ES2348527A1 - Motor rotativo de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Motor rotativo de combustión interna que consta de un elemento rotativo cilíndrico con un diente en su periferia (1) y un elemento rotativo cilíndrico adicional con un hueco (2) de tal forma que durante el giro de estos elementos, en sentido contrario y con la misma velocidad angular, el diente del elemento rotativo (1) pasa por el hueco del elemento rotativo (2) manteniendo en el proceso la estanqueidad en las cámaras formadas por los elementos anteriores y la carcasa motor (l4). El motor puede funcionar en configuración de dos o cuatro tiempos según exista o no un elemento rotativo adicional (3) que realiza la separación entre las cámaras de admisión/compresión y expansión/escape manteniendo la estanqueidad y dejando el espacio necesario para dejar pasar al diente del elemento rotativo (1) en el proceso de giro.
Description
Motor rotativo de combustión interna.
La invención se refiere a un motor rotativo de
combustión interna que puede funcionar con distintos combustibles y
girar a altas revoluciones.
En el estado de la técnica el mas conocido es el
motor rotativo de combustión interna siguiente:
- -
- Motor Wankel: Consistente en una pieza central triangular con sus lados curvados hacia afuera tal que en su giro excéntrico alrededor de un eje central, y alguno de sus puntos siempre en contacto con la carcasa exterior, va generando los espacios necesarios para realizar los tiempos propios de un motor de combustión interna.
Pueden resumirse en los siguientes puntos:
- -
- Altas velocidades de giro debido a que no hay piezas con movimiento alternativo.
- -
- Altos rendimientos termodinámicos por la posibilidad de conseguir que el tiempo de expansión sea superior al de compresión lo que nos permitirá aprovechar al máximo la energía de los gases de escape antes de expulsarlos al exterior.
- -
- Construcción simple y con pocas piezas.
La aplicación industrial esta en cualquier
sistema que necesite una planta motriz que aporte potencia.
- La figura 1 es un corte donde se pueden
apreciar los elementos que constituyen el motor rotativo en su
diseño como motor de dos tiempos.
- La figura 2 es una sucesión de instantes del
motor descrito en la Figura 1 en su recorrido de una vuelta
completa.
- La figura 3 es un corte del motor similar al
de la figura 1 pero en el que se sustituye el elemento rotativo que
separa las cámaras de compresión y expansión por uno alternativo
tipo válvula.
- La figura 4 es un corte del motor en su
configuración de cuatro tiempos.
- La figura 5 es una sucesión de instantes del
motor descrito en la figura 4 durante las cuatro vueltas necesarias
para que una masa determinada de aire complete los cuatro tiempos
del ciclo termodinámico.
- La Figura 6 es el ciclo termodinámico
Presión-Volumen teórico de un motor Otto de cuatro
tiempos
(Compresión-Explosión-Expansión-Escape).
- La Figura 7 es el ciclo de la Figura 6 al que
se le ha añadido la potencia que se podría conseguir a mayores
utilizando el motor objeto de la invención en su configuración de
dos tiempos.
- La Figura 8 es un despiece de los elementos
fundamentales para construir el motor objeto de la invención en su
configuración de dos tiempos sin elementos con movimiento
alternativo.
- La Figura 9 es el montaje paso a paso de las
piezas de la Figura 8.
El objetivo de la patente es el diseño de un
motor rotativo de combustión interna.
En la figura 1 se pueden apreciar los
componentes fundamentales de motor.
- -
- Un elemento rotativo (1) de forma cilíndrica con un diente en su periferia y que gira alrededor del eje central de su parle circular.
- -
- Un elemento rotativo (2) de forma cilíndrica que tiene tallado en su periferia un orificio destinado a alojar el diente del elemento rotativo (1). y que gira alrededor del eje central de su parte circular.
- -
- Una carcasa (4) fija que mantiene la estanqueidad en las diferentes cámaras que forman los elementos anteriores es su rotación sobre sí mismos.
