ES2436696A1 - Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna de 4 tiempos con válvula común y flujo controlado por diafragmas - Google Patents

Abstract

La presente invención describe un nuevo sistema para la renovación de la carga en los motores térmicos de combustión interna alternativos de 4 tiempos mediante el uso de válvulas comunes para la renovación de la carga. Para que el motor pueda trabajar en estas condiciones es necesario regular el flujo fuera del cilindro. La solución adoptada en esta invención son unas válvulas de diafragma cuya actuación puede ser neumática, hidráulica, mecánica, eléctrica o electrónica. Se sitúa una de ellas en el ramal de admisión y otra en el de escape justo antes de comunicarlos entre sí en un conducto o volumen común. Este volumen estará conectado con el cilindro y por el circularán tanto la mezcla fresca (o aire solo) como los gases de escape.

Description

SISTEMA DE RENOVACiÓN DE LA CARGA EN MOTORES DE COMBUSTiÓN INTERNA DE 4 TIEMPOS CON VÁLVULA COMÚN Y FLUJO CONTROLADO POR DIAFRAGMAS

Sector de la técnica

La invención se enmarca en el sector tecnológico de los motores de combustión interna alternativos. En concreto, se encuadra en modificaciones técnicas que mejoran el proceso de renovación de la carga (admisión de aire) en los motores de cuatro tiempos.

Estado de la técnica

El comportamiento de los Motores de Combustión Interna Alternativos (MClA) está en gran medida determinado por su capacidad renovación de la carga. Esto es, la capacidad del motor para evacuar los gases de escape (productos residuales de la combustión) y sustituirlos por aire o mezcla aire-combustible fresca y en condiciones adecuadas para ser combustionada y continuar el ciclo.

El proceso de renovación de la carga (respiración) tiene una relación directa con las prestaciones del motor. A mayor flujo másico de aire fresco admitido, mayor cantidad de combustible es susceptible de ser quemada, y por tanto, mayor par o potencia efectiva generada. Para medir la eficiencia de este proceso, suele emplearse un parámetro conocido como rendimiento volumétrico. Éste relaciona el grado de llenado logrado con gas útil, respecto al máximo posible teórico.

Por las razones mencionadas, gran parte del desarrollo y optimización de los MClA desde su aparición se ha centrado en la mejora del rendimiento volumétrico. Éste depende de gran cantidad de variables, pero al estar relacionado con el flujo de gas a través de los conductos del motor, las más importantes son las pérdidas de carga en el circuito y el tiempo disponible para realizar la renovación. Bajo esta perspectiva, de todos los elementos que atraviesa el flujo fresco (filtro de aire, colectores, conductos...) la mayor restricción se encuentra en las válvulas de entrada al cilindro. El clásico sistema de admisión por válvulas de asiento ofrece una superficie de paso muy pequeña, lo que acelera el flujo, en muchas ocasiones hasta alcanzar situaciones de choque (bloqueo sónico), reduciendo la capacidad del llenado. Este fenómeno es más acusado cuanto mayor es el régimen de giro del motor, ya que la velocidad del flujo se incrementa (y con ello las pérdidas dinámicas de rozamiento) y el tiempo disponible para admitir y expulsar gases es menor.

Simplificando el caso de estudio, el problema fundamentalmente radica en que el área de paso de las válvulas se ve limitado por el tamaño del cilindro y los elementos que en el deben ser alojados (bujías, inyectores ...). Por ello, las soluciones aportadas hasta la fecha para mejorar el rendimiento volumétrico resultan bastante complejas mecánicamente. Las de mayor aplicación en la actualidad son los sistemas de distribución variable, dónde se modifica el alzado de válvula (valve lift) o el momento y duración de apertura de la misma (valve timing) según el régimen de giro del motor.

Por lo tanto, es conveniente para el aumento de prestaciones del motor, desarrollar mecanismos o soluciones concretas encaminados a incrementar la capacidad de renovación de carga del motor. En esta patente se proponen 2 ideas novedosas que combinadas pueden resultar viables y rentables. En la actualidad no existe ningún motor comercial con soluciones semejantes.

