ES2302829T3

ES2302829T3 - Motor de combustion interna de cuatro tiempos dividido.

Info

Publication number: ES2302829T3
Application number: ES02756400T
Authority: ES
Inventors: Carmelo J. Scuderi
Original assignee: Scuderi Group Inc
Current assignee: Scuderi Group Inc
Priority date: 2001-07-20
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2008-08-01
Anticipated expiration: 2022-07-08
Also published as: CN1724855A; ATE388313T1; KR100710916B1; CA2490405A1; AR037999A1; US20050139178A1; CN1221731C; JP2006097692A; RU2004105143A; US20030015171A1; US6609371B2; AU2002322411B2; BR0211335B1; US6543225B2; DE60225451D1; KR20040021638A; US7017536B2; CN1533471A; CN100378303C; BR0211335A

Abstract

Un método de funcionamiento de motor, que comprende: un motor que cuente con: un cigüeñal (108), que rote sobre un eje del cigüeñal (110) del motor (100): un pistón de expansión (114) conectado mediante un sistema deslizante en un primer cilindro (104) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de expansión oscila durante un tiempo de expansión y un tiempo de escape de un ciclo de cuatro tiempos durante una única rotación del cigüeñal; un pistón de compresión (116) recibido mediante un sistema deslizante dentro un segundo cilindro (106) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de compresión oscile durante un tiempo de admisión y compresión del mismo ciclo de cuatro tiempos en la misma rotación del cigüeñal; y un paso de gas (144) que interconecte el primero y segundo cilindros (104-106) y que tenga una válvula de admisión (146) y una válvula de escape (150) con una cámara de presión definida (148) entre ellas, en donde la válvula de admisión (146) y la válvula de escape (150) del paso del gas mantengan básicamente al menos unas condiciones predeterminadas de ignición de la presión del gas en la cámara de presión durante el ciclo completo de cuatro tiempos; y una rotación del cigüeñal (108) de al menos 20 grados mas allá de una posición en la que el pistón de expansión (114) esté en su punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

Description

Motor de combustión interna de cuatro tiempos dividido.

Campo de la invención

La presente invención hace referencia a los motores de combustión interna. Más concretamente, esta invención hace referencia a un motor de combustión interna de ciclo de cuatro tiempos con un par de pistones desplazados en el que uno de los pistones del par se utiliza para los tiempos de admisión y compresión, y el otro pistón del par se utiliza para los tiempos de expansión y escape, con cada ciclo de cuatro tiempos completo en una revolución del cigüeñal.

Antecedentes de la invención

Los motores de combustión interna son parte de un grupo de mecanismos en los que los componentes dinámicos de la combustión, es decir, el oxidante y el combustible y los productos de la combustión, actúan como los fluidos activos del motor. Los componentes básicos de los motores de combustión interna son muy conocidos en el campo técnico, e incluyen el bloque del motor, la culata, los cilindros, los pistones, las válvulas, el cigüeñal y el árbol de levas. Las culatas, los cilindros y las coronas de los pistones forman unas cámaras de combustión en las que se introducen el combustible y el oxidante (es decir, el aire) para que se genere la combustión. Estos motores consiguen la energía gracias al calor que se libera durante la combustión de los fluidos activos que no han reaccionado, es decir, la mezcla del oxidante y el combustible. Este proceso tiene lugar dentro del motor, y es parte del ciclo termodinámico del mecanismo. En todos los motores de combustión interna, la potencia útil se genera a partir del calor, de los productos gaseosos de la combustión que actúan directamente sobre las superficies móviles del motor, como la cabeza o corona de un pistón. Por lo general, el movimiento oscilante de los pistones se transforma en un movimiento de rotación de un cigüeñal gracias a las bielas.

Los motores de combustión interna (CI) se pueden clasificar en motores de ignición por chispa (ECh) y de ignición por compresión (ECo). Los motores ECh, es decir, los motores de gasolina típicos, utilizan una chispa para encender la mezcla de aire-combustible, mientras que el calor de compresión enciende la mezcla de aire-combustible en los motores ECo, es decir, en los motores diésel típicos.

El motor de combustión interna más común es el motor de ciclo de cuatro tiempos, un concepto cuyo diseño básico no ha sufrido cambios desde hace más de 100 años. Esto se debe a que su rendimiento excepcional lo posiciona como una de las fuerzas motrices principales en el sector del transporte. En los motores de cuatro tiempos, la potencia se genera a partir de un proceso de combustión de cuatro movimientos de pistón (tiempos) de un único pistón. A los efectos de este documento, un tiempo se define como un movimiento completo de un pistón desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior o viceversa. Por consiguiente, un motor de ciclo de cuatro tiempos se define aquí como un motor que requiere cuatro tiempos completas de uno o más pistones para cada tiempo de expansión, es decir, para cada tiempo que proporciona trabajo a un cigüeñal.

En lo que respecta a las Figuras 1-4, en 10 se muestra un modo de realización a modo de ejemplo de un motor de combustión interna de cuatro tiempos según la técnica previa. A efectos de comparación, las siguientes cuatro Figuras 1-4 describen lo que se denominará un "motor estándar" 10 según las técnicas anteriores. Tal y como se explicará más adelante con más detalle, este motor estándar 10 es un motor ECh con un pistón de 4 pulgadas de diámetro {10,02 metros}, un tiempo de 4 pulgadas y una relación de compresión de 8 a 1. La relación de compresión se define como el volumen máximo de una masa predeterminada de mezcla de aire-combustible ante un tiempo de compresión, dividido entre el volumen de la masa de mezcla de aire-combustible en el punto de ignición. Para los motores estándar, la relación de compresión es básicamente la relación del volumen en el cilindro 14 cuando el pistón 16 está en el punto muerto inferior con el volumen del cilindro 14 cuando el pistón 16 está en el punto muerto superior.

El motor 10 cuenta con un bloque del motor 12 que tiene un cilindro 14 que se extiende a través de él. El cilindro 14 está diseñado para recibir al pistón recíproco 16. Adjunto a la parte superior del cilindro 14 está la cabeza del cilindro 18, que cuenta con una válvula de admisión 20 y una válvula de escape 22. La culata 18, el cilindro 14 y la cabeza (o corona 24) del pistón 16 forman la cámara de combustión 26. En el tiempo de admisión (Fig. 1), se introduce una mezcla de aire y combustible en la cámara de combustión 26 a través de un paso interno 28 y la válvula de admisión 20, donde la mezcla se enciende mediante una bujía 30. Posteriormente, los productos de la combustión se expulsarán a través de la válvula de escape 22 y el tubo de escape 32 en el tiempo de escape (Fig. 4). Hay una biela 34 conectada mediante una articulación en su extremo distal 36 al pistón 16. El cigüeñal 38 cuenta con una parte mecánica desplazada llamada el brazo del cigüeñal 40, que está conectado al extremo distal inferior 42 de la biela 34. La conexión mecánica de la biela 34 al pistón 16 y al brazo del cigüeñal 40 sirve para convertir el movimiento oscilante (tal y como indica la flecha 44) del pistón 16 en el movimiento de rotación (tal y como indica la flecha 46) del cigüeñal 38. El cigüeñal 38 está unido (no se muestra) a un árbol de levas de admisión 48 y a un árbol de levas de escape 50, que
controlan de forma precisa la apertura y cierre de la válvula de admisión 20 y la válvula de escape 22 respectivamente.