Los elementos rotativos (1 y 2) giran a la misma
velocidad angular (y en sentido contrario) y están sincronizados de
tal forma que el diente del elemento rotativo (1) se introduce en el
orificio del elemento rotativo (2) manteniendo la estanqueidad en
las diferentes cámaras en el proceso de giro.
Dados unos puntos fijos (5 y 6) en el elemento
rotativo (2), estos serán los que en su giro con este generan la
geometría de las caras del diente del elemento rotativo (1) tal que
siempre son tangentes a él mientras se introduce en el orificio del
elemento rotativo (2) en su giro. El proceso empezara con el
contacto entre los puntos de diseño (7 y 5) y acabara con el
contacto entre los puntos (7 y 6) generando la geometría de las
caras laterales del diente del elemento rotativo (1).
\vskip1.000000\baselineskip
El motor en su configuración de dos tiempos
posee, además de los elementos anteriores, un elemento rotativo
adicional (3) que separa las cámaras de admisión/compresión con las
de expansión/escape, esto da como resultado que en una sola vuelta
de motor se produzcan los cuatro tiempos necesarios en un motor
térmico de combustión interna por lo que en esta configuración se
encuadraría dentro de la familia de motores denominada de dos
tiempos.
Explicación paso a paso de una vuelta (Figura
2):
A- El elemento rotativo (1), que gira en sentido
horario, empieza a comprimir la cámara (12), llena de aire del
exterior, con su diente.
Los elementos rotativos (2 y 3) giran a la misma
velocidad angular que el elemento rotativo (1) pero en sentido
antihorario.
B- La cámara (12) es cada vez más pequeña y por
ello el aire que contiene aumenta su presión. El elemento rotativo
adicional (3) a girado lo suficiente para que empiece el proceso de
admisión de aire del exterior que es alojado en la cámara (11) por
la succión que provoca el diente del elemento rotativo (1).
C- El elemento rotativo adicional (3) cierra la
entrada de aire a la cámara (11) que será el que se comprimirá en la
vuelta siguiente del motor.
Comienza el contacto entre el diente del
elemento rotativo (1) y el punto (5) del elemento rotativo (2).
El aire contenido en la cámara (12) pasa a
ocupar el espacio del hueco del elemento rotativo (2).
D- El elemento rotativo adicional (3) ha girado
hasta impedir la entrada o salida de aire al motor.
Los puntos (5 y 6) del elemento rotativo (2) han
mantenido contacto constante con las caras del diente del elemento
rotativo (1) durante el giro de ambos elementos lo que permite
mantener la cámara (12) estanca con el aire comprimido previamente y
pasarlo de la parte delantera del diente a la parte trasera para su
uso posterior.
El punto (6) del elemento rotativo (2) se
encuentra en su punto más bajo y a partir de aquí perderá contacto
con el diente del elemento rotativo (1).
E- El aire comprimido de la cámara (12) pasa a
la parte posterior del diente del elemento rotativo (1).
A partir de aquí el punto (5) del elemento
rotativo (2) pierde contacto con el diente del elemento rotativo
(1).
F- El punto (5) del elemento rotativo (2) entra
en contacto con la carcasa (4) y esto crea la cámara (13).
El combustible contenido en la cámara (13)
(inyectado en etapas anteriores a baja presión (inyección indirecta)
o en este mismo instante (inyección directa)) explota o se inflama
(según sea su naturaleza) produciendo un aumento de presión en la
cámara (13). Esta presión produce unas fuerzas perpendiculares a
las superficies de los elementos de la cámara (13).
La presión aplicada sobre los contornos
circulares de los elementos rotativos (1 y 2) provocara una fuerza
resultante sobre el eje de cada uno de ellos pero no inducirá al
giro a ninguno por estar aplicada en el centro del eje de giro.
La presión aplicada sobre la carcasa debe ser
soportada por esta ya que se mantendrá fija.
\newpage
La presión aplicada sobre la cara del diente del
elemento rotativo (1) podemos descomponerla en dos componentes, una
tangente a la superficie curva del elemento rotativo (1) (la que nos
proporcionara la fuerza de giro) y otra perpendicular a la anterior
y dirigida al eje de giro del elemento rotativo (1) (no contribuye
al giro).