El empleo de una válvula común para admisión y escape ya ha sido abordado en patentes anteriores, pero sin éxito [Monovalve cylinder head construction. (1938). Walker M. Plate. US21056991, [Combustion chamber in a monovalve diesel engine with air cooling. (1959). Slobodan M. Dobrosavlyevitch. US2894495]. En parte por la complejidad del sistema y falta de regulación de flujo sobre la solución real adoptada. El mecanismo de control propuesto, con válvulas de diafragma, nunca ha sido empleado como se sugiere. Ni comercialmente ni en ninguna otra invención. Es cierto que han existido tentativas para sustituir las válvulas de asiento del cilindro por válvulas de diafragma [Shutter valve system for internal combustion engines. (2001). Kyle P. Daniels. US61995311, pero no para incluirlas en puntos intermedios del recorrido de admisión/escape regulando el flujo hacia las válvulas de asiento clásicas.

Descripción detallada de la invención

La presente invención propone un sistema especial de renovación de la carga en motores térmicos de 4 tiempos. Se sugiere un sistema de válvulas comunes para admisión y escape en el cual el flujo está gobernado mediante válvulas de diafragma cuya apertura y cierre se puede regular de muy diversas maneras, entre otras, mecánica, neumática o electrónicamente. El objetivo perseguido es lograr una mejora del flujo de gas fresco hacia el cilindro (alto rendimiento volumétrico) de un modo sencillo, económico y con mayor capacidad de regulación que los sistemas de distribución variable existentes hasta la fecha. Se combinan para ello ideas y elementos mecánicos ya conocidos, pero cuyo funcionamiento en conjunto representa una gran novedad.

Conviene aclarar que la invención presentada es válida para cualquier motor de combustión interna alternativo de 4 tiempos. Esto significa que vale tanto para motores atmosféricos como sobrealimentados, de encendido por compresión (diésel)

o de encendido provocado (gasolina), inyección directa o indirecta. Su funcionamiento es independiente de cualquiera de estas variables, ya que el proceso de renovación de la carga es semejante en todos ellos. No obstante, la principal ventaja de esta

5 propuesta respecto a otras ya existentes (sistemas de distribución variable) es, como ya se ha explicado, su sencillez de construcción y su facilidad de regulación. Por ello, se supone que el mayor campo de aplicación serían motores de altas prestaciones y exigencias, como motores de automoción y competición o motores térmicos que trabajen en régimen estacionario acoplados a generadores eléctricos.

10 El rendimiento volumétrico de un motor (r¡v) se define como el ratio entre el flujo másico de aire que circula por el mismo respecto al máximo teórico que podría hacerlo (eq. 1). Es decir, mide la efectividad de la admisión y escape de un motor de 4 tiempos. Lo que vulgarmente se conoce como su capacidad de respiración.

rha

llv =---- eq. 1

Pa . VT • ni

rha Flujo másico de aire [kg/s] Pa Densidad de aire de referencia [kg/m3] VT Volumen útil del motor. Cilindrada [m3] ni Ciclos de trabajo útiles [rev/s]

Debido a que la máxima cantidad de combustible que un motor puede combustionar se ve limitada por la masa de aire disponible para hacerlo, la importancia de este parámetro es vital. Cuanto mayor sea el flujo másico de aire (mayor rendimiento volumétrico), mayores las prestaciones obtenidas del motor (potencia y par).

20 Bajo condiciones de trabajo en las que se demande la máxima potencia, un motor de encendido provocado (MEP) trabajará con la mariposa de admisión totalmente abierta, de modo que la mayor restricción que se encontrará el flujo de aire en su recorrido hacia el interior del cilindro será la(s) válvula(s) de admisión. Estas válvulas en los motores de combustión interna alternativos son siempre del mismo tipo,

25 conocido como válvulas de asiento. Debido a su geometría y tipo de accionamiento, el área de paso útil que dejan estos elementos es muy reducida y está delimitada por el diámetro de la cabeza de válvula y la alzada de la misma.

A medida que la velocidad de giro del motor se incrementa para generar más potencia, el problema del rendimiento volumétrico se acrecienta. Los gases circulan cada vez 30 más rápido (más pérdidas por fricción del fluido) pero menos tiempo hay disponible para permitir el intercambio. En el límite de funcionamiento del motor, a medida que

aumentan las revoluciones, desciende la potencia generada, ya que no es posible introducir la masa de aire suficiente para una combustión adecuada y las pérdidas mecánicas han aumentado. Para que esta situación se produzca con el régimen más elevado posible, se aumenta en la medida de lo posible el tamaño de las válvulas, su número o su longitud de apertura (alzada), buscando el máximo área de paso para el gas. Sin embargo, estos parámetros se ven limitados directamente por la geometría y dimensiones del cilindro. Las válvulas de admisión y escape son diferentes e independientes, y sus dimensiones se ven limitadas por el calibre del cilindro y los elementos adyacentes (bujías, inyectores ...). Por otro lado, el alzado está limitado por la posibilidad de colisión de las válvulas con el pistón y también por un adecuado funcionamiento del motor a bajas revoluciones que requiere aperturas de válvula pequeñas.