El cilindro 14 tiene un eje (eje pistón-cilindro) 52, que es también el eje del movimiento oscilante del pistón 16. El cigüeñal 38 tiene un centro de rotación (eje del cigüeñal) 54. A los efectos de estas explicaciones, la dirección de rotación 46 del cigüeñal 38 será en el sentido de las agujas del reloj según se ve en la hoja. El eje 52 del cilindro 14 pasa directamente a través del centro de rotación 54 del cigüeñal 38.

Respecto a la Figura 1, con la válvula de admisión 20 abierta, el pistón 16 primero desciende (tal y como indica la dirección de la flecha 44) en el tiempo de admisión. Se crea un vacío parcial que atrae hacia la cámara de combustión 26 una masa predeterminada de mezcla explosiva de combustible (vapor de gasolina) y aire. El pistón sigue descendiendo hasta que alcanza su punto muerto inferior (PMI), el punto en que el pistón está en su punto más alejado de la culata 18.

En lo que respecta a la Figura 2, con ambas válvulas de admisión 20 y escape 22 cerradas, la mezcla se comprime mientras que el pistón 16 asciende (tal y como indica la dirección de la mezcla 44) en el tiempo de compresión. A medida que el extremo del tiempo se acerca al punto muerto superior (PMS), es decir, el punto en que el pistón 16 está más cerca de la culata 18, el volumen de la mezcla se comprime hasta un octavo de su volumen inicial (debido a la relación de compresión de 8 a 1). A continuación, la mezcla se enciende gracias a una chispa eléctrica emitida por la bujía 30.

En cuanto a la Figura 3, el tiempo de expansión continúa con ambas válvulas 20 y 22 aún cerradas. El pistón 16 desciende hacia abajo (tal y como indica la flecha 44) hacia el punto muerto inferior (PMI), debido a la expansión del gas quemado sobre la corona 24 del pistón 16. Dado que la bujía 30 se enciende cuando el pistón 16 está en o cerca del PMS, es decir, en la posición de ignición, la presión de la combustión (indicada por la flecha 56) ejercida por el gas encendido sobre el pistón 16 está en su punto máximo en este momento. Esta presión 56 se transmite a través de la biela 34 y se transforma en una fuerza tangencial o par motor (tal y como indica la flecha 58) sobre el cigüeñal.

Cuando el pistón 16 está en su posición de ignición, existe una distancia significativa 60 entre la parte superior del cilindro 14 y la corona 24 del pistón 16. Normalmente, la distancia de separación es de entre 0,5 {12,7 milímetros} y 0,6 pulgadas {15,24 milímetros}. Para el motor estándar 10 ilustrado, la distancia de separación es de 0,571 pulgadas {14,50 milímetros}. Cuando el pistón 16 está en su posición de ignición, las condiciones son óptimas para la ignición, es decir, con las condiciones de encendido óptimas. A efectos de comparación, las condiciones de ignición de este modelo de motor 10 ejemplo son: 1) Un pistón con un diámetro de 4 pulgadas {10,02 metros}, 2) un espacio muerto de 7,181 pulgadas cúbicas {117,67 cm^{3}}, 3) una presión antes de la ignición de aproximadamente 270 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) {18,98 Kg./cm^{2}}, 4) una presión de combustión máxima después de la ignición de aproximadamente 1200 psia {84,37 Kg/cm^{2}} y 5) que trabaje a 1400 RPM.

El espacio muerto 60 corresponde normalmente a la relación de compresión de 8 a 1. Por norma general, los motores ECh funcionan de forma óptima con una relación de compresión fija dentro de una escala de entre 6,0 a 8,5, mientras que las relaciones de compresión de los motores ECo suelen estar entre 10 y 16. La posición de ignición del pistón 16 suele estar en o cerca del PMS, y representa el volumen y la presión óptimos para que la mezcla combustible-aire se encienda. En caso de que el espacio muerto 60 fuera más pequeño, la presión aumentaría rápidamente.

En cuanto a la Figura 4, durante el tiempo de escape, el pistón 16 ascendente obliga a que los productos consumidos de la combustión atraviesen la válvula 22 de escape (o expulsión) abierta. A continuación, el ciclo se repite. Para este motor de cuatro tiempos según la técnica previa 10, para completar un ciclo, es decir, para conseguir un tiempo de expansión, se necesitan cuatro tiempos de cada pistón 16, es decir, admisión, compresión, expansión y escape, y dos revoluciones del cigüeñal 38.

El problema es que el rendimiento termodinámico global del motor 10 de cuatro tiempos es de tan sólo un tercio (1/3). Es decir, 1/3 del trabajo se entrega en el cigüeñal, 1/3 se pierde en calor residual, y 1/3 se pierde durante el escape.

Tal y como se muestra en las Figuras 3 y 5, una de las principales razones de este rendimiento tan bajo es el hecho de que el par motor más alto y la presión mayor de combustión quedan bloqueadas de forma inherente fuera de fase. La Figura 3 muestra la posición del pistón 16 al principio del tiempo de expansión, cuando el pistón 16 está en su posición de ignición en o cerca de del PMS. Cuando la bujía 30 se enciende, el combustible encendido ejerce la máxima presión de combustión 56 sobre el pistón 16, que se transmite a través de la biela 34 al brazo del cigüeñal 40 del cigüeñal 38. Sin embargo, en esta posición, la biela 34 y el brazo del cigüeñal 40 se alinean con el eje 52 del cilindro 14. Por tanto, el par motor 58 queda casi perpendicular a la dirección de la fuerza 56, en su valor mínimo. El cigüeñal 38 debe depender de la velocidad generada por un volante conectado (no se muestra) para que rote respecto de esta posición.

En lo que respecta a la Figura 5, dado que el gas encendido se expande por la cámara de combustión 26, el pistón 16 desciende y la presión de combustión 56 disminuye. No obstante, dado que el brazo del cigüeñal 40 rota respecto del eje 52 y el PMS, la fuerza o par motor 58 tangencial empieza a crecer. El par motor 58 alcanza un valor máximo cuando el brazo del cigüeñal 40 rota aproximadamente 30 grados delante del eje 52. La rotación, pasado ese punto, provoca que la presión 56 caiga tanto que el par motor 58 empieza a volver a disminuir, hasta que tanto la presión 56 como el par motor 58 alcanzan el mínimo en el PMI. Por tanto, el punto de par motor 58 máximo y el punto de presión de combustión 56 máximo quedan bloqueados de forma inherente fuera de fase por aproximadamente 30 grados.

En cuanto a la Figura 6, este concepto puede ilustrarse con más detalle. Aquí, en 62, se muestra un gráfico de fuerza o par motor tangencial frente a los grados de rotación desde el PMS hasta el PMI para el motor 10 estándar según la técnica previa. Además, en 64 se muestra un gráfico de la presión de la combustión frente a los grados de rotación desde el PMS hasta el PMI para el motor 10. Los cálculos para los gráficos 62 y 64 se basan en el motor estándar 10 según la técnica previa con un tiempo de cuatro pulgadas {10,16 cm.}, un pistón con un diámetro de cuatro pulgadas {10,16 cm.} y una presión máxima de combustión en la ignición de unos 1200 PSIA {84,37 kg de fuerza/cm^{2} absoluto}. Como puede comprobarse en los gráficos, el punto de máxima presión de combustión 66 se da aproximadamente a 0 grados desde el PMS, y el punto de par motor 68 máximo se da aproximadamente 30 grados más tarde, cuando la presión 64 se ha reducido de forma considerable. Ambos gráficos 62 y 64 se acercan a sus valores máximos en el PMI, o aproximadamente a 180 grados de rotación después del PMS.