G- El elemento rotativo adicional (3) ha girado
lo suficiente para poner en contacto la cámara (14) con el exterior,
empieza el escape de los gases de combustión de la vuelta anterior a
la actual.
La cámara (13) sigue expandiéndose y aportando
potencia siguiendo el ciclo termodinámico de cada combustible.
H- El elemento rotativo adicional (3) empieza a
cerrarse e interrumpir el escape de los gases. La cámara (13) sigue
expandiéndose y aportando potencia.
I- El elemento rotativo adicional (3) entra en
contacto con el punto (7) del elemento rotativo (1) que es el que a
lo largo de su recorrido tangente al elemento rotativo adicional (3)
genera la geometría del hueco de este tal que mantiene separadas y
estancas las cámaras de aire fresco (11) y la de los gases de
combustión (13) durante el proceso de
giro.
giro.
J- El diente del elemento rotativo (1) se
introduce cada vez más en el hueco del elemento rotativo adicional
(3).
El elemento rotativo adicional (3) empieza el
sellado de la cámara (13) llena con los gases de escape de la
combustión.
El ciclo vuelve a empezar.
- Como se ha observado con el desfase de
colocación del elemento rotativo adicional (3) alrededor del
elemento rotativo (1) (con respecto al eje que une los dos centros
de los elementos rotativos (1 y 2) se consigue que el tiempo de
expansión dure más que el de compresión como en el ejemplo anterior.
Con esto se consigue aprovechar la energía de presión que aun
contienen los gases de escape antes de expulsarlos al exterior (a la
potencia W de la Figura 6 se le suma la W2 de la Figura 7 en el
ejemplo hecho con un ciclo Otto).
Cuanto más tiempo dure la expansión que la
compresión más trabajo del ciclo termodinámico se extraerá estando
el límite cuando los gases de escape desciendan a la presión
atmosférica.
El diseño del hueco en el elemento rotativo (2),
dados unos puntos (5 y 6), puede ser cualquiera siempre que el
diente del elemento rotativo (1) no tropiece con él durante el
proceso de giro.
Se entiende que cuanto más grande sea el hueco
menor será la presión máxima en un instante determinado aunque esto
no afecte a la presión de la cámara (13) que es la que importa.
La presión máxima de aire en la compresión
(justo antes de empezar la expansión) es (Ley de Boyle, proceso
isotérmico en régimen permanente):
Va = Volumen de admisión (Figura 2/J/11
aproximadamente)
Vh = Volumen del hueco del elemento rotativo
(2)
Vc = Volumen comprimido (Figura 2/F/13)
Pcc = Presión en la cámara de compresión
contando con la que aporta el hueco
La presión de la cámara de admisión cuando se
comunica con la presión que tiene el hueco del elemento rotativo (2)
es igual a (ley de Dalton con proceso isotérmico):
Pa = Presión del aire de entrada (normalmente es
la atmosférica salvo sobrealimentación)
\newpage
Sustituyendo una ecuación en la otra y
simplificando nos queda:
Esto quiere decir que la relación de compresión
no depende ni del volumen ni de la presión del aire en el hueco del
elemento rotativo (2) y por lo tanto la presión en el hueco
alcanzará un valor permanente y no tenderá a variar con cada nueva
vuelta. Si partimos de una presión en el hueco igual a la
atmosférica en el arranque, esta tardará tanto o más en alcanzar la
presión de régimen permanente cuanto más grande sea el hueco del
elemento rotativo (2).
Para terminar se expone una alternativa de
diseño que es cambiar el elemento rotativo adicional (3) por uno
alternativo (10) (Figura 4) que actúa como una válvula que se abre
para dejar pasar al diente del elemento rotativo (1) y se vuelve a
cerrar, una vez pasado este, para mantener la estanqueidad entre las
cámaras durante el proceso de giro.
