ES2813092T3 - Procedimiento para mejorar la eficiencia de motores de combustión interna - Google Patents

Abstract

Un procedimiento para modificar un motor de combustión interna, comprendiendo el motor de combustión interna: un cilindro (3); un pistón (1) alojado dentro del cilindro (3) y movible entre una posición de punto muerto superior, PMS, y una posición de punto muerto inferior, PMI, una cámara de combustión (7) del cilindro (3) que tiene un volumen definido por una cabeza (8) del pistón cuando el pistón (1) está en la posición del punto muerto superior, PMS; y aparato para controlar la apertura y el cierre de un portal de entrada-salida (9) del cilindro (3), donde el portal de entrada-salida (9) está configurado, cuando está abierto, para permitir que el aire o una mezcla de aire-combustible entre o entre y salga del cilindro (3) y, cuando está cerrado, para evitar que el aire o la mezcla de aire-combustible entre o salga del cilindro (3); el procedimiento comprende las etapas de: modificar la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) de modo que el volumen de la mezcla de aire o aire-combustible situado en el interior del cilindro (3) cuando se cierra el portal de entrada-salida (9) sea inferior al volumen del cilindro definido cuando el pistón (1) está en el punto muerto inferior, PMI, posición en el interior del cilindro (3) cuando el portal de entrada-salida (9) está cerrado de modo que se aumenta la relación de expansión del motor; y, unir de forma fija un miembro incompresible (21, 23) dentro de la cámara de combustión (7) para reducir el volumen de la cámara de combustión en una cantidad proporcional al volumen de mezcla de aire-combustible cuando se cierra el portal de entrada-salida.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para mejorar la eficiencia de motores de combustión interna

Campo de la invención

[0001] La presente invención se refiere al campo de los motores alternativos de combustión interna tales como los que funcionan utilizando el 'Ciclo Otto Estándar de Aire', o 'Ciclo Diésel Estándar de Aire'. También se refiere a las modificaciones de dichos motores para mejorar su eficiencia.

Antecedentes de la invención

[0002] Los principios teóricos fundamentales de esta idea han surgido y evolucionado a partir del estudio largo y detallado y al escrutinio exhaustivo de la estructura y los componentes de los motores de combustión interna de automóviles, el funcionamiento y la termodinámica de las etapas (tiempos) de los ‘Ciclos de Potencia Estándar de Aire’, el efecto de cada tiempo y la contribución a las razones de la eficiencia relativamente baja de su funcionamiento, etc.

[0003] Los motores de automóviles de gasolina que funcionan en el ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ tienen una eficiencia de entre el 22% y el 28%

[0004] Los motores de automóviles diésel que funcionan en el ‘Ciclo Diésel Estándar de Aire’ tienen una eficiencia de entre el 36% y el 42%.

[0005] Los grandes motores, como los conjuntos marinos, tienen una mayor eficiencia que puede alcanzar el 50%.

[0006] Sin embargo, los motores de dos tiempos tienen una eficiencia menor que rara vez supera el 22%.

[0007] Una gran parte de la energía liberada en los motores de gasolina y diésel se pierde debido a los gases de escape calientes y al agua de refrigeración o aire de refrigeración utilizados para enfriar los motores.

[0008] El diseño, la estructura y los materiales de construcción de los motores convencionales de gasolina y diésel se han estudiado y desarrollado continuamente durante más de 100 años, para obtener la mayor eficiencia de los combustibles usados. La calidad de los combustibles y el modo de funcionamiento de los motores de dos y cuatro tiempos también se han desarrollado y ajustado para controlar mejor los tiempos y el progreso de cada carrera y su sincronización (entre diferentes cilindros del mismo motor).

[0009] Muchos científicos, diseñadores, investigadores, inventores y similares han realizado esfuerzos significativos para mejorar aún más la eficiencia de los motores de combustión interna y se han concedido muchas patentes en todo el mundo para una variedad de reivindicaciones. Se hace referencia, por ejemplo, a los documentos US336505, US2003/0097998A1, EP1526265A2 y WO98/07973. Muchos de ellos implican un mejor control y sincronización de la operación, mientras que otros implican la adición de nuevas piezas y componentes complicados y que son difíciles o muy costosos de implementar o introducir en los motores existentes. Algunas sugerencias debilitan la estructura de los motores y en realidad no son prácticas de implementar. Sin embargo, la eficiencia de los motores de combustión interna ha seguido siendo en general baja en lo que respecta a la utilización de la energía liberada del combustible.

[0010] Las realizaciones de la invención proporcionan formas y medios, que pueden aumentar la extracción de la energía útil de la combustión de los combustibles y lograr una mayor eficiencia de los motores convencionales, pero también buscan minimizar los cambios y modificaciones de su estructura, construcción, funcionamiento y, de esta forma:

• minimizar (o eliminar) la necesidad para la adición de nuevas piezas o equipos complicados, en particular piezas móviles;

• limitar y simplificar en la medida de lo posible la modificación identificada y potencialmente útil de los componentes existentes;

• minimizar (o preferiblemente eliminar) la interferencia en las piezas móviles, mecanismos y sistemas de control;

• maximizar el efecto positivo del funcionamiento de los tiempos de los motores convencionales actuales;

• ser fáciles de introducir en el nuevo motor con un coste mínimo (preferentemente menor o ningún coste adicional);

• poder introducirse en los motores existentes con un coste mínimo;

• lograr la máxima eficiencia; y

• mejorar el efecto 'medioambiental' de la industria automotriz en la atmósfera.

[0011] Las realizaciones de la invención modifican motores convencionales (motores de combustión interna de dos tiempos o cuatro tiempos) y aumentan significativamente la eficiencia y el rendimiento de esos motores, y también mejoran el efecto ambiental general de la industria automotriz en el medio ambiente.

[0012] Las realizaciones de la invención modifican el árbol de levas, o cualquier dispositivo alternativo con la función del árbol de levas de modo que la apertura y el cierre de los portales de entrada-salida individuales (y todos) de los motores involucrados, para extender (o reducir) la apertura de dichas válvulas durante un tiempo calculado y predeterminado, y también reducir el volumen de las cámaras de combustión en una cantidad predeterminada y calculada.

[0013] Las realizaciones de la invención pueden introducirse en motores existentes o incluirse en motores nuevos y tienen las ventajas de:

• mantener todos los principios de funcionamiento de los tiempos del ‘Ciclo de Potencia’ (tiempos de succión , compresión, potencia y expansión) de los motores convencionales o nuevos implicados;

• no implicar la adición de ninguna pieza móvil nueva ni la cancelación de ningún componente existente;

• mantener los principios básicos actuales de diseño, estructura y funcionamiento de los motores convencionales;

• dividir o ampliar ligeramente la acción de algunos de los tiempos y reorganizar su funcionamiento y efecto de manera que mejore significativamente la extracción de energía útil de los combustibles utilizados y, por lo tanto;

• requerir menos refrigeración por agua o aire;

• no añadir ningún coste adicional al diseño y fabricación de los nuevos motores modificados. En realidad, puede costar menos después de dominar el diseño y la construcción de los motores modificados y reducir la necesidad de sistemas de refrigeración grandes y costosos, sistemas de escape, menos consumo de combustible, menos necesidad de combustibles de muy alto octanaje, etc.

• aumentar la eficiencia y el rendimiento de esos motores. En el caso de los motores de gasolina que utilizan el 'Ciclo Otto Estándar de Aire', la eficiencia aumenta de aproximadamente un 25 % a más un 40%. En el caso de los motores diésel que utilizan el 'Ciclo Diésel Estándar de Aire', la eficiencia aumenta de aproximadamente el 38 % a más del 48%.

[0014] Las modificaciones se pueden introducir fácilmente en motores que funcionan actualmente con un nivel aceptable de costos (en comparación con ahorros significativos en los combustibles y sus costos), que se pueden limitar a reemplazar solamente la cubierta del motor existente (cabezal) con otra cubierta que comprende realizaciones de la invención.

[0015] Las realizaciones de la invención también se pueden aplicar a motores de dos tiempos y en realidad podrían aumentar la eficiencia de esos tipos de motores en márgenes más altos y de forma conservadora por encima del 35 %, con una enorme mejora de su efecto ambiental.

[0016] Las realizaciones de la invención permiten que los motores modificados (gasolina y diésel) funcionen con 50% a 60% del combustible requerido de motores no modificados, mientras que alcanzan más del 85-95% de la potencia, en comparación con la situación si el mismo motor funciona en modo convencional con 100% de combustible. Las realizaciones de la invención logran esto creando condiciones de relación de expansión extendida de los gases de la combustión y posteriormente reduciendo la presión y temperatura de los gases de escape de los niveles actuales de más de 0,55 M Pascal (abs) (5,5 Bar) a menos de 0,2 M Pascal (abs) (2,0 Bar) y la temperatura de escape de los niveles actuales de más de 1300 K a menos de 1000 K.

[0017] Un ejemplo que no forma parte de la invención y que se describe en esta invención es un aparato para controlar el volumen de aire dentro de una cámara de combustión y cilindro de un motor de combustión interna, que comprende un portal de entrada-salida que tiene estados abierto y cerrado y conectado a una fuente de aire; y cámara de combustión de volumen reducido; donde el portal de entrada-salida se controla, cuando está abierto, para permitir que el aire entre en la cámara de combustión y el cilindro y cuando está cerrado para evitar que el aire entre o salga de la cámara y el cilindro, en el que el volumen de aire ubicado dentro de la cámara y el cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra, es menor que el volumen de la cámara de combustión y el cilindro definido cuando el pistón se encuentra en la posición del punto muerto inferior (PMI) dentro del cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra. Este ejemplo se aplica en particular a los motores en los que el combustible se inyecta en la cámara de combustión por separado del aire que entra en la cámara de combustión y el cilindro durante la carrera de admisión. Preferentemente, el portal se cierra durante la carrera de admisión cuando la cabeza del pistón se ha movido a una posición de entre sustancialmente 40% y sustancialmente 70% de la distancia desde la posición del punto muerto superior hacia la posición del punto muerto inferior.

[0018] Un ejemplo que no forma parte de la invención y que se describe en esta invención es un aparato para controlar el volumen de aire dentro de una cámara de combustión y cilindro de un motor de combustión interna, que comprende un portal de entrada-salida que tiene estados abierto y cerrado y conectado a una fuente de aire; y cámara de combustión de volumen reducido; donde el portal de entrada-salida se controla, cuando está abierto, para permitir que el aire entre y salga de la cámara de combustión y el cilindro y cuando está cerrado para evitar que el aire entre o salga de la cámara y el cilindro, en el que el volumen de aire ubicado dentro de la cámara y el cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra, es menor que el volumen de la cámara de combustión y el cilindro definido cuando el pistón está en la posición del punto muerto inferior (PMI) dentro del cilindro cuando el portal de entrada-salida está cerrado. Este ejemplo se aplica en particular a los motores en los que el combustible se inyecta en la cámara de combustión por separado del aire que entra en la cámara de combustión y el cilindro durante la carrera de admisión. Preferentemente, el portal se cierra durante la carrera de compresión del pistón cuando la cabeza del pistón se ha movido a una posición de entre sustancialmente 30% y sustancialmente 60% de la distancia desde la posición del punto muerto inferior hacia la posición del punto muerto superior.

[0019] Un ejemplo descrito en esta invención es un aparato para controlar el volumen de aire y mezcla de combustible no combustionado dentro de una cámara de combustión y cilindro de un motor de combustión interna, que comprende un portal de entrada-salida que tiene estados abierto y cerrado y conectado al aire y fuente(s) de combustible no combustionado; y cámara de combustión de volumen reducido; donde el portal de entrada-salida se controla, cuando está abierto, para permitir que el aire y la mezcla de combustible no combustionado entren en la cámara de combustión y el cilindro y cuando está cerrado para evitar que el aire y la mezcla de combustible no combustionado entren o salgan de la cámara y el cilindro, en el que el volumen de aire y la mezcla de combustible no combustionado ubicado dentro de la cámara y el cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra, es menor que el volumen de la cámara de combustión y el cilindro definido cuando el pistón se encuentra en la posición del punto muerto inferior (PMI) dentro del cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra. Este ejemplo tiene una aplicación particular para motores en los que una mezcla de aire-combustible se lleva a la cámara de combustión y el cilindro durante la carrera de admisión del motor. Preferentemente, el portal se cierra durante la carrera de admisión cuando la cabeza del pistón se ha movido a una posición de entre sustancialmente 40% y sustancialmente 70% de la distancia desde la posición del punto muerto superior hacia la posición del punto muerto inferior.

[0020] Un ejemplo que no forma parte de la invención y que se describe en esta invención es un aparato para controlar el volumen de aire y mezcla de combustible no combustionado dentro de una cámara de combustión y cilindro de un motor de combustión interna, que comprende un portal de entrada-salida que tiene estados abierto y cerrado y conectado al aire y fuentes de combustible no combustionado; y cámara de combustión de volumen reducido; donde el portal de entrada-salida se controla, cuando está abierto, para permitir que el aire y la mezcla de combustible no combustionado entren o entren y salgan de la cámara de combustión y el cilindro y cuando está cerrado para evitar que el aire y la mezcla de combustible no combustionado entren o salgan de la cámara y el cilindro, en el que el volumen de aire y la mezcla de combustible no combustionado ubicados dentro de la cámara y el cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra, es menor que el volumen de la cámara de combustión y el cilindro definido cuando el pistón está en la posición del punto muerto inferior (PMI) dentro del cilindro cuando el portal de entrada-salida se cierra. Este ejemplo tiene una aplicación particular para motores en los que una mezcla de aire-combustible se lleva a la cámara de combustión y el cilindro durante la carrera de admisión del motor. Preferentemente, el portal se cierra durante la carrera de compresión del pistón cuando la cabeza del pistón se ha movido a una posición de entre sustancialmente 30% y sustancialmente 60% de la distancia desde la posición del punto muerto inferior hacia la posición del punto muerto superior.