Una forma alternativa de aumentar el rendimiento termodinámico de un motor con ciclo de cuatro tiempos es aumentar la relación de compresión del motor. Sin embargo, las fábricas de automoción se han dado cuenta de que los motores ECh suelen funcionar de forma óptima con una relación de compresión dentro de una escala de entre 6,0 y 8,5, mientras que los motores ECo suelen funcionar mejor dentro de una relación de compresión de entre 10 y 16. Esto se debe a que mientras las relaciones de compresión de los motores ECh y ECo aumentan de forma significativa si sobrepasan las escalas mencionadas, se originan otro tipo de problemas, que son considerablemente peores que las ventajas generadas. Por ejemplo, el motor debe ser más pesado y voluminoso para poder gestionar las mayores presiones generadas. Y también empiezan a darse problemas de ignición prematura, sobre todo en los motores ECh.

Se han patentado varios diseños de motores exóticos prematuros. Sin embargo, ninguno fue capaz de ofrecer mejores rendimientos ni otras ventajas significativas que pudieran sustituir al motor 10 estándar explicado más arriba. Algunas de estas patentes prematuras son: Patentes estadounidenses N.º 848.029; 939.376; 1.111.841; 1.248.250; 1.301.141; 1.392.359; 1.856.048; 1.969.815; 2.091.410; 2.091.411; 2.091.412; 2.091.413; 2.269.948; 3.895.614, Patente británica N.º 299.602; Patente británica N.º 721.025 y Patente italiana N.º 505.576.

Especialmente, la Patente estadounidense N.º 1.111.841 de Koening revelaba un diseño según la técnica previa de un pistón/cilindro en el que los tiempos de admisión y compresión se llevaban a cabo en una combinación de compresión del pistón 12 y cilindro 11, y los tiempos de expansión y escape se llevaban a cabo en una combinación del motor del pistón 7 y cilindro 8. Cada pistón 7 y 12 se mueve de manera oscilante en un eje de pistón cilindro que cruza un cigüeñal 5 único (ver Fig. 3). Una cámara térmica 24 conecta las culatas del motor y de la compresión, con un extremo abierto del cilindro del motor, y el otro extremo cerrado, que cuenta con una boca de descarga 19 con válvula que comunica con el cilindro compresor. Hay un intercambiador 15 de calor enfriado por agua en la parte superior del cilindro compresor 11 para enfriar el aire o la mezcla de aire y combustible a medida que se comprime. También hay un conjunto de placas térmicas 25 espaciadas dentro de la cámara térmica 24 para volver a calentar el gas comprimido previamente enfriado a medida que pasa por allí.

Se creía que el motor ganaría rendimiento facilitando la compresión del gas mediante su enfriamiento. Así, el gas se recalentaba en la cámara térmica para incrementar su presión hasta el punto en que se daría la ignición eficaz. En el tiempo de escape, los gases calientes de escape volvían a través de la cámara térmica y salían por un puerto 26 de escape en un esfuerzo para volver a calentar la cámara térmica.

Por desgracia, la transferencia de gas en todos los motores según la técnica previa de diseño de un pistón separado siempre requiere más trabajo, lo que reduce el rendimiento. Además, la expansión añadida desde la cámara térmica al cilindro del motor de Koenig también reducía la relación de compresión. El motor 10 estándar no necesita este proceso de transferencia ni el trabajo asociado adicional. Además, el enfriamiento y recalentamiento del gas, hacia delante y hacia detrás por la cámara térmica, no facilitaba las ventajas suficientes para compensar las pérdidas de gas que se producían durante la transferencia de gas. Por ello, la patente de Koenig perdía rendimiento y una relación de compresión relativa frente al motor 10 estándar.

A los efectos de este documento, el eje del cigüeñal se define como una parte escindida del eje del pistón-cilindro cuando el eje del cigüeñal y el eje del pistón-cilindro no se cruzan. La distancia entre el eje del cigüeñal extendido y el eje del pistón-cilindro extendido tomada en una línea perpendicular al eje del pistón-cilindro se define como el desplazamiento. Normalmente, los pistones desplazados se conectan al cigüeñal mediante las bielas conocidas y los brazos del cigüeñal. Sin embargo, cualquier persona versada en esta técnica reconocería que los pistones desplazados pueden estar operativamente conectados a un cigüeñal mediante otro tipo de conexiones mecánicas. Por ejemplo, un primer pistón puede estar conectado a un primer cigüeñal, y un segundo pistón puede estar conectado a un segundo cigüeñal, y los dos cigüeñales pueden estar operativamente conectados entre sí mediante un sistema de engranajes. De manera alternativa, los brazos de las palancas articuladas u otro tipo de conexiones mecánicas pueden utilizarse junto con, o en lugar de, las bielas y los brazos del cigüeñal para conectar de forma operativa los pistones desplazados al cigüeñal.

Hay tecnologías relacionadas con motores de combustión interna de pistones oscilantes en los que los ejes del cigüeñal están desplazados, es decir, no se cruzan con los ejes pistón-cilindro que se describen en las Patentes N.º 810.347; 2.957.455; 2.974.541; 4.628.876; 4.945.866; y 5.146.884; en el documento de patente japonesa 60-256.642; en el documento de patente de la Unión Soviética 1551-880-A; en los Procedimientos de la Convención de la Japanese Society of Automotive Engineers {asociación japonesa de ingenieros automovilísticos} (JSAE) de fecha 1996, número 966, páginas 129-132. De conformidad con las descripciones que aparecen en dichas publicaciones, las diversas geometrías de motoras están motivadas por distintas consideraciones, entre las que se incluyen las mejoras en la expansión y par motor y en las reducciones de la fricción y la vibración. Además, los motores en línea o los que el eje del cigüeñal está desplazado respecto de los ejes del pistón se utilizaron en los motores de carreras de principios del siglo veinte.

No obstante, todas las mejoras adquiridas se debieron únicamente al aumento de los ángulos del par motor sobre el tiempo de expansión. Por desgracia, tal y como se explicará con más detalle más adelante, cuanto mayor era la ventaja del desplazamiento para el tiempo de expansión, esta también iba acompañada de un inconveniente para el tiempo de compresión. Por tanto, el grado de desplazamiento se transforma rápidamente en un elemento limitador, en el que las ventajas sobre el par motor, la potencia, la fricción y la vibración sobre el tiempo de trabajo no superan los inconvenientes de las mismas funciones sobre el tiempo de compresión. De igual modo, no se trató ni se enseñó ninguna ventaja acerca de los desplazamientos para optimizar el tiempo de compresión.