Para hacer posible el funcionamiento de un ciclo
termodinámico de los anteriormente vistos hace falta que el aire
este comprimido a una cierta presión. Cuando esta no pueda
conseguirse físicamente con el motor de dos tiempos propuesto
anteriormente puede hacerse un cambio de diseño para convertirlo en
uno de cuatro tiempos con una mayor relación de compresión del aire
a costa de sacrificar el aumento de rendimiento visto en el apartado
anterior.
En este caso se elimina el elemento rotativo
adicional (3) que realiza la separación de las cámaras de
admisión/compresión con la de expansión/escape cuya función pasara a
realizar el elemento rotativo (2).
En esta configuración hacen falta dos vueltas de
motor para realizar los cuatro tiempos ayudados por los elementos de
admisión (9) y escape (8).
Según la Figura 5:
- En la primera vuelta el elemento de escape (8)
está cerrado para permitir la compresión del aire fresco.
El elemento de admisión (9) está abierto para
permitir la entrada de aire del exterior.
- En la segunda vuelta el elemento (9) está
cerrado para que no escapen a través de él los gases de escape
durante la expansión.
El elemento (8) está cerrado para permitir la
compresión del aire introducido en la vuelta anterior.
- En la tercera vuelta se produce la expansión
de los gases producidos por el aire fresco de la vuelta anterior con
el elemento (9) cerrado y a su vez el escape de los gases expandidos
anteriormente con el elemento (8) abierto.
- En la cuarta vuelta se produce el escape de
los gases anteriores con el elemento (8) abierto y la admisión de
aire del exterior con el elemento (9) abierto.
Los tiempos serian los siguientes (sentido de
giro horario del elemento rotativo (1)):
Como se puede apreciar en los tiempos anteriores
aunque cada dos vueltas se producen cuatro tiempos del ciclo estos
no corresponden a una única masa de aire y ni siquiera se producen
los tiempos en el orden normal del ciclo (se repite el mismo tiempo
en dos vueltas consecutivas de dos masas de aire diferentes). Son
necesarias cuatro vueltas para que una masa determinada de aire
realice los cuatro tiempos por lo que aunque pueda asimilarse a un
motor de cuatro tiempos esto no sería exactamente así.
La invención se describirá ahora por medio de
una posible realización del motor en su configuración de dos tiempos
con ayuda de las figuras.
Según la Figura 8 sobre unos ejes (15, 16 y 17),
que tienen dos grupos de dientes en su superficie cada uno, van
montados los elementos rotativos (1, 2 y 3) responsables de realizar
los tiempos en el motor como se vio anteriormente. Para sincronizar
los giros de estos elementos a la misma velocidad angular se montan
los piñones (19, 20 y 21) (del mismo tamaño y número de dientes)
coaxialmente a ellos en el segundo grupo de dientes de los ejes (15,
16 y 17) respectivamente. Los piñones (19 y 21) tienen sus dientes
en contacto y para conseguir la conexión entre (19 y 20) (no se
llegan a tocar por si solos por ser el elemento rotativo adicional
(3) más pequeño que los elementos rotativos (1 y 2)) se disponen dos
piñones iguales (22 y 23) que permiten conectar a la misma velocidad
angular los elementos (19 y 20) además de conseguir que tengan
diferente sentido de giro (es necesario que el elemento (19) gire en
distinto sentido que 20 y 21).
El montaje de acuerdo a la Figura 9 es:
A9- Se montan las dos partes de la carcasa (4)
sobre los ejes (15, 16 y 17).
El hueco (27) se usa para acceder hasta la
cámara de combustión con los elementos necesarios para el
funcionamiento del motor según el tipo de combustible y el modo de
funcionamiento (inyectores de combustible, bujías, calentadores,
etc...).
B9- Se montan sobre los dientes de los ejes (15,
16 y 17) los elementos rotatorios (1, 2 y 3) respectivamente.
Entre los elementos rotatorios anteriores y la
carcasa (4) quedan los volúmenes utilizables del motor. Cuanto más
anchos sean los elementos rotatorios, y consecuentemente la carcasa
(4), más cubicaje se conseguirá para el ciclo.