Como medida para paliar estos problemas, la solución principal que aporta el sistema propuesto es emplear todas las válvulas del cilindro para los mismos procesos. Esto es, las mismas válvulas por las que se realiza la admisión de mezcla fresca (o sólo aire en el caso de un motor diesel o de inyección directa) servirán para evacuar los gases de escape producto de la combustión. De este modo, prácticamente se duplicaría el área de paso útil de los gases hacia o desde el cilindro. Incluso en el caso de un motor extremadamente sencillo de 4 tiempos, no sería necesario tener como mínimo 2 válvulas (una de admisión y otra de escape). En este caso se podría disponer de una única válvula. De aquí recibe el nombre este sistema, conocido como monoválvula (monovalve), de válvula común (common valve) o de válvula de doble uso (dual duty valve).

Esta concepción del motor, aunque resulta novedosa, ya que no existen demasiados motores funcionando así en el mundo (ninguno comercial), Existen precedentes de algunas patentes antiguas que versan sobre este tipo de motor [US2105699, US2894495]. El principal problema de este tipo de mecanismo radica en conseguir mantener el ciclo del motor 4 tiempos (sus procesos) en funcionamiento empleando sólo válvulas comunes. Para que un sistema de válvula común funcione en la práctica es necesario separar el flujo de admisión del de escape fuera del cilindro. Sino, al producirse la admisión justo después del escape se corre el riesgo de introducir de nuevo en el cilindro una mezcla de gases quemados en lugar de una mezcla fresca. Es en la solución de este punto dónde se cree que los intentos anteriores no tuvieron éxito, al aportar soluciones mecánicas extremadamente complejas o soluciones basadas en la fluido dinámica del gas que prácticamente no eran aplicables. La solución que se propone en esta invención es la regulación de los flujos de admisión y escape mediante sencillos sistemas de válvulas de diafragma, cuya apertura circular genera siempre la máxima área de paso y tienen muy fácil regulación al no estar sometidas a condiciones de temperatura y presión elevadas.

Realización preferida

El esquema general del sistema propuesto puede verse en la figura 1. Los elementos que atraviesa el flujo de aire fresco en su primera parte del recorrido hacia el motor son los habituales en cualquier motor de combustión interna alternativo (MClA). Partiendo desde la atmósfera (1) se pasa por el filtro de aire (2), los conductos de admisión (3), o cualquier otro elemento que se estime necesario. Justo al final de este grupo de elementos, antes de que el conducto se divida a cada uno de los diferentes cilindros (en el supuesto de que el motor no sea monocilíndrico) se instalaría una válvula de diafragma de admisión (4). Una imagen genérica y esquemática de la misma puede verse en la figura 2.

Esta válvula desemboca en un volumen de pequeñas dimensiones (5) que se ha denominado conducto común ya se comunica también con el ramal de gases de escape. Este volumen puede ser un pequeño tramo de conducto u tener una geometría todo lo compleja que interese, pero de forma genera" interesará que sea lo más pequeño posible para evitar el almacenamiento de gases entre ciclos.

La válvula de diafragma de escape (8) es igual a la de admisión, simplemente varía la regulación (momento de apertura/cierre). Aguas abajo de las láminas de escape, se encontrarán todos los elementos típicos y necesarios que puede tener un motor de combustión interna alternativo. Conductos de escape (9), sistemas de tratamiento de humos, catalizadores, silenciadores, etc (10L hasta evacuar los gases a la atmósfera (1).

El conducto común (5L por el que circulan tanto gases frescos como gases de escape se comunica inmediatamente con la(s) válvula(s) del cilindro (6). Durante la fase de escape del motor 4 tiempos, los gases quemados abandonarán el cilindro (7) por estos conductos, mientras que en la posterior (fase de admisión) el aire limpio fluirá hacia el interior del mismo. El mezclado de ambos se evita al regular el flujo con las válvulas de diafragma, como se explica a continuación basándose en el esquema de la figura 1.