Un ejemplo fue un intento reciente de la técnica anterior para aumentar el rendimiento en un diseño de un motor 10 estándar mediante el uso del desplazamiento en la Patente estadounidense N.º 6.058.901 de Lee. Lee creía que se conseguiría mayor rendimiento si reducía las fuerzas de fricción de los segmentos de los pistones en las paredes laterales durante la duración completa de dos revoluciones en un ciclo de cuatro tiempos (ver Lee, columna 4, líneas 10-16). Lee trata de conseguirlo mediante un cilindro desplazado, en el que se controla la duración de la combustión dentro de cada cilindro para que se origine la máxima presión de combustión cuando un plano imaginario que cuenta tanto con un eje de conexión de una biela con su pistón respectivo, y un eje de conexión de la biela con un brazo del cigüeñal coinciden notablemente con el eje respectivo del cilindro en el que oscila el pistón.

Sin embargo, aunque el desplazamiento es una ventaja durante el tiempo de expansión, esto se convierte en un inconveniente durante el tiempo de compresión. Esto se debe a que cuando el pistón asciende desde el punto muerto inferior hacia el punto muerto superior durante el tiempo de compresión, el eje del pistón-cilindro desplazado forma un ángulo entre el brazo del cigüeñal y la biela que reduce el par motor aplicado al pistón. Además, las fuerzas laterales que resultan de los pocos ángulos del par motor en el tiempo de compresión aumentan el desgaste de los segmentos de los pistones. Por consiguiente, deberá consumirse una cantidad de trabajo mayor para comprimir el gas y completar el tiempo de compresión mientras aumenta el desplazamiento. Por ello, la cantidad de desplazamiento queda gravemente limitada por sus propios inconvenientes en el lado de la compresión. Así, los grandes desplazamientos de la técnica previa, es decir, desplazamientos en los que el cigüeñal debe rotar al menos 20 grados desde la posición de punto muerto superior de los pistones antes de que un pistón pueda alcanzar una posición de ignición, no se han utilizado, revelado ni enseñado. Como resultado, estos desplazamientos relativamente grandes necesarios para alinear notablemente el par motor máximo con la presión máxima de combustión no podían llevarse a cabo con la invención de Lee.

Los motores con Relación de Compresión Variable (RCV) son un tipo de motores de tecnología previa diseñados para aprovechar la variación de la relación de compresión en un motor y así aumentar su rendimiento. Un ejemplo típico de esto aparece en la Patente estadounidense N.º 4.955.328 de Sobotowski. Sobotowski describe un motor en el que la relación de compresión varía mediante la alteración de la relación de fase entre dos pistones que funcionan en cilindros interconectados mediante un puerto de transferencia que deja que el gas fluya en ambas direcciones.

Sin embargo, para alterar la relación de fase y así modificar las relaciones de compresión, son necesarios unos diseños de motor que aumentan enormemente su complejidad y disminuyen su utilidad. Por ejemplo, cada pistón del par de pistones debe oscilar durante los cuatro tiempos de un ciclo completo de cuatro tiempos, y debe moverlos un par de cigüeñales que rotan durante dos revoluciones completas por cada ciclo de cuatro tiempos. Además, las conexiones entre el par de cigüeñales se vuelven muy complejas y muy pesadas. De igual modo, el motor se limita al diseño de motores ECo, debido a las relaciones de compresión tan altas que se originan.

También se ha diseñado algunos motores especializados relativamente recientes según la técnica previa para tratar de aumentar el rendimiento del motor. Uno de estos motores se describe en la Patente estadounidense N.º5.546.897 de Brackett, titulada "International Combustion Engine with Stroke Specialized Cylindres (motor de combustión interna con cilindros de tiempo especializados)". En esta patente, el motor se divide en una sección de expansión y una sección de compresión. La sección de compresión envía el aire cargado a la sección de expansión, que utiliza un yugo escocés o conjuga un diseño de traslación de movimiento para aumentar el rendimiento. El motor especializado se puede describir como un motor horizontal opuesto en el que un par de pistones opuestos se mueven en direcciones opuestas dentro de un bloque de cilindros.

No obstante, el compresor está diseñado básicamente como un súper cargador que propaga el gas sobrecargado a la sección de expansión. Cada pistón de la sección de expansión debe moverse en los cuatro tiempos de admisión, compresión, expansión y escape, y cada cigüeñal implicado debe completar dos revoluciones completas por cada ciclo de cuatro tiempos. Asimismo, el diseño es complejo, caro y limitado a motores ECo muy especializados.

En la Patente estadounidense N.º 5.623.894 de Clarke, titulada "Dual Compression and Dual Expansion Engine" (motor de compresión dual y expansión dual) se describe otro diseño según la técnica previa. En ella, Clarke revela básicamente un motor especializado de dos tiempos en el que los pistones opuestos estaban dispuestos en un único cilindro que efectúa un tiempo de expansión y un tiempo de compresión. El único cilindro y las coronas de los pistones opuestos definen una cámara de combustión que está situada en una cubierta interna oscilante. La admisión y escape del gas dentro y fuera de la cámara de combustión se consigue mediante unos pistones cónicos especiales y la cubierta interna oscilante.

Aún así, el motor es un sistema muy especializado de dos tiempos en el que los pistones opuestos ejecutan cada uno un tiempo de compresión y un tiempo de expansión en el mismo cilindro. Además, el diseño es muy complejo y requiere cigüeñales duales, cuatro pistones y una cubierta interna oscilante para completar un ciclo de dos tiempos de una única revolución. De igual modo, el motor está limitado a unas aplicaciones amplias de motor Eco.

WO 01/16470 revela un motor de combustión interna con regenerador e ignición de aire caliente. La estadounidense 3.623.463 revela un motor de combustión interna de cuatro tiempos.

Por consiguiente, se hace necesaria la existencia de un motor de combustión interna de cuatro tiempos mejorado que pueda aumentar el rendimiento alineando más cerca el par motor y las curvas de fuerza generadas durante un tiempo de expansión sin aumentar las relaciones de compresión mucho más allá de los límites de diseño normalmente aceptados.

Descripción de la invención

La presente invención propone un método de funcionamiento de motor, que comprende:

: un motor que cuente con: un cigüeñal (108), que rote sobre un eje del cigüeñal (110) del motor (100): un pistón de expansión (114) conectado mediante un sistema deslizante en un primer cilindro (104) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de expansión pueda oscilar durante un tiempo de expansión y un tiempo de escape de un ciclo de cuatro tiempos durante una única rotación del cigüeñal; un pistón de compresión (116) conectado mediante un sistema deslizante en un segundo cilindro (106) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de compresión pueda oscilar durante un tiempo de admisión y compresión del mismo ciclo de cuatro tiempos en la misma rotación del cigüeñal; y un paso de gas (144) que interconecte el primero y segundo cilindros (104-106) y que tenga una válvula de admisión (146) y una válvula de escape (150) con una cámara de presión definida (148) entre ellas, en donde la válvula de admisión (146) y la válvula de escape (150) del paso del gas mantenga notablemente al menos unas condiciones predeterminadas de ignición de la presión del gas en la cámara de presión durante el ciclo completo de cuatro tiempos; y una rotación del cigüeñal (108) de al menos 20 grados mas allá de una posición en la que el pistón de expansión (114) esté en su punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

En uno de los modelos, el cigüeñal (108) rota 400 {sic} el método de la reivindicación 1, en la que el cigüeñal (108) rota 40 grados desde la posición en la que el pistón de expansión (114) esta en su posición de punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

En uno de los modelos, el método comprende también la ignición del pistón de expansión.

