ES2823175T3 - Motor térmico, en particular motor ORC - Google Patents

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Abstract

Motor térmico, en particular motor ORC, con un cárter de cigüeñal (1) y al menos un cilindro de trabajo (2) unido al cárter de cigüeñal (1), en el que un pistón de trabajo (3) unido de manera rígida a un vástago de pistón (4) se puede mover y el vástago de pistón (4) en su extremo apartado del pistón de trabajo (3) está unido a través de una cruceta (5), guiada en dirección longitudinal del vástago de pistón (4), de manera articulada a un vástago de biela (6), caracterizado por que el espacio interior (B), solicitado con un medio de trabajo, del cilindro de trabajo (2) está separado del espacio interior (A), solicitado con aceite, del cárter de cigüeñal (1) por dos paredes (9, 10) que presentan cada una de ellas una abertura de paso (12, 13) estanqueizada para el vástago de pistón (4), y por que entre las paredes (9, 10) que separan los espacios interiores (A, B) está formado un espacio (C) con una abertura (11).

Description

DESCRIPCIÓN
Motor térmico, en particular motor ORC
La invención se refiere a un motor térmico, en particular a un motor ORC, con un cárter de cigüeñal y al menos un cilindro de trabajo unido añ cárter de cigüeñal, en el que un pistón de trabajo unido de manera rígida a un vástago de pistón se puede mover y el vástago de pistón en su extremo apartado del pistón de trabajo está unido a través de una cruceta guiada en dirección longitudinal del vástago de pistón de manera articulada a un vástago de biela.
Los motores térmicos, en particular motores ORC, de tal tipo se conocen por su uso, en particular aquellos que se montan en motores de combustión interna convencionales cuyos casquillos de cilindro se usan para la guía de la cruceta que se puede unir de manera articulada al vástago de biela. La abreviatura ORC se refiere en esta solicitud al proceso de ciclo orgánico de Rankine.
En el documento DE 1425497 A1 se muestra un motor de pistón que se usa como motor de combustión interna de cuatro tiempos o como compresor. Un vástago de pistón se guía entre un cilindro de trabajo y un cárter de cigüeñal por dos aberturas pasantes mediante una guía. No es necesaria una estanqueización de las aberturas pasantes.
El documento EP 1978230 A2 muestra un aerogenerador para el uso de fuentes térmicas de baja temperatura. En un espacio de trabajo se puede introducir un medio de trabajo que está bajo presión. El espacio de trabajo se puede expandir por el medio de trabajo mientras se realiza el trabajo mecánico, por lo que el medio de trabajo puede estar encerrado exclusivamente bajo tensión en el espacio de trabajo.
La presente invención se basa en el objetivo de crear un nuevo motor térmico del tipo mencionado al principio que se pueda hacer funcionar a largo plazo de manera segura y con poco mantenimiento en caso de un bajo consumo de aceite lubricante.
El motor térmico según la invención que logra este objetivo está caracterizado por que el espacio interior (B), solicitado con un medio de trabajo, del cilindro de trabajo está separado del espacio interior (A), solicitado con aceite, del cárter de cigüeñal por dos paredes que presentan en cada caso una abertura de paso estanqueizante para el vástago de pistón, y por que entre las paredes que separan los espacios interiores está formado un espacio con una abertura.
De manera ventajosa, mediante las dos paredes de separación de acuerdo con la invención en cada caso con una abertura de paso estanqueizada para el vástago de pistón se puede impedir de manera fiable que se contamine un circuito cerrado para el medio de trabajo, por ejemplo vapor de etanol, mediante aceite lubricante y que después de una corta duración de funcionamiento sea necesario un intercambio del medio de trabajo.
En una forma de realización preferente de la invención está previsto que la sección, humedecida con aceite en el punto muerto inferior del pistón de trabajo, del vástago de pistón en el punto muerto superior del pistón de trabajo llegue hasta como máximo la abertura de paso, que está dirigida hacia el espacio interior (B) solicitado con el medio de trabajo. Los restos de aceite, que a pesar de la estanqueización de la otra abertura de paso se guían con el vástago de pistón humedecido hacia fuera del cárter de cigüeñal, no llegan entonces hasta la abertura de paso en el cilindro de trabajo, de modo que no existe peligro del paso de aceite y, con ello, la contaminación del medio de trabajo.