Durante la fase de escape, las válvulas del cilindro están abiertas y los gases producto de la combustión que poseen presión superior a la atmosférica (3-4 [bar]) y alta temperatura inundan los conductos de entrada al cilindro y el conducto común. En este punto, se abre la válvula de diafragma de escape, de modo que el gas podrá fluir libremente hacia ese ramal. A medida que el pistón asciende desde el punto muerto inferior (PMI) hacia el punto muerto superior (PMS) se va evacuando este gas, y la presión del conducto común se va acercando a la atmosférica.

Al llegar el pistón al PMS e iniciar el descenso (fase de admisiónL se cierra el diafragma de escape y se abre el de admisión. Queda así libre el ramal de admisión para que fluya el aire fresco gracias a la depresión generada. De este modo, se regula el flujo fuera del cilindro permitiendo al motor trabajar con válvulas de doble flujo sin problema de que se mezclen los gases de admisión y escape.

Como ventajas añadidas a esta idea, al hacer trabajar las válvulas del cilindro con flujos intermitentes (frio/caliente), se produce una mejor refrigeración del motor. Los pOSibles problemas de los gases de escape por alta temperatura también son minimizados, y sobre todo se reducen los problemas de refrigeración y resistencia mecánica de las válvulas de escape, que a menudo es un problema en los motores de este tipo.

Por tanto, la presente invención propone utilizar las válvulas de diafragma situadas en la posición especificada (y no directamente regulando el flujo del cilindro). La invención hace uso de dos soluciones. La posibilidad de hacer viable una idea antigua como es el motor monoválvula gracias a su combinación con las válvulas de diafragma.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra el esquema general del sistema de carga en un motor de combustión interna alternativos (MClA) de 4 tiempos con válvula común y control de flujo mediante válvulas de diafragma. El aire de combustión se admite directamente desde la atmósfera (1) a través del filtro (2) y circula por los diferentes conductos de admisión (3). Al final de este ramal se encuentra con el diafragma de admisión (4) que comunica con el volumen o conducto común (5). Partiendo de este volumen el flujo puede viajar hacia el escape a través del diafragma de escape (8), atravesando los conductos de escape (9) y los diversos sistemas de tratamiento de gases (10) para finalmente ser evacuados a la atmósfera (1).

El otro camino que puede tomar el flujo desde el volumen común (5) es hacia el interior del cilindro (7), al cual tendrá acceso a través de las válvulas de asiento (6).

En la figura 2 se muestra modelo esquemático de válvula de diafragma. En la posición mostrada la válvula estaría cerrada. (1) representa el cuerpo de la válvula, mientras (2) es el conducto por el cual circularán los gases a través de la misma. La apertura o cierre de (2) se realiza mediante una serie de cuerpos (3) denominados pétalos del

Claims (3)

1. REIVINDICACIONES

   1. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos de 4 tiempos caracterizado por comprender:

   a. Una o varias válvulas comunes (típicamente de aSiento) que sirven a la vez para la admisión de aire (o mezcla de aire/combustible) hacia el interior del

   5 cilindro y también para evacuar los gases de escape procedentes de la combustión.

   b. Un conducto de admisión y otro de escape independientes en su parte inicial que los comunica con la atmósfera, pero ambos unidos en un volumen común muy pequeño que se encuentra después de las válvulas de diafragma

   10 si se sigue el sentido del flujo hacia el interior del cilindro.

   c.

   Una o varias válvulas de diafragma en el conducto de admisión.

   d.

   Una o varias válvulas de diafragma en el conducto de escape.

2. 2. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos de 4 tiempos, según reivindicación 1, caracterizado porque el que el flujo hacia el

   15 interior del cilindro está controlado por la apertura y cierre de la válvula común de tipo asiento mientras las válvulas de diafragma ejercen control sobre el flujo que entra o sale en el volumen común.
3. 3. Sistema de renovación de la carga en motores de combustión interna alternativos de 4 tiempos, según reivindicaciones 1-2, caracterizado porque las válvulas de

   20 diafragma tanto en el conducto de admisión como de escape actúan de modo neumático, hidráulico, mecánico, eléctrico o electrónico.

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   Figura 1.

   Figura 2.