Esta invención también supone un motor que cuente con:

: un cigüeñal (108), que pueda rotar sobre un eje del cigüeñal (110) del motor (100):

: un pistón de expansión (114) conectado mediante un sistema deslizante en un primer cilindro (104) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de expansión oscila durante un tiempo de expansión y un tiempo de escape de un ciclo de cuatro tiempos durante una única rotación del cigüeñal;

: un pistón de compresión (116) conectado mediante un sistema deslizante en un segundo cilindro (106) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de compresión oscile durante un tiempo de admisión y compresión del mismo ciclo de cuatro tiempos en la misma rotación del cigüeñal;

caracterizado por un paso de gas (144) que interconecte el primero y segundo cilindro (104-106) y que tenga una válvula de admisión (146) y una válvula de escape (150) con una cámara de presión definida (148) entre ellas, en donde la válvula de admisión (146) y la válvula de escape (150) del paso del gas puedan controlarse para mantener notablemente al menos unas condiciones predeterminadas de ignición de la presión del gas en la cámara de presión durante el ciclo completo de cuatro tiempos;

el motor configurado de manera que el cigüeñal (108) rote al menos 20 grados, una posición en la que el pistón de expansión (114) esté en su punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

En uno de los modelos, el pistón de expansión dirige el pistón de compresión mediante un ángulo de fase modificado notablemente mayor que cero.

En uno de los modelos, el ángulo de fase modificado es de aproximadamente entre 30 y 60 grados.

En uno de los modelos, el ángulo de fase modificado es de 40 grados.

En uno de los modelos, el ángulo de fase modificado es básicamente de 50 grados.

En uno de los modelos, en funcionamiento, el cigüeñal (108) rota 40 grados respecto de la posición anterior, en la que el pistón de expansión (114) esta en su posición de punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

En uno de los modelos, el pistón de expansión (114) oscila dentro del primer cilindro (104), a lo largo del primer eje pistón-cilindro (113), y el primer eje del pistón-cilindro (113) cuenta con un desplazamiento respecto del eje del cigüeñal (110), de manera que el primer eje del pistón-cilindro (113) no se cruce con el eje del cigüeñal (110).

En uno de los modelos, el pistón de compresión (116) oscila dentro del segundo cilindro (106), a lo largo del segundo eje pistón-cilindro (115), y el segundo eje pistón-cilindro (115) cuenta con un desplazamiento respecto del eje del cigüeñal (110), de manera que el segundo eje pistón-cilindro (115) no se cruce con el eje del cigüeñal (110) y pase a una posición opuesta del eje del cigüeñal respecto del primer eje pistón-cilindro (113).

En uno de los modelos, el cigüeñal (108) tiene un primer brazo y un segundo brazo (130, 132);

el motor (100) cuenta con una primera biela (122) conectada con una articulación tanto al pistón de expansión (114) como al primer brazo (130) del cigüeñal (108), y una segunda biela (124) conectada mediante una articulación tanto al pistón de compresión (116) como al segundo brazo (132) del cigüeñal (108).

En uno de los modelos, la primera y segunda bielas (122,124) tienen, cada una, una curvatura angular de tal magnitud que, en funcionamiento, la biela despeja el extremo inferior de dicha biela del primero y segundo cilindros (104, 106).

En uno de los modelos, los brazos (130, 132) tienen una longitud notablemente distinta.

En uno de los modelos, los pistones de expansión y compresión (114, 116) tienen diámetros (202, 204) que son notablemente diferentes.

Breve descripción de los diseños

Fig. 1. Es un diagrama esquemático de un motor de cuatro ciclos según la técnica previa durante el tiempo de admisión;

Fig. 2. Es un diagrama esquemático del motor según la técnica previa de la Fig. 1 durante el tiempo de compresión;

Fig. 3. Es un diagrama esquemático del motor según la técnica previa de la Fig. 1 durante el tiempo de expansión;

Fig. 4. Es un diagrama esquemático del motor según la técnica previa de la Fig. 1 durante el tiempo de escape;

Fig. 5. Es un diagrama esquemático del motor según la técnica previa de la Fig. 1 cuando el pistón alcanza la posición de par motor máximo;

Fig. 6. Es una representación gráfica del par motor y de la presión de combustión en el motor según la técnica previa de la Fig. 1;

Fig. 7. Es un diagrama esquemático de un motor de acuerdo con la presente invención durante los tiempos de escape y admisión;

Fig. 8. Es un diagrama esquemático del motor de la Fig. 7 cuando el pistón acaba de alcanzar el punto muerto superior (PMS) al principio del tiempo de expansión;

Fig. 9. Es un diagrama esquemático del motor de la Fig. 7, cuando el pistón ha alcanzado su posición de ignición;

Fig. 10. Es una representación gráfica del par motor y de la presión de combustión en el motor de la Fig. 7; y

Fig. 11. Es un diagrama esquemático de un modelo alternativo de un motor de conformidad con la presente invención con brazos y diámetros de pistones desiguales.

Descripción detallada de los modelos preferidos

En 100 se muestra de forma general un modelo ejemplar, referido a la Fig. 7, de un motor de combustión interna de cuatro tiempos conforme a la presente invención. El motor 100 incluye un bloque del motor 102 con un primer cilindro 104 y un segundo cilindro 106 que se extienden a partir de él. Hay un cigüeñal 108 con un cojinete para la rotación en un eje del cigüeñal 110 (que se extiende de forma perpendicular al plano del papel).

El bloque del motor 102 es el elemento estructural principal del motor 100, y se extiende hacia arriba desde el cigüeñal 108 hasta la conexión con la culata 112. El bloque del motor 102 sirve como armazón estructural del motor 100, y suele albergar la plataforma en la que se soporta el motor dentro del chasis (no se muestra). El bloque del motor 102 suele ser una pieza con unas superficies labradas de forma adecuada y unos orificios estriados para albergar la culata 112 y otros elementos del motor 100.

Los cilindros 104 y 106 son aperturas, normalmente de secciones transversales circulares, que se extienden por la parte superior del bloque del motor 102. Los cilindros se definen como las cámaras en las que oscilan los pistones de un motor, y no tienen que tener secciones transversales circulares, es decir, suelen ser elípticas o en forma de media luna.

Las paredes internas de los cilindros 104 y 106 están perforadas y pulidas, y forman superficies de contacto suaves, precisas y con forma para albergar el primer pistón de expansión 114 y el segundo pistón de compresión 116 respectivamente. El pistón de expansión 114 oscila por el primer eje del pistón-cilindro 113, y el pistón de compresión 116 oscila por el segundo eje del pistón-cilindro 115. El primer y segundo cilindro 104 y 106 están dispuestos en el motor 100 de tal modo que el primer y segundo ejes del pistón-cilindro 113 y 115 pasan por lados opuestos del eje del cigüeñal 110 sin cruzar el eje del cigüeñal 110.

Los pistones 114 y 116 suelen ser piezas cilíndricas con forma de cúpula de acero o aleación de aluminio. Los extremos superiores cerrados, es decir, las partes de arriba, de los pistones de expansión y compresión 114 y 116 son la primera y segunda coronas 118 y 120 respectivamente. Las superficies externas de los pistones 114 y 116 suelen tener orificios para que encaje el diámetro del cilindro, y suelen estar estriados para albergar los segmentos de los pistones (no se muestran), que sellan el espacio que queda entre los pistones y los laterales del cilindro.