En una forma de realización preferente adicional de la invención, el vástago de pistón presenta una barrera anular dispuesta en el espacio (C) entre las paredes de separación para interceptar aceite que se desliza a lo largo del vástago de pistón.
Esta barrera anular puede estar estanqueizada de por sí contra el vástago de pistón y puede presentar en particular cantos de ruptura para aceite.
Como medida que impide la salida de aceite desde el cárter de cigüeñal a pesar de la estanqueización de la abertura de paso en cuestión puede estar previsto además que la cruceta presente sobre su lado dirigido al paso una conformación de tal tipo que durante el movimiento del pistón hacia el punto muerto superior por la cruceta no se arroja aceite en dirección a la abertura de paso, sino que puede fluir de salida aceite desde la cruceta, entre otros, en la dirección opuesta. Con preferencia, la superficie de la cruceta dirigida hacia la abertura de paso en cuestión presenta una forma cónica.
La abertura de paso, que está dirigida hacia el espacio interior (B) solicitado por el medio de trabajo, presenta con preferencia una junta, que es eficaz también durante la parada del motor térmico. De manera ventajosa, esta junta de parada puede estar combinada con una junta, que solo con el calentamiento del motor térmico hasta temperatura de funcionamiento puede asumir la estanqueización de la abertura pasante, mientras que la junta de parada pierde con el calentamiento hasta temperatura de funcionamiento cada vez más su efecto de estanqueidad.
La junta de parada puede presentar un elemento de junta anular con una expansión térmica, que es mayor que la expansión térmica del vástago de pistón, de modo que una falda de estanqueidad de la junta anular a temperatura de funcionamiento está levantada del vástago de pistón.
En un diseño adicional de la invención, un empujador de taza de una válvula de salida del cilindro de trabajo está estanqueizado contra un casquillo de guía del empujador de taza y, con ello, el espacio de trabajo (B) del pistón de trabajo contra un espacio interior (D) de un grupo constructivo de culata. El grupo constructivo de culata puede estar configurado por lo demás con poca fricción de tal modo que se pueda operar sin aceite lubricante.
La invención se explica adicionalmente a continuación mediante un ejemplo de realización y los dibujos adjuntos, que hacen referencia a este ejemplo de realización. Muestran:
la Figura 1 un motor ORC según la invención en una vista parcial lateral cortada,
la Figura 2 una junta de parada usada en el motor ORC de la Figura 1 y
las Figuras 3 y 4 partes de un grupo constructivo de culata del motor ORC de la Figura 1 en vista lateral cortada.
Un motor ORC comprende un cárter de cigüeñal 1 y un cilindro de trabajo 2 unido al cárter de cigüeñal 1. En el cilindro de trabajo 2 se puede mover un pistón de trabajo 3, que está unido de manera rígida a un vástago de pistón 4. En su extremo apartado del pistón de trabajo 3 está unido el vástago de pistón 4 a través de una cruceta 5 de manera articulada a un vástago de biela 6.
La cruceta 5 se mueve en un casquillo 7 formado en el cárter de cigüeñal 1 y está guiada dentro del casquillo 7 por rieles de guía (no mostrados) en dirección longitudinal del vástago de pistón 4.
El cilindro de trabajo 2 coaxial con respecto al casquillo 7 está unido en el ejemplo mostrado al cárter de cigüeñal 1 a través de un cárter intermedio, que presenta paredes de cárter 9 y 10, así como una abertura 11. La pared de cárter 9 cierra el espacio interior A solicitado con aceite del cárter de cigüeñal 1. La pared de cárter 10 cierra un espacio B del cilindro de trabajo 2, al que llega un medio de trabajo, por ejemplo vapor de etanol. Ambas paredes 9, 10 presentan en cada caso una abertura de paso 12 o 13 estanqueizada para el vástago de pistón 4.