C9- Se montan las dos partes de la carcasa (18)
que se ajustan de tal forma que mantienen la estanqueidad de los
volúmenes anteriores.
D9- Se montan los piñones (19, 20 y 21) sobre
los dientes de los ejes (15, 16 y 17) respectivamente. Los piñones
(22 y 23) van montados sobre la carcasa (18) y sobre una nueva
carcasa (4) correspondiente a otro grupo de elementos adyacentes a
los anteriores o sobre una tapa final en caso de ser el último.
Para hacer más regular el giro y conseguir un
motor más compacto (como se hace con los cilindros de un motor
convencional) se pueden montar a continuación tantos grupos de
piezas semejantes a las anteriores como se desee hasta conseguir las
características deseadas. En este caso los ejes (15, 16 y 17) serian
comunes a todos los grupos y tan largos como fuese necesario además
tendrían dos grupos de dientes similares a los anteriores por cada
nuevo conjunto de piezas repetido hasta completar el motor.
Se puede variar el radio de los elementos
rotativos (1, 2 y 3), la altura del diente del elemento rotativo
(1), etc.., sabiendo que esto afecta tanto a la geometría de algunos
elementos como a la relación de compresión, rendimiento, etc.
Claims (7)
1. Motor rotativo de combustión interna que
comprende:
- -
- Un elemento rotativo (1) de forma cilíndrica con un diente en su periferia y que gira alrededor del eje central de su parte circular.
- -
- Un elemento rotativo (2) de forma cilíndrica que tiene tallado en su periferia un orificio destinado a alojar el diente del elemento rotativo (1) y gira alrededor del eje central de su parte circular.
- -
- Una carcasa (4) que forma con los elementos anteriores las cámaras de trabajo del motor ayudada por otras carcasas auxiliares que mantengan la estanqueidad por delante y por detrás.
Los elementos rotativos (1 y 2) giran a la misma
velocidad angular (y en sentido contrario) y están sincronizados de
tal forma que el diente del elemento rotativo (1) se introduce en el
hueco del elemento rotativo (2) manteniendo la estanqueidad en las
diferentes cámaras en el proceso de giro.
Dados unos puntos fijos (5 y 6) en el elemento
rotativo (2), estos serán los que en su giro con este generan la
geometría de las caras del diente del elemento rotativo (1) tal que
siempre son tangentes a él mientras recorre el hueco del elemento
rotativo (2) en su giro.
El proceso empezara con el contacto entre los
puntos de diseño (7 y 5) y acabará con el contacto entre los puntos
(7 y 6) generando la geometría de las caras laterales del diente del
elemento rotativo (1) (considerando que el elemento rotativo (1)
gira en sentido horario y 2 en antihorario).
El hueco del elemento rotativo (2) puede tener
cualquier geometría dentro de lo físicamente posible.
Los elementos rotativos (1 y 2) pueden tener
igual o distinto radio y la altura del diente del elemento rotativo
(1) puede ser variable, sabiendo que esto afecta a la geometría de
las caras del diente y la carcasa (4).
2. Motor de combustión interna rotativo según
reivindicación 1 caracterizado por que se le añade un
elemento rotativo adicional (3) que separa las cámaras de
admisión/compresión de las de expansión/escape asimilándolo así a un
motor de dos tiempos (cuatro tiempos por vuelta).
El elemento rotativo adicional (3) tiene un
hueco por donde deja pasar al diente del elemento rotativo (1)
durante el proceso de giro. La geometría de este hueco está definida
por el punto superior del diente (7) ya que este tiene que ser
tangente al elemento rotativo adicional (3) durante el tiempo en que
lo atraviesa para mantener la estanqueidad entre las cámaras.