La primera y segunda bielas 112 y 124 cuentan cada una de ellas con una curvatura angular 121 y 123 respectivamente. Las bielas 122 y 124 están conectadas mediante una articulación de sus extremos superiores 126 y 128 a los pistones de expansión y compresión 114 y 116 respectivamente. El cigüeñal 108 cuenta con un par de segmentos desplazados mecánicamente denominados primer y segundo brazos 130 y 132, que están conectados mediante una articulación a los extremos inferiores opuestos 134 y 136 de la primera y la segunda bielas 122 y 124 respectivamente. Las conexiones mecánicas de las bielas 122 y 124 a los pistones 114, 116 y a los brazos del cigüeñal 130, 132 sirven para convertir el movimiento oscilante de los pistones (tal y como indica la flecha de dirección 138 para el pistón de expansión 114, y la flecha de dirección 140 para el pistón de compresión 116) en un movimiento de rotación (tal y como indica la flecha de dirección 142) del cigüeñal 108. El primer eje del pistón-cilindro 113 está desplazado de modo que se sitúa en el medio plano imaginario a través del cual rota el primer brazo del cigüeñal 130 desde su posición de punto muerto superior hacia su posición de punto muerto inferior. El segundo eje del pistón-cilindro 115 está desplazado respecto del medio plano imaginario opuesto.

Aunque este modelo muestra el primer y segundo pistón 114 y 116 conectados directamente al cigüeñal 108 mediante las bielas 122 y 124 respectivamente, en el marco de esta invención hay otros medios que pueden emplearse para conectar de manera funcional los pistones 114 y 116 al cigüeñal 108. Por ejemplo, se puede usar un segundo cigüeñal para unir de forma mecánica los pistones 114 y 116 al primer cigüeñal 108.

La culata 112 cuenta con un paso para el gas 144 que interconecta los primer y segundo cilindros 104 y 106. El paso del gas cuenta con una válvula de admisión de retención 146 situada en el extremo distal del paso del gas 144 próximo al segundo cilindro 106. Además, hay una válvula de escape de resorte 150 situada en el extremo distal opuesto del paso del gas 144, próxima a la parte superior del primer cilindro 104. La válvula de admisión de retención 146 y la válvula de escape de resorte 150 delimitan una cámara de presión 148 entre ambas. La válvula de admisión 146 permite el flujo unidireccional de gas comprimido desde el segundo cilindro 106 hasta la cámara de presión 148. La válvula de escape 150 permite el flujo unidireccional del gas comprimido desde la cámara de presión 148 hasta el primer cilindro 104. Aunque las válvulas de retención y resorte se describen como las válvulas de entrada y escape 146 y 150 respectivamente, se podría utilizar cualquier diseño de válvula adecuado para la aplicación, es decir, que la válvula de admisión 146 podría ser también de resorte.

La culata 112 también cuenta con una válvula de admisión 152 de resorte situada sobre la parte superior del segundo cilindro 106, y una válvula de escape 154 de resorte situada sobre la parte superior del primer cilindro 104. Las válvulas de resorte 150, 152 y 154 suelen tener una varilla de metal 156 con un disco 158 en uno de los extremos ajustado para bloquear la apertura de la válvula. El otro extremo de las varillas 156 de las válvulas de resorte 150, 152 y 154 está unido de forma mecánica a los árboles de levas 160, 162 y 164 respectivamente. Los árboles de levas 160, 162 y 164 suelen ser unas barras redondas con unos lóbulos generalmente ovalados situados en el interior del bloque del motor 102 o en la culata 112.

Los árboles de levas 160, 162 y 164 están conectados de forma mecánica al cigüeñal 108 por lo general mediante una rueda dentada, una correa o una cadena (no se muestra). Cuando el cigüeñal 108 obliga a que los árboles de levas 160, 162 y 164 se muevan, los lóbulos de los árboles de levas 160, 162 y 164 hacen que las válvulas 150, 152 y 154 se abran y se cierren en los momentos exactos del ciclo del motor.

La corona 120 del pistón de compresión 116, las paredes del segundo cilindro 106 y la culata 112 conforman una cámara de compresión 166 para el segundo cilindro 106. La corona 118 del pistón de expansión 114, las paredes del primer cilindro 104 y la culata 112 conforman una cámara de combustión separada 168 para el primer cilindro 104. Hay una bujía 170 situada en la culata 112 sobre el primer cilindro 104 y está controlada por un mecanismo de control (no se muestra) que calcula los momentos exactos de la ignición de la mezcla de gas y aire comprimido en la cámara de combustión 168. Aunque este modelo describe un motor de ignición mediante chispa (ECh), cualquier persona que conozca la materia reconocería que los motores de ignición por compresión (ECo) entran dentro del marco de esta invención.

Durante el funcionamiento, el pistón de expansión 114 controla el pistón de compresión 116 mediante un ángulo de fase modificado 172, delimitado por los grados de rotación que el cigüeñal 108 debe rotar una vez que el pistón de expansión 114 ha alcanzado su posición de punto muerto superior para que el pistón de compresión 116 pueda alcanzar su posición de punto muerto superior respectivo. Es preferible que esta fase esté entre 30 y 60 grados. Para este modelo preferido en especial, la fase modificada se fija básicamente en 50 grados.

La Fig. 7 ilustra el pistón de expansión 114 cuando ha alcanzado su posición de punto muerto inferior (PMI) y acama de empezar a ascender (tal y como indica la flecha 138) en su tiempo de escape. El pistón de compresión 116 desplaza 50 grados al pistón de expansión 114 y desciende (flecha 140) durante su tiempo de admisión. La válvula de admisión 156 se abre para permitir que una mezcla explosiva de combustible y aire acceda a la cámara de compresión 166. La válvula de escape 154 también se abre para permitir que el pistón 114 obligue a que los productos de la combustión usados salgan de la cámara de combustión 168.

La válvula de retención 146 y la válvula de resorte 150 del paso del gas 144 están cerradas para evitar que el combustible inflamable y los productos de la combustión usados pasen entre las dos cámaras 166 y 168. Además, durante los tiempos de escape y admisión, la válvula de retención de admisión 146 y la válvula de resorte de escape 150 cierran herméticamente la cámara de presión 148 básicamente para mantener la presión de cualquier gas que se haya quedado retenido y procedente de los tiempos previos de compresión y expansión.

En cuanto a la Fig. 8, el pistón de expansión 114 ha alcanzado su posición de punto muerto superior (PMS) y está a punto de descender hacia su tiempo de expansión (indicado por la flecha 138), mientras que el pistón de compresión 116 está ascendiendo durante su tiempo de compresión (indicado por la flecha 140). Llegados a este punto, la válvula de retención de admisión 146, la válvula de escape 150, la válvula de admisión 152 y la válvula de escape 154 están todas cerradas.

En el PMS, el pistón 114 cuenta con un espacio muerto 178 entre la corona 118 del pistón 114 y la parte superior del cilindro 104. Este espacio muerto 178 es muy pequeño en comparación con el espacio muerto 60 del motor estándar 10 (se ve mejor en la Fig. 3). Esto se debe a que el tiempo de expansión en el motor 100 va detrás de un tiempo de escape a baja presión, mientras que el tiempo de expansión en el motor estándar 10 va detrás de un tiempo de compresión de alta presión. Por ello, contrariamente a lo que ocurre con el motor estándar 10, no resulta en absoluto grave que el motor 100 reduzca el espacio muerto 178, dado que no hay gas con alta presión retenido entre la corona 118 y la parte superior del cilindro 114. Además, al reducir el espacio muerto 178, se consigue una eliminación más exhaustiva de casi todos los productos de escape.