[0021] Preferentemente, el portal de entrada-salida comprende una válvula de entrada-salida.

[0022] Un ejemplo que no forma parte de la invención y que se describe en esta invención es un motor de combustión interna que comprende: al menos un cilindro; al menos un pistón; una cámara de combustión con volumen reducido conectada al cilindro o a cada cilindro; al menos un portal de entrada-salida para cada cámara de combustión que tiene estados abierto y cerrado y conectado al aire o a una fuente de aire y fuentes de combustible no combustionado; una leva giratoria para controlar cada portal de entrada-salida; en la que la leva está desplazada con respecto a la posición del punto muerto inferior del pistón o su respectivo pistón.

[0023] Un ejemplo que no forma parte de la invención y que se describe en esta invención es un motor de combustión interna que comprende un miembro sustancialmente incompresible ubicado dentro de la cámara de combustión de un motor de combustión interna para reducir el volumen del motor de combustión interna.

Breve descripción de los Dibujos

[0024] A continuación, se describirán ejemplos de la presente descripción que no forman parte de la invención con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

La figura 1 muestra el diagrama P - V esquemático del ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’;

La figura 2 muestra el diagrama P - V esquemático del ‘Ciclo Diésel Estándar de Aire’;

La figura 3 muestra el diagrama P - V esquemático del ‘Ciclo Atalla Mod. Estándar de Aire’ con modificación; La figura 4 muestra el diagrama P - V esquemático ‘Ciclo Atalla Mod Estándar de Aire’ para motores diésel con modificación;

La figura 5 muestra los diagramas T - S esquemáticos de los ciclos de gasolina (motores);

La figura 6 muestra los diagramas T - S esquemáticos de los ciclos de tipo diésel;

La figura 7 muestra el diagrama esquemático que muestra los componentes del cilindro y la rotación del cigüeñal (convencional y modificado);

La figura 8 muestra el diagrama esquemático que muestra las modificaciones de diseño requeridas del árbol de levas y el tiempo de apertura del portal de entrada-salida;

La figura 9 muestra las cámaras de combustión, cilindros convencionales y modificados;

La figura 9a muestra las cámaras de combustión, cilindros convencionales y modificados;

La figura 10 muestra el diagrama esquemático que muestra los componentes del cilindro y la rotación del cigüeñal; La figura 11 muestra un diagrama esquemático del motor de cuatro cilindros y cómo se organizan las manivelas en el cigüeñal a 180 grados angulares entre sí; y

La figura 12 muestra el diagrama esquemático que muestra los componentes del cilindro y la rotación del cigüeñal (convencional y modificado) de los motores de dos tiempos.

Descripción detallada

[0025] Con referencia a las figuras 7, 8, 9, 9a, 10, 11 y 12 de los dibujos, los ejemplos de la descripción que no forman parte de la invención pueden comprender un motor que comprende un pistón 1 alojado dentro de un cilindro 3.

[0026] El pistón 1 se aloja dentro del cilindro 3 de modo que el pistón 1 es libre de moverse dentro del cilindro. El pistón está conectado de forma pivotante a una conexión de palanca 5, que a su vez está conectada de forma pivotante a un cigüeñal (no se muestra). Esta conexión del pistón 1 al cigüeñal convierte el movimiento alternativo del pistón dentro del cilindro en movimiento giratorio del cigüeñal. Esta conexión también limita el movimiento del pistón 1 dentro del cilindro entre una posición en la que la cabeza del pistón 8 (la cara del pistón expuesta al combustible combustionado o combustible y aire) está más lejos del cigüeñal. Esta posición se conoce como Punto Muerto Superior (PMS). La posición de la cabeza del pistón 8 dentro del cilindro de manera que esté más cerca del cigüeñal se conoce como Punto Muerto Inferior (PMI). En motores de combustión alternativos, PMS define el volumen de la cámara de combustión, y PMI define el volumen de la cámara de combustión más el volumen del cilindro. El pistón puede desplazarse libremente desde la Posición del Punto Muerto Inferior (PMI) hasta la posición del Punto Muerto Superior (PMS) dentro del cilindro.

[0027] El sello entre el pistón y el cilindro debe ser lo suficientemente bueno como para que la expansión de gases combustibles (durante la carrera de expansión del motor a medida que el pistón se mueve del PMS al PMI) no pueda escapar entre la unión del pistón y el cilindro. Además, el sello entre el pistón y el cilindro debe ser lo suficientemente bueno para que pueda contener el aire o la mezcla de aire y combustible, ya que el pistón lo comprime en el cilindro durante la carrera de compresión del motor a medida que el pistón se mueve del PMI al PMS.

[0028] El cilindro tiene un volumen de trabajo que es igual al volumen trazado por la cabeza del pistón a medida que la cabeza del pistón se mueve entre el PMI y el PMS. Por lo tanto, el volumen de trabajo del cilindro será el área de sección transversal del cilindro, por ejemplo, el área de un círculo si el cilindro tiene una sección transversal circular, multiplicada por la distancia entre el PMS y el PMI. El volumen del cilindro se utiliza generalmente como medida de la potencia del motor.

[0029] Un extremo del cilindro 3 está conectado a una cámara de combustión 7. La cámara de combustión es el volumen en el que se comprime aire o aire y combustible no combustionado cuando el pistón alcanza la posición PMS. La cámara de combustión tiene en un extremo un portal de entrada-salida 9. Preferentemente, el portal de entrada-salida comprende una válvula de entrada-salida. El portal de entrada-salida tiene estados abiertos y cerrados y está conectado a una o más fuentes de aire o aire y combustible no combustionado a través de un tubo 9 preferentemente un tubo de succión. Típicamente, si el portal de entrada-salida está conectado a una fuente de aire y combustible, habrá una fuente para el aire y una fuente diferente para el combustible. Los dos componentes se mezclarán antes de ser suministrados al tubo de succión. También se proporciona en un extremo de la cámara de combustión una válvula de escape 11, que se muestra en la figura 7 en la posición abierta, y una bujía 13. La válvula de escape 11 está conectada a un tubo de escape 15 para que el gas combustionado se pueda retirar de la cámara de combustión 7. Por lo general, las levas 17 montadas en un árbol de levas 19 controlarán el portal de entrada-salida 9 y la válvula de escape 11. Sin embargo, se puede utilizar cualquier otro aparato para controlar la apertura y el cierre del portal de entrada-salida 9 y la válvula de escape 11.

[0030] Las realizaciones de la invención modifican el diseño y funcionamiento actuales de los motores de combustión alternativos, en particular, los motores de combustión interna (2 tiempos o 4 tiempos) de tipo pistón y cilindro, que funcionan según los principios de los 'Ciclos de Potencia Estándar de Aire' tales como el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' figura 1, o el 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' figura 2. Dichos motores podrán utilizar cualquiera de los combustibles como fuente de energía tales como: gas natural, GLP, gasolina, queroseno, gasóleo, combustible de vacío ligero o pesado, combustible residual, alcohol, biocombustible, hidrógeno, combinación de combustibles o cualquier otro tipo de combustibles. Estos se conocen como combustible. Las modificaciones permiten el funcionamiento repetido de todas las carreras de un ciclo de potencia completo, por ejemplo, cuatro carreras (sucesiones de: carreras de succión, compresión, expansión y escape) de una manera que resultará en una mejor extracción de energía útil (térmica o mecánica) de los combustibles combustionados y así mejorar la eficiencia y el rendimiento de este tipo de motores. Para lograr esto, las realizaciones de la invención modifican los motores convencionales de dos maneras.

[0031] El pistón y el cilindro generalmente serán de sección circular cuando se vean a lo largo del eje de movimiento del pistón. Sin embargo, se podría usar cualquier pistón y cilindro con forma, por ejemplo, ovalada u otra forma.

^ Modificación n.21

[0032] Las realizaciones de la invención cambian (modifican) el árbol de levas existente, aumentando (extendiendo) el espacio circular del mecanismo del árbol de levas (resaltos metálicos) o cualquier dispositivo alternativo con la función del árbol de levas, en posiciones que controlan la apertura y el cierre de puertos de entradasalida individuales (válvulas de succión) de los motores involucrados. Tenga en cuenta que solo las levas que accionan los puertos de entrada-salida deben modificarse, y las levas que accionan los puertos de escape permanecen sin modificar. Las levas normalmente se montarán en un árbol de levas. La leva modificada comprende una parte que es sustancialmente ovalada en sección transversal. Preferentemente, la sección transversal de la leva es sustancialmente la de un óvalo cartesiano. La modificación debe ser tal que se extienda la apertura de cada puerto de entrada-salida durante el movimiento del pistón correspondiente de la siguiente manera:

a- Abrir el puerto de entrada-salida cuando el pistón correspondiente esté en el Punto Muerto Superior (PMS), (inicio de la 'Carrera de Succión')

b- Mantener el puerto de entrada-salida abierto, mientras el pistón se mueve del PMS al Punto Muerto Inferior (PMI).

Este movimiento del pistón llenará dicho cilindro con mezcla de aire-combustible, o simplemente aire en casos de suministro de combustible de tipo inyección, y en el caso de carga a presión de mezcla de aire-combustible, la apertura del puerto de entrada-salida permitirá alimentar el cilindro con mezcla de aire-combustible. El aire normalmente comprenderá aire atmosférico, que tiene una composición, a 15 grados Celsius y una presión de una atmósfera, de aproximadamente 78% de nitrógeno, 21% de oxígeno, 0,9% de argón y menos de 0,1% de dióxido de carbono, neón, metano, helio, kriptón, hidrógeno y xenón en cantidades descendentes en volumen. Sin embargo, se pueden utilizar otras composiciones de aire siempre que comprendan al menos una proporción de oxígeno.

c- Continuar manteniendo abierto el puerto de entrada-salida mientras el pistón ha alcanzado el PMI y ha vuelto a moverse nuevamente hacia el PMS y cubre una distancia de, idealmente pero no necesariamente, 30% a 60% de la distancia entre el PMI y el PMS,

Este movimiento del pistón expulsará un volumen proporcional de aire-combustible o solo aire del cilindro a través del puerto de entrada-salida todavía abierto de vuelta al tubo de suministro de aire-combustible. Cuando se utilizan levas para accionar el portal de entrada-salida, esto se logra extendiendo la leva como se muestra en la leva modificada en la figura 8, de modo que se desplace de la posición del PMI del pistón. De esta manera, el portal de entrada-salida se controla de modo que esté abierto durante al menos una porción de la primera parte de la carrera de compresión de modo que el aire o la mezcla de aire y combustible salga de la cámara de combustión y el cilindro a través del portal de entrada-salida. Como se muestra en la figura 8, la leva modificada se extiende de modo que a medida que gira en el sentido de las agujas del reloj, el resalto extendido de la leva mostrado como Z forzará que el portal de entrada-salida permanezca abierto a medida que el pistón se mueve del PMI al PMS, de modo que algo de aire o aire y combustible salga de la cámara de combustión y el cilindro. En esta realización, la leva modificada que acciona el portal de entrada-salida abre el portal de entrada-salida en el punto Y de la figura 8, en el momento normal, que es generalmente cuando la cabeza del pistón alcanza el PMS al final de la carrera de escape.

La mezcla de aire-combustible expulsada no habrá experimentado un cambio notable de composición (probablemente con un poco más contenido de CO2 y mayor temperatura). Esta mezcla de aire-combustible se mezclará con la otra mezcla fresca entrante que se recibe del carburador o tubo de suministro de aire y filtro de aire, y se alimentará a los otros cilindros de dicho motor operativo, que están o estarán realizando la carrera (etapa) de succión,

d- Cerrar el portal de entrada-salida cuando dicho pistón alcance la posición predeterminada según el punto (c) anterior, 8.

[0033] La modificación mecánica del árbol de levas (o cualquier dispositivo alternativo con la función de leva) debe ser capaz de forzar el cierre del portal de entrada-salida en el momento correspondiente a la posición de dicho pistón al final de cubrir la distancia predeterminada descrita anteriormente, que es preferentemente de aproximadamente 30% a 60% del BTC al PMS.

[0034] El efecto del mecanismo modificado del árbol de levas (o dispositivo alternativo) sobre el funcionamiento de las 4 'carreras' de los motores implicados es el siguiente:

i- Ampliar el tiempo del 'Procedimiento - Carrera de Succión' de cada cilindro, y para cada carrera de succión, y dividir en dos etapas que son:

i-1 Etapa (sección) de Llenado

[0035] Refiriéndose a la figura 7 del punto A (PMS) al B (PMI), el portal de entrada-salida de cualquier cilindro se abrirá mediante el mecanismo del árbol de levas en el momento en que dicho cilindro inicie la carrera de succión con el pistón correspondiente en el Punto Muerto Superior (PMS). A continuación, el pistón se moverá al Punto Muerto Inferior (PMI) y llenará el cilindro con mezcla de aire-combustible, o simplemente aire en casos de suministro de combustible de tipo inyección, y en el caso de carga a presión de mezcla de aire-combustible, la apertura del portal de entrada-salida permitirá alimentar el cilindro con la mezcla de aire-combustible.

i-2 Etapa (sección) de Expulsión:

[0036] Refiriéndose a la figura 7, desde el punto B (PMI) hasta el punto C, dicho portal de entrada-salida continuará siendo forzado a permanecer abierto, mientras que el pistón después de alcanzar el PMI del cilindro (de acuerdo al punto c anterior) regresará y se moverá hacia el PMS y cubrirá una distancia predeterminada, que podría ser, idealmente, pero no necesariamente, de alrededor de 30% a 60% de la distancia entre el PMS y el PMI, y expulsar un volumen proporcional de aire-combustible, o solo aire, de dicho cilindro a través del portal de entrada-salida aún abierto de vuelta al tubo de suministro de aire-combustible.