El elemento rotativo adicional (3) gira a la
misma velocidad angular que los elementos rotativos (1 y 2) y en
distinto sentido que el elemento rotativo (1), y puede situarse en
cualquier posición alrededor del elemento rotativo (1) siempre que
no interfiera con el resto de elementos del motor. Según sea la
posición donde se coloque el elemento rotativo adicional (3), y su
radio, cambiaran las características técnicas del motor
(rendimiento, compresión, cubicaje, etc.).
3. Motor de combustión interna rotativo según
reivindicación 2 caracterizado por que se sustituye el
elemento rotativo adicional (3) por uno alternativo (10) (tipo
válvula) sincronizado para abrirse y dejar pasar al diente del
elemento rotativo (1) durante el proceso de giro cerrándose
inmediatamente después para mantener la estanqueidad entre las
cámaras, quedando las demás características igual que en la
reivindicación 2.
4. Motor de combustión interna según
reivindicación 1 caracterizado por que se añaden unos
elementos (8 y 9) (Figura 4) que se cierran o abren en cada vuelta
para conseguir la admisión o escape de los gases al exterior y hacer
posible el ciclo termodinámico.
En esta configuración el motor pasaría a
funcionar con un ciclo termodinámico similar a uno de cuatro tiempos
en el sentido de que son necesarias dos vueltas de motor para
realizar cuatro tiempos del ciclo termodinámico.
5. Motor de combustión interna según
reivindicaciones anteriores caracterizado porque para igualar
las velocidades angulares de los elementos rotativos se disponen
unos piñones (19, 20 y 21) (este último solo en configuración de dos
tiempos) con igual radio y que engranarán directamente unos con los
otros cuando sea posible. Cuando esto no sea posible porque los
elementos rotativos tengan distinto radio se dispondrán un par de
piñones más pequeños (22 y 23), entre los que no se engranan por si
solos, para que además de transmitirse el giro se cambie dos veces
el sentido del mismo para que quede en el mismo sentido en que se
iba a transmitir sin los piñones auxiliares.
6. Motor de combustión interna según
reivindicación 5 caracterizado porque para igualar las
velocidades angulares de los elementos rotativos se utilizan correas
o cadenas entre las poleas o piñones respectivamente que van
montados solidariamente a los ejes de los elementos rotativos.
Las poleas o piñones de los distintos elementos
rotativos tienen que tener el mismo radio para comunicarse entre si
la misma velocidad angular.
Con este sistema puede conseguirse minimizar las
inercias del motor por usar piñones o poleas más pequeños que en la
reivindicación 5.
7. Motor de combustión interna según
reivindicaciones anteriores caracterizado porque se añaden,
al punto (7) del diente del elemento rotativo (1) y a los puntos (5
y 6) del elemento rotativo (2), unos segmentos rectos que serán los
que absorban las dilataciones por efecto de la temperatura y
permitan un contacto semi-elástico entre los puntos
de los elementos que contienen los segmentos y los elementos sobre
los que contactan durante el giro para mantener la estanqueidad en
las cámaras ante las vibraciones del motor.
Las carcasas que cierran las cámaras también
tendrán unos segmentos circulares y de radio similar a los
respectivos elementos rotativos sobre los que harán contacto para,
además de absorber las dilataciones por variación de la temperatura,
evitar que escape compresión de las cámaras por el pequeño espacio
que queda entre los elementos rotativos y las carcasas
laterales.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200800422A ES2348527B1 (es) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Motor rotativo de combustion interna. |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| ES200800422A ES2348527B1 (es) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Motor rotativo de combustion interna. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2348527A1 true ES2348527A1 (es) | 2010-12-09 |
| ES2348527B1 ES2348527B1 (es) | 2011-10-24 |
Family
ID=43413363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200800422A Withdrawn - After Issue ES2348527B1 (es) | 2008-02-06 | 2008-02-06 | Motor rotativo de combustion interna. |
Country Status (1)
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|---|---|
| ES (1) | ES2348527B1 (es) |
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- 2008-02-06 ES ES200800422A patent/ES2348527B1/es not_active Withdrawn - After Issue
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| Publication number | Publication date |
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| ES2348527B1 (es) | 2011-10-24 |
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| FG2A | Definitive protection |
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