En la abertura pasante 12 de la pared de cárter 9 se encuentra una junta anular 14 de plástico, por ejemplo PTFE, o de bronce, que impide en gran medida la salida de aceite del cárter de cigüeñal 1. Una superficie 15 dirigida hacia la abertura pasante 12 de la cruceta 5 garantiza desde el principio que la cantidad de aceite arrojada a través de la cruceta en dirección a la abertura de paso 12 durante el movimiento del pistón de trabajo 3 es pequeña al poder discurrir de salida el aceite desde la superficie cónica 15 hacia fuera y en dirección opuesta.
La junta anular 14 está retenida en una pieza de prolongación 8 desmontable en la pared de cárter 9.
Dentro del espacio C formado entre las paredes de cárter 9 y 10 está dispuesta sobre el vástago de pistón 4 una barrera anular 16, que a pesar de la estanqueización por la junta anular 14 retiene cantidades residuales de aceite, que se desliza a lo largo del vástago de pistón 4, que salen dado el caso del espacio interior del cárter de cigüeñal 1. Como se puede reconocer a partir de la Figura 1, la propia barrera anular 16 está estanqueizada por una junta anular 17 contra el vástago de pistón 4 y una parte, que se dirige hacia la abertura pasante 12, de la barrera anular 16 presenta en 19 varios bordes de ruptura de aceite concéntricos.
Para el sellado estanco a los gases de la abertura pasante 13 en la pared de cárter 10 sirve una junta anular 20, que está combinada con una junta de parada 21 que actúa durante la parada del motor ORC, representada por separado en la Figura 2. Para asegurar que no fluye etanol pasando por la junta de parada, el espacio entre la junta anular 20 y la junta de parada 21 está unido a un espacio E. El nivel de presión de espacio E se sitúa por debajo del nivel de presión de los espacios A, B y C.
De manera diferente a la disposición mostrada, las juntas 20, 21 pueden estar alojadas en una pieza de prolongación en forma de taza, que forma un abultamiento de la pared de cárter 10 y se puede desmontar por separado de la pared de cárter 10 restante, dado el caso a través del espacio B. También todo el embalaje de junta 20, 21 podría ser desmontable a través del espacio B.
La junta de parada 21 proporciona en el estado de arranque del motor ORC, cuando la temperatura de funcionamiento aún no se ha alcanzado, una estanqueización de la abertura pasante 13, que se asume después de alcanzarse la temperatura de funcionamiento por la junta anular 20.
Como permite reconocer la Figura 2, la junta de parada 21 comprende un elemento de junta 23 anular de PTFE con una falda de estanqueidad 24, que se apoya en el estado frío del motor ORC de manera estanqueizante contra el vástago de pistón 4, reforzándose la presión de apriete de la falda de estanqueidad 24 contra el vástago de pistón 4 por un resorte anular 37. Para el sellado adicional estanco a los gases sirve un elemento de estanqueización anular 40 de silicona.
En el funcionamiento de arranque del motor ORC se calienta, entre otros, mediante fricción, el material del elemento de junta 23, que presenta un coeficiente de expansión claramente mayor que el material del vástago de pistón 4. De este modo, la falda de estanqueidad 24 se eleva del vástago de pistón 4. Con el calentamiento, la junta anular 20, que también está configurada de varias partes, asume cada vez más la estanqueidad de la abertura de paso 13. Durante el funcionamiento, la junta de parada 21 no está sometida, de manera ventajosa, a ningún desgaste.
Una válvula de salida mostrada en la Figura 3 en un grupo constructivo de culata (no representado en la Figura 1) del cilindro de trabajo 2 comprende un disco de válvula 38 y un empujador de taza 27, coaxial al disco de válvula 38, que está guiado en un casquillo de guía 28. Un inserto deslizante 29 en el casquillo de guía 28 proporciona, además de una guía del empujador de taza 27, su estanqueización contra el casquillo de guía 28. El espacio interior B del cilindro de trabajo 2 está estanqueizado de este modo contra el espacio interior D del grupo constructivo de culata.