[0037] ii- Dividir el tiempo y el efecto de las 'Carreras de Compresión', en comparación con el funcionamiento convencional del motor actual, en dos etapas (secciones), que son:

ii-1 Etapa (sección) de Expulsión: figura 7, del punto B (PMI) al punto C, Igual que se describe en el punto c anterior. ii-2 Etapa (sección) de Compresión: figura 7, del punto C al punto A (PMS),

[0038] En el momento en que el árbol de levas modificado, o cualquier dispositivo alternativo, fuerce el cierre (cierre) del portal de entrada-salida de dicho cilindro (como se describe en el punto c anterior), el pistón continuará moviéndose desde el punto C hacia el PMS y comprimirá la mezcla de aire-combustible, o simplemente el aire en los motores de tipo inyección. Cuando el pistón alcanza el PMS del cilindro, comprime el volumen total de la mezcla de aire-combustible o simplemente el aire del cilindro a la cámara de combustión y alcanza la ‘Relación de Compresión’ predeterminada y requerida de la mezcla de aire-combustible, o simplemente aire.

[0039] Con referencia a la figura 8, para un árbol de levas convencional, la duración de tiempo de funcionamiento de la válvula de succión es de aproximadamente 90 grados angulares, mientras que el cigüeñal se moverá 180 grados angulares. Para el árbol de levas modificado, la duración del tiempo de funcionamiento del puerto de entrada-salida será de aproximadamente 90 45 = 135 grados angulares, mientras que el cigüeñal se mueve 270 grados angulares.

[0040] De esta manera, se espera que el portal de entrada-salida permanezca abierto durante alrededor de 250 a 280 grados angulares de la revolución completa del cigüeñal, representando los elementos a, b, c y d anteriores.

[0041] Durante el resto de esa revolución (80 a 110 grados angulares), el portal de entrada-salida (y la válvula de escape está en posición cerrada) se cerrará y el pistón realizará la etapa (sección) de compresión de la carrera de compresión.

[0042] 'Relación de Compresión' económica requerida:

a- Para 'Ciclo Otto Estándar de Aire' -motores de gasolina: 8 a 10

b- Para ‘Ciclo Diésel Estándar de Aire’ -motores diésel 22 a 26

[0043] La distancia más adecuada para que el pistón se desplace y alcance la relación de compresión deseada, será optimizada por la experiencia real de operación para lograr la máxima eficiencia, que podría ser inferior al 30% o superior al 60%.

iii- Ampliar 'Carreras de Expansión':

[0044] En motores convencionales, la relación de expansión suele ser igual a la relación de compresión, y es principalmente:

a- Para 'Ciclo Otto Estándar de Aire' -motores de gasolina: 8 a 10

b- Para ‘Ciclo Diésel Estándar de Aire’ -motores diésel 22 a 26

[0045] Por lo tanto, dividiendo el volumen de trabajo (longitud) de los cilindros de los motores previstos entre el PMS y el PMI en 2 secciones, a saber:

• 'Sección de Expulsión', según el punto i-1 anterior,

• 'Sección de Compresión' según el punto i-2 anterior,

proporcionará y creará una excelente oportunidad para diseñar y controlar la línea divisoria de estas dos secciones en los cilindros de manera que se logren relaciones de expansión económica extendida, que podrían ser:

- Para ‘Motores de Gasolina’, De 15 a 22

- Para Motores Diésel, De 35 a 50

[0046] Mientras que la alta presión de los gases de la combustión continuará forzando a los pistones involucrados a recorrer toda la carrera del PMS al PMI (longitud de trabajo de dicho cilindro) bajo presión positiva favorable de esos gases de la combustión.

En realidad, la línea divisoria de la sección de expulsión y compresión de cilindros de los motores previstos podría seleccionarse para proporcionar una Relación de Expansión de más de 100. Sin embargo, la línea divisoria más práctica de los cilindros de sección de expulsión y compresión sería tal que producirá una relación de expansión adecuada y económica, mayor eficiencia y funcionamiento fiable y sin problemas de dicho motor.

[0047] Como el árbol de levas en los motores de gasolina de 4 tiempos hace una revolución completa por cada 2 revoluciones completas del cigüeñal, entonces la relación angular de giro de estos ejes, para los motores convencionales y modificados (casos) para un Ciclo de Potencia completo (carrera de succión, compresión, potencia (expansión) y escape) será la siguiente en la tabla 1 más abajo. - Suponiendo que el movimiento del pistón para la etapa de expulsión del punto B al punto C es igual al 50% de la carrera, (de acuerdo con el ítem ii-2 anterior).

[0048] En una realización adicional, el mismo efecto de expulsión de la mezcla de aire-combustible en el tubo de suministro puede lograrse cerrando el portal de entrada-salida antes de que el pistón correspondiente alcance el PMI en un 40 a 70%, lo que llevará a que dicho pistón se mueva el resto de la distancia hasta el PMI bajo vacío parcial.

[0049] Tal caso también implicará modificar el sistema de una manera diferente, particularmente el resalto del árbol de levas, que controla o acciona los puertos de entrada-salida de apertura y cierre, se reducirá en lugar de extenderse como se mencionó anteriormente, como se muestra en la figura 8 (alternativa). De esta manera, el portal de entrada-salida se controla desplazando la leva desde la posición del PMI del pistón. El portal se cierra antes de que el pistón alcance la posición del PMI durante la carrera de admisión de aire o aire y combustible. El cierre del portal durante al menos una porción de la última parte de la carrera de admisión significa que el volumen de aire, etc., introducido en la cámara de combustión y el cilindro cuando la válvula se cierra es menor que el volumen total de la cámara de combustión y el cilindro cuando el cilindro está en el PMI. Sin embargo, la leva modificada sigue abriendo el portal al comienzo de la carrera de admisión, como se muestra en el punto Y de la figura 8.

[0050] Por supuesto, el pistón continuará moviéndose hacia la posición del PMI incluso cuando la válvula esté cerrada. Cuando el pistón llegue al PMI, el cilindro contendrá aire o aire y combustible, con un volumen igual al volumen dentro de la cámara de combustión cuando el pistón se encuentre en la posición del punto muerto inferior dentro del cilindro, pero la presión del gas contenido dentro de ese volumen será inferior, asumiendo que esto es realizado a entalpía (energía interna) constante. Por lo tanto, el puerto de entrada-salida se controla para permitir que el aire o el aire y el combustible no combustionado a una presión P y temperatura T entren o entren y salgan de la cámara de combustión y el cilindro, y cuando está cerrado para evitar que el aire o el aire y el combustible no combustionado entren o salgan de la cámara y el cilindro. El volumen de aire o aire y combustible no combustionado ubicado dentro de la cámara y cilindro a la presión P y temperatura T cuando el portal de entrada-salida está cerrado (y permanece cerrado), es menor que el volumen de la cámara y cilindro de combustión cuando el pistón está en la posición del PMI dentro del cilindro.

Tabla 1

continuación

^Modificación n.22

[0051] Con referencia a las figuras 7, 8, 9, 9a, 10, 11 y 12 de los dibujos, se reduce el volumen de la cámara de combustión, para restaurar la relación de compresión. En los motores convencionales, la relación de compresión es la relación entre el volumen del cilindro y la cámara de combustión cuando el pistón está en la posición del PMI y el volumen de la cámara de combustión cuando el pistón está en la posición del PMS.

[0052] A medida que se reduce el volumen de la mezcla de aire-combustible que queda en los cilindros al final del proceso de succión y expulsión por modificación n.° 1 anterior, a continuación, se requiere una reducción proporcional en el volumen de la cámara de combustión correspondiente. Esto restaura la relación de compresión predeterminada y eficiente de la mezcla de aire-combustible en el cilindro (motor) involucrado. Con referencia a las figuras 9 y 9a, esto se logra mediante, entre otras, las siguientes medidas:

a- Añadir volumen muerto fijo, un miembro sustancialmente incompresible 21 a cada cámara de combustión (cilindro C2 de la figura 9 y la figura 9a). El volumen muerto debe ser sustancialmente incompresible y resistente al calor a las presiones y temperaturas experimentadas dentro de un motor de combustión interna, por ejemplo, a aproximadamente de 10 a 12 M Pascal y temperaturas de hasta 2500 K. El miembro debe estar sujeto de forma fija al interior de la cámara de modo que no impida la acción del pistón en el cilindro.

b- Añadir volumen muerto fijo, un miembro sustancialmente incompresible 23 a la cara superior de cada pistón (la cabeza del pistón) (cilindro C1), que también podría cambiar la posición del PMS y del PMI (a A1 y B1). Este debe ser sustancialmente incompresible y resistente al calor a las presiones y temperaturas experimentadas dentro del motor de combustión interna. El miembro debe estar sujeto de forma fija a la cabeza del pistón de manera que no impida la acción del pistón en el cilindro.

c- Cambiar la carrera de los pistones implicados (cilindro C1) entre los puntos A1 y B2, de modo que la carrera se extienda más allá de las posiciones normales del PMI y del PMS. Cuando el pistón está en la posición del PMS extendido, el volumen de la cámara de combustión se reducirá en comparación con la posición no extendida del pistón en la posición del PMS.

d- Combinación de las opciones anteriores y otras.

[0053] Los materiales elegidos deben tener un módulo de compresibilidad alto (incompresibilidad) y resistir altas temperaturas. Típicamente, la mayoría de los tipos de acero serán adecuados y generalmente acero, con un módulo de compresibilidad de ~2 X1011 Pascal es suficientemente incompresible y resiste temperaturas más altas. Cualquiera de estas opciones proporciona las condiciones necesarias, lo que permitirá lograr la relación de compresión requerida y predeterminada para la mezcla de aire-combustible, mientras que el pistón relevante se moverá una distancia predeterminada desde el punto (momento) de cierre del portal de entrada-salida (como se describe en la modificación No. 1 anterior) al PMS, que podría ser de alrededor de 30% a 60% de la distancia entre el PMI y el PMS, tal como la distancia desde el punto C al PMS - figuras.. 7 y 9.

[0054] La relación de compresión de la mezcla de aire-combustible es un parámetro muy importante en el funcionamiento de los ‘Ciclos Estándar de Aire’, y generalmente se selecciona en función del objetivo principal de lograr la mejor eficiencia (rendimiento) del combustible utilizado en el motor previsto en condiciones de funcionamiento razonablemente aceptables (controladas). Los niveles actuales de las relaciones de compresión son:

a-Para 'Ciclo Otto Estándar de Aire' -motores de gasolina: 8 a 10

b-Para 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' -motores diésel 22 a 26

[0055] La reducción de volumen requerida de las cámaras de combustión para cualquier motor modificado, por lo tanto, debe ser tal que cuando cualquier pistón recorra el resto de la distancia del cilindro relacionado, desde la posición donde se cerró el portal de entrada-salida de ese cilindro (como se describió anteriormente) al PMS (recorre alrededor del 40% al 70% de la carrera completa), logrará la relación de compresión predeterminada. La relación de compresión alcanzada debe ser similar a las relaciones de compresión de funcionamiento de los motores convencionales (Ciclos Otto Estándar de Aire o Ciclos Diésel Estándar de Aire).

[0056] La determinación de la reducción requerida para una cámara de combustión específica de un motor podría estimarse de la siguiente manera:

Supongamos:

[0057]

• El motor es 'Ciclos Otto Estándar de Aire', (4 cilindros y 4 tiempos, tipo gasolina),

• Tamaño de funcionamiento del motor: 2000 cc (centímetros cúbicos); Cada cilindro tiene el volumen de trabajo de 2000/4 = 500 cc (centímetro cúbico),

• La relación de compresión diseñada originalmente fue de 9,5, para el recorrido completo del pistón del PMI al PMS,

• Tamaño de la cámara de compresión - volumen (Vcomp) para el cilindro convencional, es :

500

Vcomp = --------- = 58.8 cc

9 ,5 -1

[0058] Al cerrar los puertos de entrada-salida a una distancia del 50% de la carrera de los pistones correspondientes del PMI al PMS para los motores modificados, significará que dichos pistones han expulsado aproximadamente el 50% de la mezcla de aire-combustible (o solo aire en los casos de motores de inyección) de los cilindros correspondientes de vuelta al tubo de alimentación, y los cilindros están solo medio llenos de la mezcla de aire-combustible. Por lo tanto, sin la reducción de volúmenes de las cámaras de combustión, esto significará que cuando dichos pistones hayan alcanzado el PMS de los cilindros relacionados, la relación de compresión alcanzada será sólo aproximadamente la mitad del nivel requerido, de la siguiente manera:

[0059] Esta no es una relación de compresión buena y eficiente para operar el ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ y dará lugar a pérdidas de energía significativas, especialmente con los gases de la combustión de escape. La reducción física requerida del tamaño de la cámara de combustión para restaurar la relación de compresión a 9,5 para un motor de 2000 cc de tamaño con 4 cilindros de 500 cc de volumen de trabajo cada uno, deberá reducirse a:

500

Reducción Requerida (Red.) = ........- ........./ 2 = 29,4 cc

( 9 , 5 - 1 )

[0060] Por lo tanto, la relación de compresión (C R) del motor (cilindro) modificado se restaurará a:

[0061] Esta relación de compresión del cilindro modificado dará una 'Relación de Expansión' correspondiente en el mismo cilindro del PMS al PMI del cilindro de la siguiente manera:

500 29,4

Relación de Expansión Modificada = ..................... = 18

29,4

[0062] Este es un aumento significativo en la relación de expansión y proporcionará condiciones de operación adecuadas para extraer una cantidad significativa de energía adicional (mecánica o térmica) de dicho ‘Ciclo de Potencia’.

