiento del aire comprimido se asegura mediante la
combustión de un carburante -fósil o biológico- directamente en el
aire comprimido, siendo entonces el motor llamado a combustión
externa interna.
6. Motor de cámara activa según la
reivindicación 4 caracterizado por el hecho de que el
recalentamiento del aire contenido en la capacidad de trabajo se
asegura mediante la combustión de un carburante -fósil o biológico-
mediante un intercambiador, en el que la llama no tiene contacto con
el aire comprimido; en este caso el motor se llama de combustión
externa-externa.
7. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones 4 a 6 caracterizado por el hecho de que
el recalentador térmico utiliza un proceso termoquímico de reacción
gas sólido basado en la transformación por evaporación de un fluido
reactivo contenido en un evaporador, por ejemplo amoníaco líquido en
un gas que reacciona con un reactivo sólido contenido en un
reactor, por ejemplo sales tales como los cloruros de calcio, de
manganeso, de bario u otras cuya reacción química produce calor, y
que, cuando la reacción finaliza, puede ser regenerado aportando
calor al reactor para provocar la desorción del amoniaco gaseoso que
volverá a condensarse en el evaporador.
8. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones 4 a 7 cuyo ciclo termodinámico en
funcionamiento bi-energía en modo energía adicional
se caracteriza por una reducción de presión isotérmica sin
trabajo con conservación de energía realizada en la capacidad de
trabajo, por un aumento de la temperatura mediante el
recalentamiento del aire por una energía fósil, seguida de una muy
ligera reducción de presión llamada casi-isotérmica
con trabajo, de una reducción de presión politrópica con trabajo en
el cilindro motor y finalmente de un escape a presión atmosférica
que representa 5 fases sucesivas como las siguientes:
- -
- una reducción de presión isotérmica,
- -
- un aumento de la temperatura,
- -
- una transferencia - ligera reducción de presión con trabajo llamado casi isotérmico,
- -
- una reducción de presión politrópica con trabajo,
- -
- un escape a presión ambiente.
9. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho de
que el par y el régimen del motor son controlados por el control de
la presión en la capacidad de trabajo (19).
10. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho
de que, durante el funcionamiento en modo bi-energía
con energía adicional, un calculador electrónico controla la
cantidad de energía aportada en función de la presión del aire
comprimido y por lo tanto la masa de aire introducida en dicha
capacidad de trabajo.
11. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho
de que el volumen de la cámara activa está constituido por un pistón
(14) llamado pistón de carga deslizante por un cilindro (13) y
unido mediante una biela (15) al cigüeñal del motor (9) según una
cinemática clásica.
12. Motor de cámara activa según la
reivindicación 11 caracterizado por el hecho de que la
carrera del pistón de carga (14) se determina de tal manera que,
cuando el volumen escogido como volumen de cámara ha sido alcanzado
y durante la carrera descendente del pistón motor (1), el pistón de
carga (14) termina su carrera descendente y empieza su carrera
ascendente para alcanzar su punto muerto superior sensiblemente al
mismo tiempo que el pistón motor alcanza su propio punto muerto
superior.
13. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores caracterizado por el hecho
de que, para permitir el funcionamiento autónomo durante su
utilización con energía adicional y/o cuando el depósito de
almacenaje de aire comprimido (22) está vacío, el motor de cámara
activa según la invención está acoplado a un compresor de aire (27)
que permite alimentar con aire comprimido el depósito de almacenaje
de aire comprimido de alta presión (22).
14. Motor de cámara activa según la
reivindicación 13 anterior caracterizado por el hecho de que
el compresor de aire (27) alimenta directamente la capacidad de
trabajo (19). En este caso, el control del motor es realizado
mediante el control por presión del compresor (27) y el reductor de
presión dinámico, (21) entre el depósito de almacenaje de alta
presión y la capacidad de trabajo, permanece obturado.
15. Motor de cámara activa según las
reivindicaciones 13 y 14 caracterizado por el hecho de que el
compresor de aire (27) acoplado alimenta simultáneamente o
sucesivamente en combinación el depósito de almacenaje (22) y la
capacidad de trabajo (19).
16. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores caracterizado por un
funcionamiento mono energía con un carburante fósil (u otro),
siendo la capacidad de trabajo (19) únicamente alimentada por el
compresor acoplado (27), quedando pura y simplemente suprimido el
depósito de almacenaje de aire comprimido de alta presión.
17. Motor de cámara activa según la
reivindicación 6 y cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16
caracterizado por el hecho de que el escape tras la
reducción de presión es recirculado en la admisión del compresor
acoplado.
18. Motor de cámara activa según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores que funciona con monoenergía aire
comprimido caracterizado por el hecho de que el motor está
constituido por varias etapas de reducción de presión de cilindrada
creciente, comprendiendo cada etapa una cámara activa según la
invención y por el hecho de que, entre cada etapa, se dispone un
intercambiador (29) que permite recalentar el aire del escape de la
etapa anterior.
\newpage
19. Motor de cámara activa según la
reivindicación 18 que funciona en bi-energía
caracterizado por el hecho de que el intercambiador
dispuesto entre cada etapa está dotado de un dispositivo de
recalentamiento con energía adicional.
20. Motor de cámara activa según las
reivindicaciones 18 y 19 caracterizado por el hecho de que
los intercambiadores y el dispositivo de recalentamiento están
combinados juntos o separadamente en un dispositivo con varias
etapas que utilizan la misma fuente de energía.
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