Para poder alinear notablemente el punto de par motor máximo con la presión de combustión máxima, el cigüeñal 108 debe haber rotado aproximadamente 40 grados desde su posición de punto muerto superior cuando el pistón de expansión 114 está en su posición de ignición óptima. Además, se mantienen unas consideraciones similares para el pistón de compresión 116 y reducir así la cantidad de par motor y de potencia consumida por el cigüeñal 108 durante el tiempo de compresión. Ambas consideraciones requieren que los desplazamientos de los ejes del pistón-cilindro sean bastante mayores que cualquier otro desplazamiento según la técnica previa, es decir, desplazamientos en los que el cigüeñal debe rotar al menos 20 grados desde la posición de punto muerto superior de un pistón antes de que el pistón alcance su posición de ignición. Estos desplazamientos, de hecho, son tan grandes que una biela recta que uniera los pistones 114 y 116 podría interferir con el extremo distal inferior de los cilindros 104 y 106 durante uno de los tiempos.

Por consiguiente, la curvatura 121 de la biela 122 debería estar situada entre sus extremos distales y tener una magnitud tal que la biela 122 separara el extremo distal inferior 174 del cilindro 104 mientras el pistón de expansión 114 oscila durante un tiempo completo. Además, la curvatura 123 de la biela 124 debería estar situada entre sus extremos distales y tener una magnitud tal que la biela 122 separara el extremo distal inferior 176 del cilindro 106 mientras el pistón de compresión 116 oscila durante un tiempo completo.

En lo que respecta a la Fig. 9, el cigüeñal 108 ha rotado 40 grados más (tal y como indica la flecha 180) desde la posición de PMS del pistón de expansión 114 para alcanzar su posición de ignición, y el pistón de compresión 116 está completando su tiempo de compresión. Durante estos 40 grados de rotación, el gas comprimido dentro del segundo cilindro 116 alcanza una presión umbral que obliga a que la válvula de retención 146 se abra, mientras que la leva 162 está programada también para abrir la válvula de escape 150. Por tanto, mientras el pistón de expansión 114 desciende y el pistón de compresión 116 asciende, una masa igual considerable de gas comprimido se traslada desde la cámara de compresión 166 del segundo cilindro 106 hasta la cámara de combustión 168 del primer cilindro 104. Cuando el pistón de expansión 114 alcanza su posición de ignición, la válvula de retención 146 y la válvula de escape 150 se cierran para evitar que haya más gas que se transfiera durante la cámara de presión 148. Por consiguiente, la masa y la presión del gas dentro de la cámara de presión 148 se mantienen relativamente constantes antes y después de que el traspaso del gas tenga lugar. En otras palabras, la presión del gas dentro de la cámara de presión 148 se mantiene al menos (en o por encima) en una presión predeterminada para la ignición, es decir, de aproximadamente 270 libras por pulgada cuadrada absoluta {18,98 Kg./cm^{2}}, para todo el ciclo de cuatro tiempos.

Para el momento en que el pistón 114 ha descendido a su posición de ignición desde el PMS, el espacio muerto 178 ha crecido hasta ser prácticamente igual al espacio muerto 60 del motor estándar 10 (se ve mejor en la Fig. 3), es decir, 0,571. Además, las condiciones para la ignición son básicamente las mismas que las de las condiciones para la ignición en el motor estándar 10, que suelen ser: 1) Un pistón con un diámetro de 4 pulgadas {10,02 metros}, 2) un espacio muerto de 7,181 pulgadas cúbicas {117,67 cm^{3}}, 3) una presión antes de la ignición de aproximadamente 270 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) {18,98 Kg./cm^{2}}, y 4) una presión de combustión máxima después de la ignición de aproximadamente 1200 psia {84,37 Kg/cm^{2}}. De igual modo, el ángulo del primer brazo 130 del cigüeñal 108 está en su posición de par motor máximo, es decir, aproximadamente a 40 grados del PMS. Por ello, la bujía 170 está programada para provocar la ignición de forma que la presión de combustión máxima se origine cuando el pistón de expansión 114 alcance su posición de par motor máximo.

Durante los siguientes 10 grados de rotación 142 del cigüeñal 108, el pistón de compresión 116 pasará a su posición de PMS y, a partir de ahí, comenzará un nuevo tiempo que hará que el ciclo se repita una vez más. El pistón de compresión 116 cuenta también con un pequeño espacio muerto 182 respecto del motor estándar 10. Esto es posible porque, cuando la presión del gas en la cámara de compresión 166 del segundo cilindro 106 alcanza la presión de la cámara de presión 148, la válvula de retención 146 se ve obligada a abrirse para dejar paso al gas. Por esta razón, en la parte superior del pistón de expansión 116 se queda retenida muy poca cantidad de gas de alta presión cuando el pistón de expansión 116 alcanza su posición PMS.

La relación de compresión del motor 100 puede ser cualquiera dentro del marco de los motores ECh y ECo, pero para este modelo ejemplar se sitúa en una escala de entre 6 y 8,5. Tal y como se ha definido anteriormente, la relación de compresión es el volumen máximo de una masa predeterminada de mezcla de aire-combustible ante una carrera de compresión, dividido entre el volumen de la masa de mezcla de aire-combustible en el punto de ignición. Para el motor 100, la relación de compresión es básicamente la relación del volumen de desplazamiento en el segundo cilindro 106 cuando el pistón de compresión 116 se desplaza desde el PMI hasta el PMS respecto del volumen en el primer cilindro 104 cuando el pistón de expansión 114 está en su posición de ignición.

En comparación con el motor estándar 10, en el que el tiempo de compresión y el tiempo de expansión siempre se ejecutan en secuencia por el mismo pistón, el tiempo de expansión lo ejecuta únicamente el pistón de expansión 114, y el tiempo de compresión lo ejecuta únicamente el pistón de compresión 116. Por ello, el pistón de expansión 116 puede desplazarse para alinear una presión de combustión máxima con el par motor máximo aplicado al cigüeñal 108 sin que suponga un inconveniente que esté fuera de la alineación en el tiempo de compresión. Y viceversa, el pistón de compresión 114 puede desplazarse para alinear una presión de compresión máxima con el par motor máximo aplicado desde el cigüeñal 108 sin que suponga un inconveniente que esté fuera de la alineación en el tiempo de expansión.