[0063] Para lograr una relación de expansión aún mayor de los motores en funcionamiento, será necesario reducir proporcional y físicamente el tamaño de la cámara de combustión, y reducir el volumen de la mezcla de aire comprimido y combustible en el cilindro.

[0064] Por ejemplo, si se requiere tener una relación de expansión de 22, para el cilindro anterior, las reducciones físicas requeridas en el volumen de las cámaras de combustión (Vc), se estimarán como:

Vc - es el volumen requerido de la cámara de combustión

Vc = 23,8 cc

[0065] Reducción adicional requerida del tamaño de la cámara de combustión: 29,4 - 23,8 = 5,6 cc [0066] El volumen de la mezcla de aire-combustible de trabajo para lograr una relación de compresión de 9,5 en esta cámara de combustión se calculará a partir de la siguiente ecuación:

Vac - es el volumen de trabajo de la mezcla de aire-combustible en el cilindro, Vac = 202,3 cc

202,3

Esta cantidad de mezcla de aire-combustible ............ x 100 = 40,5%

será solamente

500

[0067] Del tamaño completo (volumen) del cilindro, cuando se opera en el modo de funcionamiento convencional (sin modificaciones).

[0068] Al restaurar la relación de compresión de la mezcla de gas y combustible en los motores de gasolina -digamos a 9,5, para sólo la mitad de la distancia del movimiento del pistón entre el PMI y el PMS y la mitad del volumen del cilindro de trabajo de la mezcla de aire y combustible, permitirá que los gases de la combustión alcancen una relación de expansión extendida de 18 a 19, y operar (mover) el pistón por presión positiva de los gases de la combustión para una distancia (tiempo) mucho más larga en comparación con los motores actuales, de la siguiente manera;

i. El pistón realizará la parte convencional del ciclo de potencia mientras recorre la mitad de la distancia del cilindro entre el PMS y el PMI. Esta sección del ciclo de potencia se realiza bajo condiciones y modos de funcionamiento similares a los actuales motores convencionales ‘Ciclo de Otto Estándar de Aire’ en términos de:

- Alcanzar la relación de expansión de alrededor de 9,5,

o La presión de los gases de la combustión disminuye de más de 7,5 M Pascal (75 bar) a aproximadamente o poco más de 0,45 M Pascal (4,5 bar),

- La temperatura de los gases de la combustión disminuye de más de 2400 K a unos 1250 K (probablemente unos 1400 K)

- Las condiciones de funcionamiento en este punto de funcionamiento de los motores modificados (cuando el pistón está en la parte media del cilindro), corresponden al momento de funcionamiento de los motores convencionales, cuando el pistón se acerca al PMI del cilindro y la válvula de escape se abre para expulsar los gases de la combustión,

ii. Sin embargo, como el pistón está aproximadamente a mitad del cilindro, continuará viajando la otra mitad del cilindro hacia el PMI, y también bajo la acción continua de la alta presión de los gases de la combustión (condiciones muy favorables), que se expandirá aún más para otra relación de expansión de alrededor de 8,5 a 9,5 (o incluso hasta 12). Esto ayudará a extraer una cantidad significativa de energía mecánica útil adicional de los gases de la combustión y a mejorar la eficiencia y el rendimiento general del motor.

[0069] Se espera que las condiciones de presión y temperatura de los gases de la combustión al inicio y al final de esta sección de la carrera de expansión sean las siguientes:

- Presión, Inicio: Más de 0,45 M Pascal, Fin: Baja hasta aproximadamente 0,15 M Pascal,

- Inicio, Probablemente más de 0,6 M Pascal

-Temperatura, Inicio: Más de 1250 K Fin: Baja hasta aproximadamente 950 K,

- Inicio, Probablemente más de

1400 K

[0070] Por lo tanto, dicho motor funcionará con sólo del 50% al 60% de la cantidad diseñada de combustible, mientras que podría ser capaz de alcanzar del 85% al 95% de la potencia diseñada del mismo motor a las mismas RPM, (si estaba funcionando según el ciclo de potencia convencional). Esto implica que el motor será capaz de mover el automóvil para el que ha sido diseñado por una distancia mucho mayor por litro de combustible usado (más kilómetros). Las realizaciones de la invención mejoran la eficiencia del motor en más del 30% en comparación con la operación actual (suponiendo que la eficiencia de referencia de los motores de gasolina actuales sea 100%, como se mostrará en el ejemplo).

[0071] La introducción de esta modificación n.° 2 (Reducción física del Volumen de las Cámaras de Combustión) en los motores actuales y futuros podría lograrse de la siguiente manera:

^Modificación de vehículos existentes,

[0072] Las modificaciones se introducen en los vehículos existentes mediante:

a- Aumentar la Carrera del Pistón, figura 9 Cilindro C1, sin embargo, no forma parte de la invención.

Es muy difícil (y podría resultar muy costoso) modificar la longitud de carrera del motor existente y en funcionamiento, para el que ya está diseñado el recorrido (carrera) del pistón correspondiente, de manera que pueda proporcionar la relación de compresión requerida 9,5.

b- Añadir volumen muerto adecuado a la cara superior de cada pistón, sin embargo, esto no forma parte de la invención, lo que podría ser posible reemplazando realmente los pistones figura 9 Cilindro C1.

Esta medida también puede no ser fácil de introducir debido a la restricción actual del diseño y el espacio insignificante entre el PMS y la cubierta del motor (cabezal).

c- En su lugar, reducir el tamaño de la cámara de combustión (sobre el pistón cuando alcanza el PMS), añadiendo volumen muerto al volumen existente de cada cilindro involucrado, figura 9 Cilindro C2.

Se cree que esta medida no debe ser un ejercicio muy difícil o muy costoso, mientras que se espera que el rendimiento del motor (automóvil) mejore significativamente (como se mostrará a continuación). La posición y forma del volumen muerto, tal como una pieza de metal sólido, podría fijarse dentro de la cámara de combustión en una posición adecuada seleccionada.

d- Combinación de cualquiera de estas opciones según corresponda,

e- Sustituir la tapa (cabezal) existente del motor por una nueva con volumen reducido de la cámara de combustión, que sin embargo no forma parte de la invención.

^Modificación de los motores de automóviles nuevos,

[0073] Los problemas de modificación serán más sencillos y directos. Podrían incluirse con diseños y hábiles medidas de ingeniería.

[0074] Es importante mencionar que la mayoría de las modificaciones requeridas podrían limitarse a la parte de cubierta (cabezal) del motor, incluida la modificación del árbol de levas. Es posible simplemente quitar el cabezal del motor del vehículo existente y realizar las modificaciones necesarias, o simplemente reemplazarlo por un cabezal del motor ya similar y modificado, y el motor del automóvil modificado se puede operar con una eficiencia significativamente mejorada.

[0075] Para los motores de tipo inyección de combustible, se requerirá la modificación del mecanismo de inyección para ajustar la inyección de combustible según el volumen de operación modificado del aire en las cámaras de combustión.

[0076] Las realizaciones de la invención que modifican los motores operativos actuales (tales como motores de gasolina o diésel) no son complicadas, sino más bien simples y:

• Mantienen los tamaños generales del motor en los niveles existentes,

• Mantienen el diámetro interior y carrera de los cilindros de los motores existentes,

• Reducen proporcionalmente el tamaño de las cámaras de combustión (volumen muerto), sin afectar a otros componentes de dichos motores,

• Reducen el volumen de la mezcla de aire-combustible de trabajo en el cilindro (idealmente, pero no necesariamente, entre un 30% y un 60%), manteniendo, al mismo tiempo, la relación de compresión de la mezcla de aire-combustible en los niveles actuales,

[0077] Teóricamente, la relación de expansión podría ser muy alta y hasta 100. Sin embargo, prácticamente esto debe optimizarse para que el motor involucrado produzca las más altas eficiencias y prestaciones mecánicas y térmicas y mantenga el buen funcionamiento del motor,

Según la información teórica disponible, se espera que los índices de expansión económica más altos sean:

- Para motores de gasolina 15 a 22

- Para motores diésel 35 a 50

• Extraer energía útil adicional significativa (probablemente más del 15%) de la energía liberada del combustible (en los gases de la combustión), lo que podría aumentar la energía útil extraída neta (eficiencia mecánica) de los niveles actuales:

Para motores de gasolina, a partir de los actuales 22 % a 28 %, Para más del 40 %, Para motores diésel, a partir de los actuales 36 % a 42 %, Para más del 50 %, > Comparación con motores convencionales existentes

[0078] Para explicar adecuadamente la nueva idea y mostrar cómo se logra la mejora de la eficiencia y el rendimiento de los ‘Ciclos Estándar de Aire’ implicados, se requerirá un análisis detallado y una explicación de los componentes y el funcionamiento de un ‘Ciclo de Potencia’ completo (por ejemplo, para un motor de gasolina de 4 tiempos) según las siguientes etapas:

i. Describir y analizar el funcionamiento del ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ que se aplica a los motores de gasolina convencionales existentes (sin modificación),

- Los principios mínimos también son aplicables al ‘Ciclo Diésel Estándar de Aire’

ii. Describir las modificaciones al motor convencional en términos físicos reales y describir el funcionamiento del motor modificado.

iii. Analizar el funcionamiento y el rendimiento de las modificaciones del ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ iv. Comparar los resultados del funcionamiento de ambos ‘ciclos de potencia estándar de aire’,

> Descripción y análisis del funcionamiento de los motores de gasolina existentes:

[0079] Refiriéndose a las figuras 1,2 y 5 a 12, cabe destacar que la descripción de los motores de gasolina de 4 tiempos, tipo carburador que funciona según el ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ es bien conocida en la industria automotriz, y la siguiente descripción tiene principalmente por objeto la necesaria comparación entre el funcionamiento de los motores convencionales y el funcionamiento del mismo motor con las modificaciones.

[0080] Cada función de las 4 (cuatro) carreras del motor convencional se completa generalmente durante una carrera completa del pistón (movimiento de dicho pistón de un extremo del cilindro, por ejemplo, del PMS al otro extremo PMI). Estas carreras son:

a- Carrera de succión (carrera de admisión):

[0081] Succión de mezcla fresca de aire-combustible en el cilindro, a medida que el pistón se mueve del PMS al PMI (o cargada, en el caso del turbocompresor y cargador de presión positiva),

b- Carrera de compresión:

[0082] La compresión de la mezcla de aire-combustible (o simplemente aire en los motores de tipo inyección) se realiza para inducir condiciones favorables en el ciclo de potencia, lo que ayudará a extraer la mayor cantidad de energía útil del combustible combustionado y lograr la mejor eficiencia. Esta carrera se realiza mientras el pistón se mueve del PMI al PMS,

c- Carrera de Potencia:

[0083] Esta es la etapa más importante del 'Ciclo de Potencia Estándar de Aire', que convierte la energía térmica de la mezcla de aire-combustible de combustión en el trabajo mecánico útil. Se realiza desde un punto en el que el pistón se coloca idealmente en el PMS y tanto el portal de entrada-salida como las válvulas de escape están cerradas.

d- Carrera de Escape:

[0084] Este es un paso necesario para expulsar los gases de la combustión del cilindro para permitir la entrada de mezcla fresca de aire y combustible y realizar el siguiente ciclo. Este ciclo se realiza mientras el pistón se acerca al PMI, el portal de entrada-salida está cerrado y la válvula de escape se abrirá en una posición mientras el pistón se acerca al BTC para permitir el tiempo suficiente para expulsar los gases de la combustión (que se expandirán significativamente a medida que se abra la válvula de escape) con la menor cantidad de energía,

[0085] Por lo tanto, cuando el pistón alcance el PMS al final de la carrera de escape, se completará el ciclo de potencia completo y otro ciclo comenzará inmediatamente y de la misma manera, como se describe en las etapas a a d anteriores. Los ciclos se repetirán una y otra vez durante el funcionamiento de dicho motor y podrían durar a veces días o incluso años.

^Eficiencia de los motores convencionales:

[0086] Debido a muchos factores de funcionamiento del ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ y del ‘Ciclo Diésel Estándar de Aire’, y en particular a la muy alta temperatura de los gases de la combustión al inicio y durante las ‘Carreras de Potencia’, que podrían alcanzar (instantáneamente) más de 2300 °C (2600 K), se producen pérdidas significativas de la energía térmica liberada de la combustión del combustible. En general, la energía térmica liberada del combustible se divide en dos partes principales, que son:

• La energía útil (energía utilizada para el propósito para el que se utiliza el motor, como el movimiento del automóvil, bombeo de fluidos, etc.),

• La energía perdida (no utilizada para el propósito para el que se utiliza el motor),

[0087] La relación entre la energía útil utilizada Eu y la energía liberada total Et expresa la eficiencia Neta del motor de la siguiente manera:

n = E» / E, ( Ec. 1)

Donde:

r| -es la eficiencia térmica del motor

Eu - es la energía térmica útil, que podría utilizarse para realizar el trabajo requerido,

Et - es la energía térmica total liberada del consumo de combustible

[0088] El nivel actual de eficiencia (n) del ‘Ciclo de Potencia Estándar de Aire’ convencional, que funciona en condiciones favorables, es:

• ‘Ciclo Otto Estándar de Aire' - en el intervalo del 22 al 28%

• 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' - en el intervalo del 36 al 42 %

[0089] Esto significa que una porción significativa de la energía del combustible (en realidad la porción mayoritaria) se pierde durante el funcionamiento de los actuales motores convencionales de gasolina y diésel, y no podría utilizarse (por ejemplo) para mover los vehículos previstos, y por lo general se pierde en la forma de:

a- Energía térmica residual en los gases de la combustión de escape,

b- Energía térmica perdida en el agua de refrigeración o aire de refrigeración

c- Pérdidas mecánicas, para operar las piezas y componentes del motor,

[0090] El desglose (distribución) aproximado de la energía liberada entre las salidas (componentes) en funcionamiento del motor convencional, suele ser el siguiente:

Motores de Gasolina Motores Diésel

Energía útil para mover éi automóvil

34 a 40 _{Ü %}

Total 100 % 100 %

[0091] La tabla anterior muestra que la mayor parte de la energía liberada se pierde en los gases de escape y en el agua de refrigeración. Los motores de automóviles de gasolina de tamaño mediano (de 1600 cc a 2200 cc) rara vez superan los 10 a 14 km por litro, mientras que los automóviles diésel del mismo tamaño pueden alcanzar unos 15 a 17 km por litro. Incluso en condiciones ideales, los fabricantes pueden reivindicar un rendimiento un poco más alto.

