ES2897124B2 - Motor térmico rotativo "en cruz" - Google Patents

Description

DESCRIPCIÓN

Motor térmico rotativo "en cruz"

Sector de la técnica

Esta invención de un motor rotativo, que aplica en Industria y Energía, puede funcionar con diferentes combustibles y sigue el ciclo de cuatro tiempos, admisión, compresión, igniciónexpansión y escape, utilizable como suministro de energía en automoción, transporte terrestre, aéreo, marítimo, maquinaria, industrial, etc., es decir como cualquier motor térmico clásico Este motor realiza dos explosiones simultáneas cada 180 grados de giro (°), es decir, cuatro explosiones por revolución, que permite un buen par motor y potencia unitaria.

El movimiento está regulado por bielas, manivelas y una superficie "guía" excéntrica.

Antecedentes de la invención

Según mis experiencia y aficiones, conozco la existencia de motores alternativos, turbinas, etc. y el ya clásico motor rotativo Wankel.

Precisamente, en los inicios del motor Wankel, se me ocurrió el diseño de este motor rotativo, es decir, hace más de 50 años y ahora con las condiciones de confinamiento obligado por la pandemia del COVID19, me he entretenido en recuperar aquellas ideas.

Por otra parte, al comenzar a estudiar la documentación del OEPM, para la tramitación de patentes, he encontrado la existencia de una patente de 1995, en España, sobre un motor de características "parecidas", pero con algunas consideraciones de trabajo y diseño muy diferentes. Se adjunta búsqueda INVENES

MOTOR ROTATIVO.

Número de publicación: ES2075786 A2 (01. 10.1995)

También publicado como:

ES2075786 R (16.11.1997)

ES2075786 B1 (16.05.1998)

Solicitante: AMELL AMELL JORGE (ES)

CIP: F01C1/073 (2006.01) http://consultas2.oepm.es/lnvenesWeb/detalle?referencia=P9202482

Explicación de la invención

Este motor está compuesto por varios elementos importantes: varias carcasas y varias tapas, una carcasa cilíndrica de la parte térmica, otra que permite la guía excéntrica de bielas y manivelas y otras que contienen las entradas de admisión y escape.

Las tapas, esencialmente cierran lateralmente las cámaras de explosión y protegen la zona de funcionamiento de la carcasa excéntrica, bielas y manivelas.

Un eje de trabajo, al que podemos llamar "eje principal", “eje Director" o "eje de trabajo", al que se fija un doble pistón, de forma trapezoidal-circular

Existe un segundo doble pistón, con un eje hueco, de forma que encaje con el eje "Director" o "de trabajo", de manera que se forman cuatro espacios trapezoidales circulares. que son las cuatro cámaras del motor. dos cámaras de "trabajo" y dos cámaras que sólo reciben aire, que ayuda en la refrigeración.

A los dos ejes se les acopla dos manivelas y a éstas, dos bielas (en total 4), que unidas por un rodamiento, permiten y obligan a que el segundo eje y pistones asociados, oscilen respecto al eje de trabajo, frenando o acelerando, para comprimir o expandir las cámaras de trabajo. El encaje entre pistones, manivelas y ejes se realizará con formas dentadas (engranes), u otras técnicas habituales.

Con todo ello, se genera un movimiento uniforme de rotación en el eje de trabajo, el eje "oscilante" frena o acelera controlando las cámaras de trabajo y "enfriamiento" de aire, obligado por el conjunto de bielas, manivelas, rodamiento de unión de bielas y la carcasa "guía" excéntrica, que sigue el mencionado rodamiento.

Es importante tener en cuenta las dimensiones de bielas, manivelas y excéntrica, para fijar la relación de compresión y el desarrollo de la expansión y compresión.

Hay tres tapas principales; la tapa primera (ver fig.0.0 pieza 16), cierra un lado de las cámaras y tiene cuatro aberturas, que son las lumbreras de admisión y escape, situadas a unos 90° del punto de ignición; el espacio ocupado por las lumbreras de escape y la de admisión será semejante a la anchura del pistón, en grados. También soporta un cojinete del eje principal (ver fig.0.0 pieza 20)

La segunda tapa lateral (ver fig.0.0 pieza 12), cierra el otro lado de las cámaras y permite el paso de los ejes concéntricos y la tercera tapa lateral (ver fig.0.0 pieza 10), protege la cámara de bielas y manivelas con la carcasa excéntrica y soporta un cojinete del eje principal (ver fig.0.0 pieza 19).