En la Figura 10, este concepto puede ilustrarse con más detalle. Aquí se muestra un gráfico de la fuerza tangencial o par motor frente a los grados de rotación desde el PMS para el pistón de expansión 114 en 184 para el motor 100. Además, se muestra un gráfico de la presión de combustión frente a los grados de rotación desde el PMS para el pistón de expansión 114 en 186 para el motor 100. Los cálculos para los gráficos 184 y 186 se basan en que el motor 100 tiene unas condiciones de ignición notablemente iguales a las del motor estándar. Esto es: 1) 1) Un pistón con un diámetro de 4 pulgadas {10,02 metros}, 2) un espacio muerto de 7,181 pulgadas cúbicas {117,67 cm^{3}}, 3) una presión antes de la ignición de aproximadamente 270 libras por pulgada cuadrada absoluta (psia) {18,98 Kg./cm^{2}}, 4) una presión de combustión máxima después de la ignición de aproximadamente 1200 psia {84,37 Kg/cm^{2}} y 5) unas revoluciones por minuto (RPM) básicamente iguales a las de los cigüeñales 108 y 38. En contraste con los gráficos de la Fig. 6 del motor estándar 10 según la técnica previa, el punto de presión de combustión máxima 188 está prácticamente alineado con el punto de par motor máximo 190. Esta alineación de la presión de combustión 186 con el par motor 184 da como resultado un aumento significativo del rendimiento.

Además, el desplazamiento del pistón de compresión 116 también puede mejorarse para alinear prácticamente el par motor máximo generado para el pistón de compresión 116 desde el cigüeñal 108 con la presión de compresión máxima del gas. El desplazamiento del pistón de compresión 116 reduce la cantidad de expansión ejercido para poder completar un tiempo de compresión, y aumenta el rendimiento total del motor 100 respecto del motor estándar 10. Con el desplazamiento combinado de los pistones de expansión y compresión 114 y 116, el rendimiento teórico global del motor 100 puede aumentar en aproximadamente el 20 o el 40 por cierto respecto del motor estándar.

En cuanto a la Fig. 11, en 200 se muestra un modelo alternativo de una división de un motor de cuatro tiempos con brazos desiguales y diámetros de pistones desiguales. Dado que los tiempos de compresión y expansión se ejecutan en pistones separados 114 y 116, se pueden hacer varias mejoras para optimizar el rendimiento de cada tiempo sin los inconvenientes generados cuando los tiempos los ejecuta un único pistón. Por ejemplo, el diámetro 204 del pistón de compresión se puede hacer mayor que el diámetro 202 del pistón de expansión para aumentar aún más el rendimiento de compresión. Además, el radio 206 del primer brazo 130 para el pistón de expansión 114 puede hacerse más largo que el radio 208 del segundo brazo 132 para el pistón de compresión 116 para mejorar aún más el par motor total aplicado al cigüeñal 108.

Aunque los modelos preferidos son los que hemos mostrado y descrito, pueden hacerse modificaciones y sustituciones sin que ello se aparte del espíritu y del alcance de la invención. Por consiguiente, debe entenderse que esta invención se ha descrito para que sirva como ilustración, y no como limitación.

Claims

1. Un método de funcionamiento de motor, que comprende:

: un motor que cuente con: un cigüeñal (108), que rote sobre un eje del cigüeñal (110) del motor (100): un pistón de expansión (114) conectado mediante un sistema deslizante en un primer cilindro (104) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de expansión oscila durante un tiempo de expansión y un tiempo de escape de un ciclo de cuatro tiempos durante una única rotación del cigüeñal; un pistón de compresión (116) recibido mediante un sistema deslizante dentro un segundo cilindro (106) y conectado funcionalmente al cigüeñal (108), de manera que el pistón de compresión oscile durante un tiempo de admisión y compresión del mismo ciclo de cuatro tiempos en la misma rotación del cigüeñal; y un paso de gas (144) que interconecte el primero y segundo cilindros (104-106) y que tenga una válvula de admisión (146) y una válvula de escape (150) con una cámara de presión definida (148) entre ellas, en donde la válvula de admisión (146) y la válvula de escape (150) del paso del gas mantengan básicamente al menos unas condiciones predeterminadas de ignición de la presión del gas en la cámara de presión durante el ciclo completo de cuatro tiempos; y una rotación del cigüeñal (108) de al menos 20 grados mas allá de una posición en la que el pistón de expansión (114) esté en su punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

2. El método de la Reivindicación 1, en el que el cigüeñal (108) rota 40 grados mas allá de la posición anterior, en la que el pistón de expansión (114) esta en su posición de punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

3. El método de toda reivindicación anterior, que además comprenda la ignición del pistón de expansión.

4. Un motor que comprenda:

caracterizado por la existencia de un paso de gas (144) que interconecte los primero y segundo cilindros (104, 106) y que tenga una válvula de admisión (146) y una válvula de escape (150) con una cámara de presión definida (148) entre ellas, en donde la válvula de admisión (146) y la válvula de escape (150) del paso del gas puedan controlarse para mantener notablemente al menos unas condiciones predeterminadas de ignición de la presión del gas en la cámara de presión durante el ciclo completo de cuatro tiempos; el motor configurado de manera que el cigüeñal (108) rote al menos 20 grados mas allá de una posición en la que el pistón de expansión (114) esté en su punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

5. El motor de la Reivindicación 4, en el que el pistón de expansión dirige el pistón de compresión mediante un ángulo en fase notablemente mayor que cero.

6. El motor de la Reivindicación 5, en el que el ángulo en fase modificado es de aproximadamente entre 30 y 60 grados.

7. El motor de la Reivindicación 5, en el que el ángulo en fase modificado es de 40 grados.

8. El motor de la Reivindicación 5, en el que el ángulo en fase modificado es de 50 grados.

9. El método de la Reivindicación 4, en el que, en funcionamiento, el cigüeñal (108) rota 40 grados mas allá de la posición anterior, en la que el pistón de expansión (114) está en su posición de punto muerto superior para alcanzar la posición de ignición del pistón de expansión (114).

10. El motor de cualquier Reivindicación de la 4 a la 9 en las que el pistón de expansión (114) oscila dentro del primer cilindro (104), a lo largo del primer eje pistón-cilindro (113), y el primer eje del pistón-cilindro (113) cuenta con un desplazamiento respecto del eje del cigüeñal (110), de manera que el primer eje del pistón-cilindro (113) no se cruce con el eje del cigüeñal (110).

11. El motor de la Reivindicación 10, en el que:

: el pistón de compresión (116) oscila dentro del segundo cilindro (106), a lo largo del segundo eje pistón-cilindro (115), y el segundo eje pistón-cilindro (115) cuenta con un desplazamiento respecto del eje del cigüeñal (110), de manera que el segundo eje pistón-cilindro (115) no se cruce con el eje del cigüeñal (110) y pase a una posición opuesta del eje del cigüeñal respecto del primer eje pistón-cilindro (113).

12. El motor de cualquiera de las Reivindicaciones de la 4 a la 11, en el que el cigüeñal (108) tiene un

primer brazo y un segundo brazo (130, 132);

el motor (100) comprende una primera biela (122) conectada con una articulación tanto al pistón de expansión (114) como al primer brazo (130) del cigüeñal (108), y

una segunda biela (124) conectada mediante una articulación tanto al pistón de compresión (116) como al segundo brazo (132) del cigüeñal (108).

13. El motor de la Reivindicación 12 en el que la primera y segunda bielas (122,124) tienen, cada una, una inclinación angular de tal magnitud que, en funcionamiento, la biela despeja el extremo inferior de dicha biela del primero y segundo cilindros (104, 106).

14. El motor de la Reivindicación 12 o de la Reivindicación 13, en el que los brazos (130, 132) tienen una longitud notablemente distinta.

15. El motor de cualquiera de las Reivindicaciones de la 4 a la 14, en el que los pistones de expansión y compresión (114, 116) tienen diámetros (202, 204) notablemente distintos.