[0092] Por lo tanto, una cantidad de energía igual a mover el mismo automóvil durante unos 35 a 40 km por litro se pierde principalmente en la atmósfera (gases de la combustión y agua de refrigeración).

^ Cómo se loara una mayor eficiencia v rendimiento en el Motor Modificado, en comparación con los motores convencionales:

[0093] Para mostrar, explicar y fundamentar las mejoras esperadas de la eficiencia y el rendimiento del motor, el caso requerirá analizar la termodinámica involucrada, el funcionamiento y los principios de trabajo tanto del ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ convencional como del ‘Ciclo Estándar de Aire’ modificado, explicar las modificaciones y comparar los resultados obtenidos.

[0094] Por consiguiente, la siguiente descripción incluirá y mostrará:

1. i- Explicación de las carreras de funcionamiento y los resultados en las condiciones convencionales actuales, 2. ii- Explicación de las mismas carreras de operación y resultados con las modificaciones,

3. iii- Comparación de los resultados,

^ Análisis del funcionamiento del 'Ciclo Otto Estándar de Aire' convencional, y comparación con el funcionamiento del 'Ciclo de Potencia Estándar de Aire' modificado (motor).

[0095] Consulte las figuras n.° 1,2, 3, 4, 5 y 6

□ Etapas de Operación y Termodinámica:

[0096]

Supongamos que la relación de compresión para el funcionamiento de los 'Ciclos Estándar del Aire' actuales y futuros (motores de gasolina) será de 9,5 (que es una relación adecuada y económica). La comparación de cada carrera del motor implicado se explica de la siguiente manera:

♦ Carrera de Succión (Carrera de Admisión),

[0097] A-1 Para motores convencionales 'Ciclo Otto Estándar de Aire', del PMS al PMI figura n.° 7, y punto A en las figuras 1, 2, 3, 4, 5 y 6,

[0098] Esta carrera se realiza para llenar el cilindro con mezcla fresca de aire-combustible y se considera que requiere muy poca energía en funcionamiento y se trata como carrera neutra en términos de necesidad o liberación de energía.

[0099] B-1 Para los motores modificados, del PMS al PMI y de vuelta al punto C, figura n.° 7, y punto A en las figuras 1,2, 3, 4, 5 y 6,

- Para los motores modificados es aplicable el mismo principio de succión (admisión) de mezcla de aire-combustible en el cilindro del PMS al PMI. No hay diferencias significativas en las necesidades energéticas.

- Sin embargo, cuando dicho pistón alcanza el PMI regresará y volverá hacia el PMS, mientras que el portal de entrada-salida continúa abierto. Por lo tanto, cuando el pistón se mueve hacia el PMS, expulsará una cantidad proporcional de mezcla de aire-combustible del cilindro de vuelta al tubo de suministro, hasta el punto en que el portal de entrada-salida es cerrado, y para ese momento el pistón cubrirá la distancia predeterminada de alrededor del 30% al 50% de la distancia entre el PMI y el PMS.

- Supongamos que el pistón está lleno con el 50% del tamaño de trabajo (carrera) completo.

- Esta operación tampoco requiere mucha energía, y es despreciada.

♦ Carrera de compresión:

[0100] El principio de compresión de la mezcla de aire-combustible a la relación de compresión requerida es aplicable tanto a los motores convencionales como a los motores con las modificaciones.

[0101] A-1 Para motores convencionales, el pistón se mueve del PMI al PMS figura 7, que es del punto A al punto B en las figuras 1, 2, 3, 4, 5 y 6

[0102] Dicho pistón se mueve y realiza una carrera de compresión, mientras que las válvulas de succión y de escape están cerradas.

[0103] B-1 Para los motores modificados, el pistón se mueve del punto C al PMS figura n.° 7, que es del punto A al punto B en las figuras 1,2, 3, 4, 5 y 6,

La modificación divide el propio cilindro en dos secciones distintas de la acción (movimiento) del pistón durante la carrera de compresión, que son:

i- Sección de Expulsión: Del PMI al punto C (alrededor del 30% al 60% de la carrera - parte inferior del cilindro), mientras el pistón se mueve, realiza la expulsión de una porción de mezcla de aire-combustible del cilindro de vuelta al distribuidor de aire-combustible (sistema de suministro) y el portal de entrada-salida sigue abierto durante esta sección, y se cierra al final de esta sección,

ii- Sección de Compresión: Desde el punto C (la posición descrita anteriormente) hasta el PMS (parte superior del cilindro), el pistón se mueve y realiza la carrera de compresión; mientras que la válvula de entrada-salida y las válvulas de escape están cerradas.

[0104] La cantidad de mezcla de aire-combustible en dicho cilindro es aproximadamente el 50% del tamaño de trabajo (carrera) completo del cilindro

Termodinámica de la carrera de compresión.

A- 'Ciclo Otto Estándar de Aire' - Motores Convencionales:

[0105] Para el funcionamiento de los motores convencionales, la compresión de la mezcla de aire-combustible tiene lugar por el movimiento del pistón relevante desde el PMI y cuando el pistón alcanza el PMS, completará la carrera de compresión y empuja toda la cantidad de la mezcla de aire-combustible, o solamente aire, en la cámara de combustión. Este proceso requiere una cantidad significativa de energía y causa el aumento adiabático de la temperatura y la presión. El aumento teórico de la presión será de acuerdo con la siguiente ecuación:

( Ec. 2)

[0106] Donde:

P1 - Es la presión de la mezcla de aire-combustible al final de la carrera de succión y el inicio de la carrera de compresión, y es idealmente (por lo general) 0,1 M Pas (1 bar),

P2 - Es la presión de la mezcla de aire-combustible al final de la carrera de compresión y el inicio de la carrera de potencia (antes de la ignición del combustible),

V1 - Es el volumen de la mezcla de aire-combustible al final de la carrera de succión y el inicio de la carrera de compresión (volumen total del cilindro y la cámara de combustión),

V2 - Es el volumen de la mezcla de aire-combustible al final de la carrera de compresión y el inicio de la carrera de potencia (volumen de la cámara de combustión),

K - Es una constante y expresa Cp / Cv, y, para el aire: K = 1,4

Cp - Es el calor específico del aire a presión constante,

Cv - Es el calor específico del aire a volumen constante,

[0107] Por lo tanto, para el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' con una relación de compresión de 9,5, la presión desarrollada y la temperatura de la mezcla de aire comprimido y combustible al final de la carrera de compresión será: Presión P2:

_

P2 = 2,33 M Pascal (23,3 Bar)

[0108] La temperatura de la mezcla de aire comprimido y combustible también aumentará adiabáticamente, y aumentará de acuerdo con la siguiente ecuación:

(Ec. 3)

[0109] Donde:

T1 - Es la temperatura de la mezcla de aire-combustible (aire atmosférico) al final de la carrera de succión y el inicio de la carrera de compresión,

T2 - Es la temperatura de la mezcla aire-combustible comprimido al final de la carrera de compresión y el inicio de la carrera de potencia (y antes de la ignición de la mezcla aire-combustible),

[0110] Supongamos que la temperatura de succión (temperatura atmosférica) es de 15°C (288K), entonces la temperatura teórica al final de la carrera de compresión será:

[0111] Como se pudo notar, esta carrera requiere una cantidad significativa de energía mecánica para aumentar la presión y la temperatura de la mezcla de aire comprimido y combustible. La potencia requerida suele ser proporcionada por la Carrera de Potencia de otro cilindro (o volante), pero luego se liberará como parte de la potencia liberada durante el Ciclo de Potencia posterior de dicho cilindro, lo que da como resultado una situación equilibrada, a excepción de algunas pérdidas.

B- 'Ciclo de Potencia Estándar de Aire' Modificado - Motor modificado:

[0112] La carrera (proceso) de compresión se realizará para los motores con las modificaciones, de la misma manera que se describe para el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' con la correspondiente necesidad de energía asociada y los aumentos de presión y temperatura.

[0113] La principal diferencia está en el volumen real de mezcla de aire-combustible en cilindros de exactamente la misma carrera y diámetro interior (mismo tamaño). Como se mencionó para la carrera de succión (carrera de entrada-salida), el cilindro estará solo aproximadamente 50% lleno con mezcla de aire-combustible de la carrera de trabajo completa, más la cámara de combustión.

[0114] Por lo tanto, si el volumen de mezcla de aire-combustible en el cilindro convencional será el doble que el de la mezcla de aire-combustible para el cilindro modificado y se comprimen a la misma relación de compresión, entonces obviamente la energía requerida para realizar la relación de compresión también será el doble para el motor convencional. Sin embargo, habrá poca diferencia en la necesidad neta de energía, ya que la mayor parte de la energía gastada para la compresión se recupera durante la carrera de expansión (potencia) posterior.

[0115] En cuanto a la presión y temperatura al final de la sección de compresión, serán similares a la presión y temperatura del 'Ciclo Otto Estándar de Aire' convencional de la siguiente manera (si se aplica la misma relación de compresión):

- Presión 2,33 M Pascal (23,3 Bar)

- Temperatura 710 K

♦ Carrera de Potencia:

[0116]

• Para motores convencionales, del punto B al punto C y termina en el punto D en las figuras n.° 1,2, 3, 4, 5 y 6, • Para los motores modificados, también del punto B al punto C al punto D y termina en el punto E en las figuras 3, 4 y 6,

Durante esta carrera, se realizarán dos procesos simultáneos, tanto para los motores convencionales como para los modificados, que son:

Introducción de energía térmica procedente de la ignición y combustión del combustible,

[0117]

Del punto B al punto C para el 'Ciclo Otto Estándar de Aire', figura 1,

Del punto B al punto C para el 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' figura 2

[0118] Sin embargo, las principales diferencias entre el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' y el 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' son:

a- Presión de combustión muy alta del 'Ciclo Diésel Estándar de Aire', debido a la relación de compresión mucho más alta,

b- Autoignición de la mezcla de aire-combustible en el 'Ciclo Diésel Estándar del Aire', mientras que el 'Ciclo Otto Estándar del Aire' tiene el sistema de ignición eléctrica,

c- En los Motores Diésel del tipo de introducción (inyección) de combustible, la inyección de combustible podría controlarse de manera que se mantenga cerca de una presión constante y predeterminada (cerca de la presión de compresión) mientras el pistón se mueve durante aproximadamente el 20 al 30% de la distancia entre el PMS y el PMI.

d- Este proceso ayuda a extraer más energía útil de los gases de la combustión y aumentar la eficiencia del ciclo.

[0119] La cantidad de combustible utilizada (suministrada al motor) para el funcionamiento normal de los ‘Motores de Combustión Interna’ (para velocidades de 70 a 100 km/h) es tal que produce aproximadamente 2300 a 3260 julios (550 a 780 cal) por litro de aire, para alcanzar una relación aire/combustible de aproximadamente 16,5 a 19).

A- Para el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' - Motor convencional:

[0120] Para el análisis de este 'Ciclo de Potencia', se asume:

a-1 La ignición de la mezcla de aire-combustible se iniciará por la acción del árbol de levas y la bujía, a-2 La ignición (combustión) de la mezcla de aire-combustible y la liberación de energía es un proceso instantáneo, a-3 El proceso anterior tiene lugar a volumen constante (dentro del volumen de la cámara de combustión), a-4 El calor específico de los gases de la combustión a 1,15 julios (0,275 cal) por gramo por un grado °K a una temperatura de 750 K más,

a-5 Densidad de la mezcla de aire-combustible (gases) a 1,14 g / Litro,

a-6 El valor calorífico del combustible suministrado a 46.872 julios (11.200 cal) por gramo,

a-7 La energía suministrada es de 2.720 julios (650 cal) por litro de aire en condiciones normales,

[0121] Este suministro de energía al motor previsto se relaciona normalmente con la relación en peso de la mezcla aire/combustible hidrocarburo a:

[0122] Esta tasa es relativamente alta en comparación con la relación ideal de aire a combustible de: (16,0 a 16,5 ) / 1 ; que proporciona:

• Mejores condiciones económicas de combustión del consumo de combustible.

• Exceso de oxígeno en los gases de escape entre un 2% y un 4%, y

• Mejores condiciones de combustión del combustible.

[0123] Además, la alta tasa de aire a combustible ( 19,64 / 1 ) provocará pérdidas de energía significativas, ya que significa calentar cantidades adicionales de aire -más del 15% al 20% por encima de la tasa ideal, de 288 K a más de 1200 K y dejarlo escapar a la atmósfera.

[0124] La energía térmica suministrada, asumida en 2720 julios (650 cal) por litro, elevará la temperatura de los gases comprimidos (y combustionados) en la cámara de combustión instantánea y muy bruscamente. El aumento teórico de temperatura por combustión del combustible en la cámara de combustión (T aumento), suponiendo una liberación instantánea de energía, será:

T,umsnto = 2720 / (1,150 julio/g.K x 1,14 g / l) = 2075 K

Donde: 1,150 es el calor específico del aire en julio/g.K.