Para evitar por completo la transferencia de aceite del grupo constructivo de culata al espacio de trabajo B del cilindro de trabajo 2 se puede prescindir de una lubricación por aceite del grupo constructivo de culata mostrado en la Figura 3.
Como se desprende de la Figura 4, el grupo constructivo de culata que se puede hacer funcionar sin lubricación por aceite comprende un balancín 30, que se controla por un vástago de empujador 31 y activa el empujador de taza 27. En el vástago de empujador 31 está comprendida una rótula de varias partes, que comprende un inserto de cojinete esférico 33. En la rótula engrana un perno esférico 34 comprendido por el balancín 30. La activación del empujador de taza 27 se efectúa a través de un patín de deslizamiento 35, que está unido a través de otro perno esférico 36 al balancín 30. Al poder desplazarse el patín de deslizamiento 35 en perpendicular a la dirección de movimiento del empujador de taza 27, se posibilita la transmisión del movimiento rotatorio del balancín 30 al movimiento lineal del empujador de taza 27.
Mediante la forma del empujador de taza 27 se protegen componentes situados en el interior antes de la abrasión resultante durante el funcionamiento por el patín de deslizamiento 35 dispuesto sobre el empujador de taza 27.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Motor térmico, en particular motor ORC, con un cárter de cigüeñal (1) y al menos un cilindro de trabajo (2) unido al cárter de cigüeñal (1), en el que un pistón de trabajo (3) unido de manera rígida a un vástago de pistón (4) se puede mover y el vástago de pistón (4) en su extremo apartado del pistón de trabajo (3) está unido a través de una cruceta (5), guiada en dirección longitudinal del vástago de pistón (4), de manera articulada a un vástago de biela (6), caracterizado por que
el espacio interior (B), solicitado con un medio de trabajo, del cilindro de trabajo (2) está separado del espacio interior (A), solicitado con aceite, del cárter de cigüeñal (1) por dos paredes (9, 10) que presentan cada una de ellas una abertura de paso (12, 13) estanqueizada para el vástago de pistón (4), y por que entre las paredes (9, 10) que separan los espacios interiores (A, B) está formado un espacio (C) con una abertura (11).
2. Motor térmico según la reivindicación 1,
caracterizado por que
la sección, humedecida con aceite en el punto muerto inferior del pistón de trabajo (3), del vástago de pistón (4) en el punto muerto superior del pistón de trabajo (3) llega hasta como máximo la abertura de paso (13), que está dirigida hacia el espacio interior (B) solicitado con el medio de trabajo.
3. Motor térmico según las reivindicaciones 1 o 2,
caracterizado por que
el vástago de pistón (4) presenta una barrera anular (16) dispuesta en el espacio (C) para aceite que se desliza a lo largo del vástago de pistón (4).
4. Motor térmico según la reivindicación 3,
caracterizado por que
la barrera anular (16) presenta bordes de ruptura de aceite (19) y dado el caso de por sí está estanqueizada contra el vástago de pistón (4) por una junta anular (17).
5. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado por que la abertura pasante (13), que está dirigida hacia el espacio interior (B) solicitado por el medio de trabajo, está estanqueizada por una junta (20, 21), que comprende una junta de parada (21).
6. Motor térmico según la reivindicación 5,
caracterizado por que
la junta de parada (21) comprende un elemento de junta (23) anular que se expande, cuyo efecto de estanqueidad está anulado a temperatura de funcionamiento del motor térmico.
7. Motor térmico según las reivindicaciones 5 o 6,
caracterizado por que
la junta (20, 21) que comprende la junta de parada (21) está unida a un espacio (E), cuyo nivel de presión se sitúa por debajo de los espacios (A), (B) y (C).
8. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado por que
la cruceta (5) sobre su lado dirigido hacia la abertura pasante (12) en cuestión presenta una conformación que durante el movimiento del pistón de trabajo (3) hacia el punto muerto superior reduce la solicitación de la abertura pasante (12) con aceite, presentando la cruceta (5) una superficie cónica (15).
9. Motor térmico según una de las reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado por que
el motor térmico comprende un grupo constructivo de culata sin lubricación por aceite.
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