1,14 es la densidad del aire a 298 K

[0125] La temperatura total de los gases de la combustión (teórica) al final de la combustión total del combustible Tteo com, suponiendo condiciones ideales, será:

T.teo com = 710 T 2075 = 2785 K

[0126] Nota: La temperatura ideal teórica (Tteo id) en condiciones de relación aire/combustible ideal de 16, será significativamente mayor y superior a 3200 K:

El aumento de temperatura de los gases de la combustión en la cámara de combustión resultará en el aumento de presión, según la ecuación del gas ideal, a volumen constante V :

P2 / P3 = T2/T 3, { Ec. 4)

[0127] Donde:

P3 - es la presión de los gases de la combustión después de la ignición de la mezcla de aire-combustible y la transferencia de todo el calor teórico liberado a esos gases,

T3 - es la temperatura de los gases de la combustión después de la ignición de la mezcla de aire-combustible y la transferencia de todo el calor teórico liberado a esos gases,

2,33 / P3 = 710 / 2785

Pe = 9,13 M Pascal (91,3 bar)

[0128] Por lo tanto, la presión y la temperatura teóricas después de la ignición del combustible y el inicio de la ‘Carrera de Potencia’ del ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ convencional serán:

i. Presión 9,13 M Pascal

ii. Temperatura 2785 K

[0129] Sin embargo, según la experiencia práctica de funcionamiento de los 'Motores de Combustión Interna', tanto la temperatura como la presión de los gases de la combustión son significativamente inferiores a estos niveles, debido a:

i- El instante exacto (sintonización) del momento de ignición (preferiblemente poco antes de que el pistón alcance el PMS) es difícil de ser mantenido eficazmente,

ii- Tiempo necesario para completar la combustión de combustible, (preferiblemente muy rápido y mientras el pistón acaba de pasar el PMS y comienza a moverse hacia el PMI),

iii- Transferencia de calor de los gases muy calientes (temperatura superior a 2400 K) a las paredes del cilindro (metal) y al agua o aire de refrigeración,

- Este es un factor inevitable, y todos los intentos son minimizar la pérdida de calor mientras se mantiene el funcionamiento eficiente y uniforme del motor (ciclo de potencia) en lugar de eliminarla etc.

[0130] La temperatura y la presión reales más elevadas de funcionamiento de los motores de gasolina podrían ser inferiores en hasta un 15% a un 25% que los valores teóricos más elevados (según el 'Ciclo Otto Estándar de Aire'),

B- 'Ciclo de Potencia Estándar de Aire' Modificado - Motor modificado:

[0131] La ignición de la mezcla de aire-combustible (o autoignición en el caso de los motores diésel), la liberación de energía y el aumento de presión descritos anteriormente para el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' también se realizarán de la misma manera para los motores con las modificaciones.

[0132] Una vez más, la principal diferencia está en el volumen real de la mezcla de aire-combustible en cilindros de exactamente la misma carrera y diámetro interior (mismo tamaño). Como se mencionó anteriormente, dicho cilindro estará solo alrededor de 50% lleno con mezcla de aire-combustible de la carrera completa - más la cámara de combustión.

[0133] En cuanto a la presión y temperatura después de la ignición del combustible y el inicio de la 'Carrera de Potencia' será similar a la presión y temperatura del 'Ciclo Otto Estándar de Aire' convencional

- Presión 9,13 M Pascal

- Temperatura 2783 K

# Expansión de los gases de la combustión (carrera de potencia):

[0134]

- Para el motor convencional, del punto C al punto D, en las figuras n.° 1,2, 3, 4, 5 y 6

- Para el motor modificado, del punto C al punto D y al punto E de las figuras n.° 3, 4, 5 y 6,

[0135] La principal diferencia termodinámica entre el funcionamiento de los motores convencionales y los modificados se produce en la carrera de expansión de la siguiente manera.

[0136] La expansión de los gases de la combustión para los motores convencionales y los modificados comienza inmediatamente después de que el pistón haya pasado el PMS y se mueve hacia el PMI. La expansión de los gases de la combustión también tendrá lugar adiabáticamente y será según las Ecuaciones 2 y 3 (mencionadas anteriormente).

- Supongamos que la temperatura real al inicio de la carrera de expansión es de 2400 K

- Supongamos que la presión real al inicio de la carrera de expansión es de 7,5 M Pascal (75 Bar),

A- Motores convencionales ‘Ciclo Otto Estándar de Aire’ :

[0137] Del punto C al punto D en las figuras n.° 1, 2, 3, 4, 5 y 6,

- La temperatura al final de la carrera de expansión (PMI) será:

A-1 Temperatura teórica (Tteo) al final de la carrera de expansión (PMI), será:

2785

0,4

T teo = 1132 K

A-2 Sin embargo, la temperatura esperada (Te) al final de la carrera de expansión (PMI) con la temperatura asumida al inicio de la carrera de expansión (PMS) a 2400 K, será:

[0138] En realidad, la temperatura real al final de la carrera de expansión y al inicio de la carrera de escape es significativamente más alta (hasta en un 15 a 30%) que ambas temperaturas, debido al hecho de que la combustión de la mezcla de aire-combustible todavía podría estar en curso, mientras que el pistón está cerca del PMI.

[0139] Supongamos que: La temperatura de escape de los gases de la combustión es de aproximadamente 1250 °K.

[0140] La Energía que Escapa (Eesc) con los gases de la combustión será:

E ex = (1250 - 288) x 1,150 julio/g.K = 1106 julio/g (265 cal/g)

[0141] Nota: Se espera que el calor específico de los gases combustionados sea un poco más alto a temperaturas más altas,

Porcentaje de energía que escapa = ( 1106 / (2720 / 1,14) ) x 100 = 46,35%

[0142] Se trata de una cantidad muy sustancial de energía, que se pierde con los gases de escape.

[0143] A-3 La presión teórica al final de la carrera de expansión en el punto E, (P^e) con motor convencional, será:

[0144] A-4 La presión al final de la carrera de expansión en el punto E, (P^e) con la presión asumida de 7,5 M Pascal (75 Bar) al inicio de la carrera de expansión (motor convencional), será por según la ecuación 2:

[0145] Sin embargo, la presión real al final de la carrera de expansión P^d, será significativamente mayor debido a la muy alta temperatura de los gases de la combustión al final de la carrera de expansión, y será:

P^d = 1250 / 288 = 0,43 M Pascal ( 4,3 bar)

[0146] Una vez más, se trata de una presión muy alta y podría realizar un trabajo mecánico proporcional, si se pudiera utilizar de manera beneficiosa, especialmente porque se aplica al volumen total del cilindro de los gases de la combustión.

[0147] La modificación del motor aborda este exacto problema e intenta utilizar la mayor parte de este trabajo mecánico (energía) disponible (pero actualmente perdido) , antes de expulsar los gases de la combustión a la atmósfera, como se explica a continuación.

B- ‘Ciclo de Potencia’ Estándar de Aire - Motor modificado:

[0148] Los puntos C a D y a continuación a E en las figuras n.° 3, 4, 5 y 6,

[0149] Los gases de la combustión continúan expandiéndose adiabáticamente, en condiciones controladas por otras 9,5 veces el tamaño de la cámara de combustión (del punto D al punto E en las figuras 3 y 4) a partir del punto final de la sección de expansión del ciclo convencional. Esto ayudará a completar el proceso de combustión del combustible introducido y reducirá significativamente la temperatura de escape, como se muestra a continuación:

[0150] B-1 La temperatura teórica al final de la carrera de expansión Tteo mod, será:

2783

1,4 - 1,0

"^ "teo mod

Tteo mod . = 857 _* K x

[0151] B-2 La temperatura esperada (Tesp mod) al final de la carrera de expansión con la temperatura inicial asumida a 2400 K, será:

[0152] Sin embargo, la temperatura real de escape será ligeramente superior, debido al tiempo mucho más largo de combustión, y podría ser (conservadoramente) de aproximadamente 850 a 1000 K.

[0153] Se trata de una reducción muy significativa de la temperatura de escape de los gases expulsados y de la energía térmica asociada. La energía que escapa con los gases de la combustión con las modificaciones será (suponiendo que la temperatura de escape sea de 950 K):

^{E espmod} = (950-288) ^X 1,150j/g.K = 761 Julío/g (182cal/g)

Porcentaje de la energía de escape = (761 / (2720 / 1,14)) x 100 = 31,89% [0154] La cantidad de energía térmica ahorrada será : 46,35 - 31,89 = 14,46 %

[0155] Por todas las medidas y consideraciones, se trata de una reducción muy significativa de la energía térmica de escape esperada, y podría utilizarse útilmente para mover los vehículos previstos.

[0156] B-3 La presión teórica al final de la carrera de expansión modificada (adiabática) Pteo mod, será:

T_{feo m al} = 0₁,146 Pascal ( _'1₁,46 Bar) _*

[0157] B-4 La presión esperada al final de la carrera de expansión modificada (adiabática) Pmod con la temperatura inicial asumida al inicio de la carrera de expansión de 2400 K, será:

_mod = 0,119 M Pascal (1,19 Bar)

[0158] Sin embargo, la presión real al final de la carrera de expansión Pa será ligeramente mayor que ambas presiones, dependiendo de la temperatura de escape, y conservadoramente podría ser de aproximadamente 0,14 a 0,17 M Pascal (1,4 a 1,7 Bar), debido a una temperatura de escape más alta.

[0159] En las figuras 3 y 4, el área del punto D al punto E al punto F al punto A y de vuelta al punto D representa la energía útil adicional, que se agregará a la energía útil convencional del motor entre el punto A al punto B, al punto C, al punto D y de vuelta al punto A. Esta área podría representar una entrada importante y mejorará significativamente la eficiencia y los parámetros de operación de los vehículos.

[0160] Nota: Para los automóviles de inyección, la inyección de combustible tendrá que ajustarse también con la modificación de la cantidad real de aire para llenar del 30% al 60% del tamaño del cilindro:

Resumen de la temperatura y la presión para los dos 'Ciclos de Potencia' al final de la carrera de expansión, que son:

Ciclo Otto Ciclo de Potencia Modificado i- Temperatura K

• Teórica 1132 856

• Con temperatura asumida a 975 739

Inicio de la carrera de expansión

• Asumida operativa 1250 950

ii- Presión M Pascal

• Teórica 0,391 0,146

• Con presión asumida al inicio 0,321 0,119

de la carrera de expansión

• Asumida operativa 0,43 0,15

iii- Calor rechazado con los gases de la

combustión en julios

• Con temperatura de escape asumida 1106 761

[0161] Los datos anteriores muestran una mejora (reducción) significativa de la temperatura y presión de los gases de la combustión al final de la carrera de expansión y al inicio de la carrera de escape.

♦ Carrera de escape:

[0162] A- Para motores convencionales de 'Ciclo Otto Estándar de Aire', el pistón se mueve del PMI al PMS figura n.° 7, y del punto D al punto A en las figuras 1,2, 3, 4, 5 y 6,

Esta carrera se realiza para expulsar los gases de la combustión del cilindro al ambiente exterior y preparar ese cilindro para el siguiente ciclo. Esta carrera no requiere una alta demanda de energía a velocidades menores del motor (cigüeñal) inferiores a 1600 revoluciones por minuto (RPM), y también depende del tamaño de la válvula de escape. Sin embargo, a medida que aumenta la velocidad del motor con el aumento de la entrada de energía en el motor y el consiguiente aumento significativo de la presión residual y la temperatura de los gases de la combustión al final de la carrera de potencia (expansión de los gases de la combustión), aumenta la necesidad de energía para expulsar los gases de la combustión del cilindro. Se espera que para el momento en que la velocidad del motor alcance aproximadamente 3000 RPM, el proceso de expulsión de los gases de la combustión puede requerir una presión de hasta 0,1 M Pascal (más de 1,0 bar) del pistón y el cigüeñal.

[0163] B-1 Para los motores modificados, el pistón también se mueve del PMI al PMS figura n.° 7, y del punto D al punto E en las figuras 3, 4, 5 y 6,

- Debido a la reducción significativa en el volumen de mezcla fresca de aire-combustible en los cilindros y la consiguiente reducción significativa en la presión residual y la temperatura al final de la carrera de potencia (expansión de los gases de la combustión) de los motores modificados, la demanda de energía para expulsar los gases de la combustión será insignificante a velocidades del motor (cigüeñal) de incluso más de 6000 RPM.

► El resumen general de los resultados de operación (datos) de los dos ciclos de potencia se muestra en la tabla 2 a continuación.

Tabla 2: Resumen de los resultados del funcionamiento de los dos ti os de motores.

[0164] La tabla muestra un aumento significativo de la eficiencia térmica del motor modificado al 68,1% en comparación con la eficiencia del motor convencional del 53,64%, con un aumento de alrededor del 14%. La reducción de la temperatura de funcionamiento del motor en más de 200 K reducirá a su vez la energía perdida con el agua de refrigeración en varios porcentajes (probablemente más del 5%) y dará lugar a una mejora general de la eficiencia de funcionamiento de los motores de gasolina en más del 19% (de la entrada neta de energía) en comparación con el funcionamiento actual del 'Ciclo Otto Estándar de Aire'. También podría esperarse una mejora casi similar de la eficiencia en el funcionamiento del 'Ciclo Diésel Estándar de Aire'.

[0165] (Esto podría ser probado y mejorado en la experiencia real).

[0166] A continuación, se presenta la comparación de la distribución de la energía liberada entre las principales salidas (componentes) en funcionamiento de los motores convencionales y la distribución esperada de la operación de la modificación, es la siguiente en la tabla 3.

Tabla 3 Comparación de la distribución de la energía liberada.

[0167] Las modificaciones aumentan significativamente la eficiencia y el rendimiento del motor involucrado (incluso mucho más altos que los que se muestran en las tablas anteriores) y posteriormente aumentan el kilometraje por litro para la industria automotriz. Las modificaciones son muy útiles en el funcionamiento de motores más grandes, como las centrales eléctricas diésel, que funcionan con Gasóleo de Vacío ligero y pesado (motores de buques) con diámetro interior de cilindro y carrera superior a 300 mm. Se espera que la reducción de la temperatura de los gases de escape y la prolongación de la carrera de expansión mejoren notablemente la eficiencia y el rendimiento del motor, en términos de:

Reducción significativa de la temperatura de los gases de escape (probablemente en más de 300 K, de -digamos- 1250 K a menos de 950 K)

menos pérdida de calor al agua de refrigeración o al aire de refrigeración debido a la reducción significativa de la temperatura de funcionamiento general, manteniendo y mejorando, al mismo tiempo, los principales parámetros de funcionamiento en comparación con el motor convencional, - Sólo la refrigeración por aire puede resultar suficiente incluso para motores de 2000 cc de tamaño,

menos pérdidas mecánicas, al restringir la presión y temperatura muy altas a la porción del cuarto superior de la carrera (condiciones de funcionamiento más suaves),

menos necesidad de agua de refrigeración o aire de refrigeración, convirtiendo más energía térmica en trabajo mecánico útil,

Condiciones menos severas en el tubo de escape, debido a la reducción de la cantidad de gases de la combustión (probablemente en más del 40%) y a la temperatura más baja mencionada en el punto 1 anterior, para la misma potencia bruta,

Para un funcionamiento más suave de los motores involucrados, las manivelas en el cigüeñal para el futuro motor de 4 cilindros pueden disponerse a 90 grados angulares entre sí, en comparación con la disposición preferida actual de 180 grados angulares (figura 11),

Medio Ambiente:

[0168]

• " Reducción muy significativa de las emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera gracias al aumento de la eficiencia de los Motores de Combustión Interna, que deberían requerir mucho menos combustible para la misma potencia neta de ruptura.

• “ Emisión a la atmósfera de materias significativamente menos nocivas y quemadas incompletamente (cantidad y calidad), concediendo mucho más tiempo para completar la combustión de combustibles en el propio cilindro y en condiciones de mayor temperatura.

• “ Por consiguiente, el funcionamiento de dichos motores ha mejorado considerablemente y ha sido más favorable para el medio ambiente.

[0169] Las modificaciones (cuando se introducen en los automóviles existentes) pueden cambiar ligeramente la potencia del motor, en particular para lograr velocidades muy altas, por ejemplo, más de 120 km/h. Sin embargo, este puede ser un precio pequeño en comparación con los importantes ahorros esperados en la compra de combustibles (GLP, gasolina, diésel, etc.). También puede requerir un 'volante' un poco más grande para garantizar un funcionamiento continuo del motor a bajas revoluciones de aparcamiento de, digamos, unas 750 RPM. La cuestión del rendimiento suficiente (mayor necesidad de potencia y velocidad) para el nuevo motor podría incluirse directamente en los diseños y no debería plantear ningún problema para los diseñadores expertos.

^ Caso con Cilindro Lleno 60% al inicio de la carrera de compresión:

[0170] Para mostrar el impacto de un caso menor de relación de compresión, se realizará el mismo análisis anterior para un caso en el que el cilindro esté lleno al 60% al inicio de la carrera de compresión.

[0171] Con el 60% del cilindro lleno de mezcla de aire-combustible al inicio de la carrera de compresión, la nueva relación de compresión será:

Relación de Compresión= 9,5 (9,5 x 0,6) = 15,2

[0172] La temperatura y la presión al final de la carrera de compresión serán:

[0173] La temperatura real de escape podría ser (conservadoramente) de aproximadamente 920 a 1000°C, Se trata de una reducción muy significativa de la temperatura de escape de los gases expulsados y de la energía térmica asociada. La energía que escapa con los gases de la combustión con las modificaciones será :

^{E esp mod} = (1000 -288 ) x 1,150 julio/g.K = 820 Julio/g (196ca l/g )

[0174] El porcentaje de la energía que escapa será:

^{E esp mod} = (820 /(2720 /1 ,14 )) x 100 = 34,37%

La cantidad de energía ahorrada será : 46,35 - 34,37 = 11,65 %

[0175] Por todas las medidas y consideraciones, esto también es una reducción muy significativa, y podría utilizarse de manera útil para mover los vehículos previstos.

[0176] La presión teórica al final de la carrera de expansión (adiabática) modificada Pmod, será:

[0177] Esta presión también es significativamente inferior a las presiones experimentadas con el funcionamiento convencional del 'Ciclo Otto Estándar de Aire' (motores de gasolina).

[0178] Como se puede observar, de las figuras 3 y 4, la extracción de energía (mecánica) adicional de los gases de la combustión (más allá de 20 relaciones de compresión) dentro de los cilindros puede resultar insignificante o altamente costosa, ya que la presión de los gases de escape podría reducirse realmente a menos de 0,12 M Pascal abs (1,2 bar) abs con relaciones de compresión de aproximadamente 19 a 22.

[0179] La experiencia real puede demostrar que se requerirá esta presión positiva residual, que es suficiente para evitar la creación de un vacío dentro del cilindro a bajas RPM (condiciones de estacionamiento).

[0180] Estos análisis muestran que una cantidad significativa de energía adicional podría extraerse de los gases de la combustión y utilizarse para realizar trabajo mecánico útil (para mover el automóvil) como se muestra en la carrera de expansión extendida en los diagramas PV en las figuras 3 y 4.

^ Nuevo Ciclo de Potencia:

[0181] El 'Ciclo de Potencia' que se muestra en las figuras 3 y 4, es un nuevo tipo de 'Ciclos de Potencia Estándar de Aire', que puede extender significativamente la carrera de expansión de este Ciclo de Potencia más allá de la del 'Ciclo Otto Estándar del Aire’ y del 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' convencionales y es sustancialmente diferente de ambos.

[0182] Este nuevo ciclo de potencia reorganiza y rediseña el funcionamiento de los motores de la siguiente manera:

i- Dividir la carrera de succión convencional en:

a- Etapa de llenado,

El pistón, al moverse del PMS al PMI llenará los cilindros con mezcla de aire-combustible, (el portal de entradasalida está abierto)

b- Etapa de expulsión,

Cuando dicho pistón alcanza el PMI y llena dicho cilindro con mezcla de aire-combustible según la etapa a- anterior, el pistón invertirá su movimiento y comenzará a moverse hacia el PMS y cubre una distancia predeterminada de alrededor de 30% a 60% de la distancia entre el PMI y el PMS, con el portal de entrada-salida todavía abierto durante esta sección. Durante esta etapa, el pistón expulsará una parte proporcional de la mezcla de airecombustible de nuevo hacia el tubo de distribución (suministro) de combustible.

El portal de entrada-salida se cerrará en la posición del pistón correspondiente al final de la distancia predeterminada del 30% al 60% de la distancia total entre el PMI y el PMS.

ii- Dividir la carrera de compresión convencional en:

a- Etapa de expulsión, mientras el pistón se mueve desde el PMI y cubre una distancia predeterminada entre el PMI y el PMS según el punto i-b anterior,

b- Etapa de compresión, mientras el pistón se mueve desde la distancia predeterminada (como se describe en el punto a anterior) y se mueve al PMS del cilindro correspondiente, (cubre la mitad superior de ese cilindro), iii- Extender la carrera de expansión:

a. Amplía significativamente la carrera de expansión del Ciclo de Potencia y, en consecuencia, la relación de expansión de los gases de la combustión, más allá de las del 'Ciclo Otto Estándar de Aire’ y del 'Ciclo Diésel Estándar de Aire’ convencionales.

- Esto en realidad proporciona la oportunidad de seleccionar la relación de expansión para los motores previstos de manera que se logre la mayor eficiencia para ese motor.

vi- Mejorar las condiciones de la carrera de escape:

a- La carrera del escape es similar al funcionamiento convencional de los motores involucrados y se realiza mientras el pistón correspondiente se mueve del PMI al PMS. Sin embargo, la principal diferencia en el tamaño real de los gases de la combustión que escapan, que es mucho menor en los motores modificados y a menor presión y temperatura. Por lo tanto, la necesidad de energía para expulsar los gases de la combustión de los cilindros será mucho menor (insignificante)

[0183] Como puede observarse, el nuevo ciclo de potencia es sustancialmente diferente del 'Ciclo Otto Estándar de Aire’ y del 'Ciclo Diésel Estándar de Aire’ convencionales. Tiene sus propias características analíticas y enfoque y es de particular importancia es la provisión de alta flexibilidad de la relación de expansión de los gases de la combustión. El sistema y mecanismo de control (árbol de levas) también podría ajustarse y controlarse para tener relaciones de expansión más bajas con menores RPM del 'cigüeñal' y relaciones de expansión más altas con mayores RPM, y también para controlar la presión de escape justo por encima de la presión atmosférica.

[0184] Esto se aplica al funcionamiento de los 'motores de combustión interna' alternativos, que tienen algunas o todas las modificaciones introducidas en su construcción, y proporcionará condiciones de funcionamiento de mayor eficiencia y rendimiento para dichos motores. figuras 3, 4, 5 y 6,

[0185] Es justo que este nuevo 'Ciclo de Potencia' aplicado sea nombrado como: 'Ciclo Modificado Atalla Estándar de Aire'.

[0186] Los motores que operan en este 'Ciclo Modificado Atalla Estándar de Aire' podrían clasificarse y expresarse en la práctica real como:

- Atalla Mod 30 - Los Cilindros se llenarán con 70% del tamaño completo,

- Atalla Mod 40 - Los Cilindros se llenarán con 60% del tamaño completo,

- Atalla Mod 50 - Los Cilindros se llenarán con 50% del tamaño completo,

- Atalla Mod 60 - Los Cilindros se llenarán con 40% del tamaño completo,

[0187] Y todos los demás llenados seleccionados de los cilindros, como:

Atalla Mod 35, Atalla Mod 38 o Atalla Mod 42, o Atalla Mod 45, etc.

> Motores de Dos Tiempos:

[0188] Por lo general, se trata de motores de pequeño tamaño que se aplican a las motocicletas (vehículos de movimiento rápido). Sin embargo, la modificación también podría aplicarse con éxito a los motores de dos tiempos y mejorar su eficiencia, rendimiento y las cuestiones medioambientales asociadas con estos tipos de motores.

[0189] La modificación del 'Ciclo Otto Estándar de Aire' o del 'Ciclo Diésel Estándar de Aire' también podría aplicarse a los motores de dos tiempos. Las modificaciones comprenden también el mecanismo en el árbol de levas o cualquier dispositivo alternativo con la función del árbol de levas, que controla la apertura y el cierre del portal de entrada-salida, y la reducción requerida del tamaño de las cámaras de combustión.

[0190] Sin embargo, debido al diferente modo de funcionamiento de los motores de dos tiempos, que podrían caracterizarse por: figura 12,

a- Las cuatro carreras de funcionamiento se realizan durante una revolución completa del cigüeñal, b. No hay válvula de escape,

c. El escape de los gases de la combustión tiene lugar a través de una ranura longitudinal en la sección inferior de cada cilindro,

d. La mezcla de aire-combustible es poco comprimida y alimentada al cilindro bajo presión positiva, e. La mezcla de aire y combustible alimentada al cilindro también realiza la expulsión de los gases de la combustión (proceso -carrera- de escape),

f. La eficiencia de estos motores suele ser muy baja,

[0191] Por lo tanto, la modificación tendrá que aplicarse con habilidad y cuidado para realizar las mejoras esperadas. La modificación del mecanismo que controla la apertura y el cierre del portal de entrada-salida debe aplicarse (introducirse) de manera que permita que el ciclo de potencia completo (2 tiempos - por cada revolución completa del cigüeñal) funcione uniformemente y también sin problemas, en comparación con el funcionamiento convencional, y mejore la eficiencia de los motores involucrados.

[0192] El aumento de la eficiencia del motor de dos tiempos podría explicarse por las carreras de funcionamiento del motor modificado en comparación con el motor convencional, de la siguiente manera:

- Para cada revolución completa del cigüeñal (360 grados angulares), a partir del punto A (figura 12) las dos carreras del motor modificado, en comparación con los motores convencionales, se realizarán de la siguiente manera:

• Supongamos que el ciclo de potencia se inicia a partir de la Carrera de Potencia:

◊ Carrera de Potencia: (Carrera de Expansión)

A- Motores convencionales:

- El pistón se moverá del PMS al punto C (figura 12 a) y del punto A al punto C (figura 12 b). La ignición de la mezcla de aire comprimido y combustible comienza y aumenta significativamente la temperatura y la presión de los gases de la combustión, que se expandirá y empujará el pistón hacia abajo desde el PMS hacia el punto C (figura 12 a), o desde el punto A hacia el punto C en la trayectoria angular del cigüeñal (figura 12 b),

Relación de expansión: 8 a 9

B- Motores Modificados:

- El pistón también se moverá del PMS al punto C (figura 12 a) y del punto A al punto C (figura 12 c) La ignición de la mezcla de aire comprimido y combustible inicia la combustión del combustible y aumenta significativamente la temperatura y la presión de los gases de la combustión, que se expandirán y empujarán el pistón hacia abajo desde el PMS hasta el punto C (figura 12 a), o desde el punto A hasta el punto C en la trayectoria angular del cigüeñal (figura 12 c),

Relación de expansión: 16 a 18

◊ Carrera de Escape:

A- Motores convencionales:

- El pistón se moverá del punto C al PMI y volverá al punto C (figura 12 a) y del punto C al punto D1 (figura 12 b),

[0193] Cuando el pistón alcanza y excede el punto C, también excederá la línea superior (borde) de la ranura de escape y los gases de la combustión aún bajo alta presión y a muy alta temperatura comenzarán a salir (a muy alta velocidad) del cilindro respectivo en el tubo de escape y luego a la atmósfera exterior. El proceso continuará mientras el pistón se mueve y alcanza el PMI (punto D en la figura 12 a) y regresa para moverse hacia atrás hacia el PMS y alcanza el punto D1 (figura 12 a) en cuyo punto el pistón pasará el borde superior de la ranura de escape y completará el proceso (carrera) de escape.

1. Motores Modificados:

[0194]

- El pistón también se moverá del punto C al PMI y volverá al punto C (figura 12a ) y del punto C al punto D1 (figura 12c),

[0195] Cuando el pistón alcanza y excede el punto C, también excederá la línea superior (borde) de la ranura de escape y los gases de la combustión aún bajo alta presión y a muy alta temperatura comenzarán a salir (a alta velocidad) del cilindro respectivo hacia el tubo de escape y luego a la atmósfera exterior. Sin embargo, la presión de salida y la temperatura de los gases de la combustión son significativamente inferiores a las del motor convencional de dos tiempos similar. El proceso continuará mientras el pistón se mueve y alcanza el PMI (punto D en la figura 12 a) y regresa para moverse hacia atrás hacia el PMS y alcanza el punto D1 (figura 12 a) en cuyo punto dicho pistón pasará el borde superior de la ranura de escape y completará el proceso (carrera) de escape.

0 Carrera de Carga Concurrente (Succión):

A- Motores convencionales:

[0196]

- El pistón se moverá del punto C al PMI y volverá al punto C (figura 12 a) y del punto C al punto D1 (figura 12 b), - Cuando el pistón alcanza el PMI, punto D (figura 12 b), la válvula de carga (succión) se abre,

- La mezcla de aire-combustible se cargará bajo presión positiva en el cilindro y empujará los gases de la combustión a través de la ranura de escape hacia el tubo de escape y hacia el exterior. Este proceso continuará hasta que el pistón alcance el punto C (figura 12a) punto D1 (figura 12b). Aunque la sustitución de los gases de la combustión no estará completa, se espera que la mayoría de los gases de la combustión se expulsen del cilindro.

- Cuando el pistón alcanza el punto C (figura 12 a), la válvula de carga se cerrará,

- El cilindro se llenará hasta el punto C (figura 12 a) con mezcla fresca de aire-combustible.

B- Motor Modificado:

[0197]

- El pistón también se moverá del punto C al PMI y volverá al punto C (figura 12a) y del punto C al punto D1 (figura 12c),

- Cuando el pistón alcanza el PMI, punto D (figuras 12a y 12c), se abre la válvula de carga (succión),

- La mezcla de aire-combustible se cargará bajo presión positiva en el cilindro y empujará los gases de la combustión a través de la ranura de escape hacia el tubo de escape y hacia el exterior. Este proceso continuará también hasta que el pistón alcance el punto C (figura 12a) punto D1 (figura 12c). Aunque la sustitución de los gases de la combustión no estará completa, se espera que la mayoría de los gases de la combustión sean expulsados. - Cuando el pistón alcanza el punto C (figura 12 a), la válvula de carga (válvula de entrada-salida) continuará abierta y se cerrará cuando el pistón alcance el punto E (figura 12 c),

- Esto permitirá que dicho pistón expulse alguna mezcla de aire-combustible del cilindro involucrado, del punto C al punto C1 (figura 12 a), (del punto D1 al punto E, figura 12c),

- El cilindro se llenará desde el PMS hasta el punto C1 (figura 12 a) con mezcla fresca de aire-combustible (40% a 60% del tamaño de trabajo de los cilindros convencionales).

0 Carrera de Compresión:

A- Motores Convencionales:

[0198]

- El pistón se moverá del punto C al PMS (figura 12 a) y del punto D1 al punto A PMS (figura 12 b),

El pistón comprimirá la mezcla de aire-combustible en la cámara de combustión y logrará la relación de compresión requerida de 8 a 10,

B- Motores Modificados:

[0199]

- El pistón se moverá del punto C1 al PMS (figura 12 a) y del punto D1 al punto A (PMS) (figura 12 c),

El pistón comprimirá la mezcla de aire-combustible (aproximadamente 40% a 60% del tamaño de trabajo de los cilindros convencionales) en la cámara de combustión y logrará la relación de compresión requerida de 8 a 9 (con el volumen reducido de la cámara de combustión),

[0200] Al introducir las modificaciones, el funcionamiento de la misma revolución cambiará ligeramente, pero se espera que mejore significativamente la eficiencia y el rendimiento del motor. Por lo tanto, para cada revolución completa del cigüeñal (360 grados angulares), a partir del punto A (figura 12b) las dos carreras del motor modificado, en comparación con dos carreras del motor convencional, se muestran en la tabla 4.

[0201] Las realizaciones de la invención mejoran significativamente el funcionamiento de los motores de dos tiempos, y de manera similar los motores de 4 tiempos modificados, en términos de:

Reducción significativa de la temperatura de los gases de escape (probablemente en más de 400 K, de -digamos- 1400 K a menos de 1000 K)

menos pérdida de calor al aire de refrigeración debido a la reducción significativa general de la temperatura de funcionamiento, manteniendo y mejorando al mismo tiempo los principales parámetros de funcionamiento en comparación con el motor convencional,

menos pérdidas mecánicas, al restringir la presión y temperatura muy altas a la porción del cuarto superior de la carrera (condiciones de funcionamiento más suaves),

Condiciones menos severas en el tubo de escape, debido a la reducción de la cantidad de gases de la combustión (probablemente en más del 40%) y a la temperatura más baja mencionada en el punto 1 anterior, para la misma potencia bruta,

Medio Ambiente:

[0202]

Reducción muy significativa de las emisiones de CO2 a la atmósfera gracias al aumento de la eficiencia de los Motores de Combustión Interna, que deberían requerir mucho menos combustible para la misma potencia neta de ruptura.

Emisión a la atmósfera de materias significativamente menos nocivas y quemadas incompletamente (cantidad y calidad), concediendo mucho más tiempo para completar la combustión de combustibles en el propio cilindro y en condiciones de mayor temperatura.

Reducción significativa del ruido del motor, como resultado de la reducción considerable de la presión de escape.

Tabla 4: Funcionamiento de motores convencionales y modificados de dos tiempos de acuerdo con realizaciones de la invención.

[0203] Irónicamente, la eficiencia de los motores de 2 tiempos puede mejorarse incluso con un margen más alto que los motores de 4 tiempos y también mejorar significativamente los aspectos ambientales del funcionamiento de los motores de 2 tiempos, en términos de ruido y emisión de CO2 y gases nocivos muy reducidos.

^ Ejemplo:

[0204] Comparar el rendimiento de un motor convencional que funcione en el 'Ciclo Otto Estándar de Aire' y el mismo motor modificado y que funcione en el 'Ciclo Modificado Atalla Estándar de Aire' de acuerdo con lo siguiente:

- Supongamos un motor de gasolina de 4 tiempos de 2000 cc de tamaño,

- Supongamos que el motor está funcionando a 2400 RPM

- Relación de compresión 9,5

- Suministro de combustible 2720 julios (650 cal) por litro,

A- Para Motores Convencionales: 'Ciclo Otto Estándar de Aire'

[0205]

- Asumimos la eficiencia del motor al 25%

Indicadores Principales de Funcionamiento:

[0206]

2400/2*

Energía liberada por segundo = ................ x 2 litros x 2720 = 108800 Julio/s 60s/min

[0207] Donde 2* representa las 2 revoluciones completas del cigüeñal para completar un ciclo de potencia completo,

25

Energía útil por segundo = 108800 x ........... = 27200 ju lio /s

100

27200

Potencia desarrollada = ............— x 1 / 75 (kg/s) = 36,26 HP

10

[0208] Donde 10 es el factor de conversión entre las energías térmica y mecánica. Kg.m = 10 julios (2,39 cal) B- Motor con modificaciones: 'Ciclo Modificado de Atalla Estándar de Aire'

[0209]

- Mismo motor de gasolina (trabajo de funcionamiento activo será de 1000 cc)

- Relación de compresión 19,

- Eficiencia al 40%,

2400/2

Energía liberada por segundo = ............x 1 litros x 2720 = 54 400 /s

60

40

Energía útil por segundo = 54 400 x ........... = 21 760 Julio/s

100

21 760

Potencia desarrollada = ...............x 1 /75 = 29,00 HP

10

[0210] Esta potencia se desarrolla con el uso de sólo un 50% de combustible en comparación con el 'Ciclo Otto Estándar de Aire'.

[0211] Por lo tanto, la mejora del rendimiento podría expresarse como la potencia alcanzada en dos 'Ciclos de Potencia' con el mismo tamaño de motor físico, para la misma cantidad de combustible,

29,00 x 2

La mejora será = ...................... x 100 = 16 0 %

36,26

[0212] Este es un resultado muy alentador y se cree que puede lograrse en la práctica o incluso podría mejorarse aún más con el desarrollo y la selección de los diseños de ingeniería y condiciones de operación más adecuados.

[0213] Se podría mostrar una mejora: Si un automóvil convencional actual hace -digamos 10 km por litro de combustible- entonces con las modificaciones el mismo automóvil hará aproximadamente:

1,6 x 10 = 16 km por litro de combustible

[0214] El mismo motor (automóvil) con modificación también desarrollará 36,26 caballos de fuerza (HP), aumentando las RPM de las 2400 RPM asumidas - en el ejemplo - para: (a título indicativo)

36,26

RPM (Aproximadas) = ...............x 2400 = 3000

29,00

[0215] El mismo motor también puede desarrollar 36,26 caballos de fuerza (HP), aumentando el volumen de trabajo de la mezcla de aire-combustible - en el ejemplo - para : (a título indicativo)

[0216] Volumen de trabajo de la mezcla de aire-combustible (W V) en los cilindros implicados:

Eficiencia del motor convencional 0,25

W V = — ....................................................................... x 100 = 62,5%

Eficiencia del motor modificado 0,40

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para modificar un motor de combustión interna, comprendiendo el motor de combustión interna:

un cilindro (3);

un pistón (1) alojado dentro del cilindro (3) y movible entre una posición de punto muerto superior, PMS, y una posición de punto muerto inferior, PMI,

una cámara de combustión (7) del cilindro (3) que tiene un volumen definido por una cabeza (8) del pistón cuando el pistón (1) está en la posición del punto muerto superior, PMS; y

aparato para controlar la apertura y el cierre de un portal de entrada-salida (9) del cilindro (3), donde el portal de entrada-salida (9) está configurado, cuando está abierto, para permitir que el aire o una mezcla de aire-combustible entre o entre y salga del cilindro (3) y, cuando está cerrado, para evitar que el aire o la mezcla de aire-combustible entre o salga del cilindro (3);

el procedimiento comprende las etapas de:

modificar la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) de modo que el volumen de la mezcla de aire o aire-combustible situado en el interior del cilindro (3) cuando se cierra el portal de entrada-salida (9) sea inferior al volumen del cilindro definido cuando el pistón (1) está en el punto muerto inferior, PMI, posición en el interior del cilindro (3) cuando el portal de entrada-salida (9) está cerrado de modo que se aumenta la relación de expansión del motor; y,

unir de forma fija un miembro incompresible (21, 23) dentro de la cámara de combustión (7) para reducir el volumen de la cámara de combustión en una cantidad proporcional al volumen de mezcla de aire-combustible cuando se cierra el portal de entrada-salida.

2. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende modificar la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) de manera que el motor tenga una relación de expansión de 15 a 22 o de 35 a 50.

3. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1 que comprende modificar la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) de manera que el motor tenga una relación de compresión de 8 a 10 o de 22 a 26.

4. Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 que comprende modificar la carrera del pistón (1) para extenderse más allá de las posiciones del punto muerto inferior, PMI y punto muerto superior, PMS, para reducir el volumen de la cámara de combustión (7).

5. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que se modifica la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) de modo que el portal de entrada-salida (9) permanezca abierto durante al menos una parte de una carrera de compresión a medida que el pistón (1) se mueve desde la posición del punto muerto inferior, PMI, hacia la posición del punto muerto superior, PMS, permitiendo que el aire o el aire y el combustible salgan del cilindro (3).

6. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que se modifica la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) de modo que el portal de entrada-salida (9) permanezca cerrado durante al menos una porción de la carrera de admisión a medida que el pistón (1) se mueve desde la posición del punto muerto superior, PMS, hacia la posición del punto muerto inferior, PMI, evitando que entre más aire o combustible y aire en el cilindro (3).

7. Procedimiento, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que el aparato para controlar la apertura y el cierre del portal de entrada-salida (9) comprende una leva (17) para abrir el portal (9).

8. Procedimiento, según la reivindicación 7, donde la leva (17) está desplazada con respecto a la posición del pistón (1) en el punto muerto inferior, PMI.

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7 u 8 en el que la leva (17) y el portal de entradasalida (9) están dispuestos de manera que el portal (9) se cierra durante la carrera de compresión del pistón (1) cuando la cabeza del pistón (8) se ha movido a una posición de entre sustancialmente 30% a sustancialmente 60% de la distancia desde la posición del punto muerto inferior, PMI, hacia la posición del punto muerto superior, PMS.

10. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 7 u 8 en el que la leva (17) y el portal de entradasalida (9) están dispuestos de manera que el portal (9) se cierra durante la carrera de admisión del pistón (1) cuando la cabeza del pistón (8) se ha movido a una posición de entre sustancialmente 40% a sustancialmente 70% de la distancia desde la posición del punto muerto superior, PMS, hacia la posición del punto muerto inferior, PMI.