La inyección de combustible, se podrá realizar directamente en la cámara de trabajo e ignición o en la entrada de admisión, según sea el combustible y la relación de compresión.

La ignición por bujía si fuera necesario, se podrá realizar en la carcasa circular o lateralmente.

Como se puede apreciar en las figuras, el conjunto motor está formado por grupos de piezas que permiten la formación de dos cámaras de trabajo que giran con los pistones, de forma que se realizan por vuelta, dos ciclos térmicos de cuatro tiempos, las relaciones de compresión y dimensión de las cámaras de trabajo varían y están reguladas por el conjunto de bielasmanivelas y la superficie guía elíptica que sigue el rodamiento que une biela y manivela.

Es importante para el movimiento uniforme de rotación y el par de trabajo, que se realizan cuatro explosiones por revolución (dos a dos simultáneas), mientras que un motor de cuatro tiempos convencional necesita dos revoluciones por explosión

No obstante. para su fabricación es necesario un estudio matemático y continuo de las posibles posiciones de funcionamiento y una vez que se compruebe que efectivamente funciona, que lo hará, es necesario completar el prototipo, con todos los sistemas auxiliares de funcionamiento necesarios.

Considero muy importantes los tiempos de inyección e ignición, que pueden ser más cortos que en un motor alternativo.

La carcasa excéntrica debe de ser robusta para soportar sin deformarse las presiones y rozamiento transmitidas por los rodamientos, a su vez empujados por las bielas manivelas La carcasa excéntrica, también recoge el aceite de engrase y lo envía al cárter y sistema de enfriamiento y recirculación de aceite.

Las dimensiones de la carcasa excéntrica, manivelas y bielas, puede variar según condiciones de trabajo deseadas; incluso la forma de elipse perfecta puede variar en varias formas (por ejemplo arco carpanel) e incluso inclinaciones respecto al eje horizontal, según lo puedan necesitar las condiciones de trabajo ideales del motor (pe. cambios de velocidad del pistón oscilante, tiempos de expansión y I o compresión, tiempos de inyección de combustible, y momento ideal de ignición (ver figuras 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, ..).

Breve descripción de los dibujos

Figura 0.0 Conjunto motor

En esta primera figura de conjunto, se presenta un corte para visualizar, arriba el pistón de trabajo y, abajo, el pistón oscilante; también se muestra el rodamiento guía fuera de la carcasa, por mejorar la visualización, así como el resto de piezas importantes.

Descripción de cada parte o componente de la Figura 0.0

1 Eje de trabajo (puede tener una entrada de aceite de engrase, con posible distribución radial a pistones y zonas de rozamiento)

2 doble pistón de trabajo o pistón "director". Está provisto de ranuras circulares para insertar cierres herméticos (aros) (ver 0.0 pieza n° 9) entre tapas y pistones; también tienen ranuras "en cabeza" para lo mismo. La zona que da a la cámara de expansión, refrigeración, puede estar ranurada (vaciada), para aumentar el volumen de aire y mejorar la refrigeración y que su relación de compresión en dicha zona, sea menor y con menos gasto energético.

3 doble pistón oscilante. Está provisto de ranuras circulares para insertar cierres herméticos (aros) (ver 0.0 pieza n° 9) entre tapas y pistones; también tienen ranuras "en cabeza", para lo mismo. La zona que da a la cámara de expansión, refrigeración, puede estar ranurada (vaciada), al igual que el pistón de trabajo.

3.1 eje oscilante, en el que encaja el pistón oscilante (0.0 pieza n° 3). Podría realizarse en una sola pieza, pistón y eje oscilante.

La mejor solución para la fabricación y montaje de ejes y pistones: podría ser que los pistones de trabajo y oscilante, fueran exactamente iguales y los ejes, oscilante y de trabajo, tuvieran los resaltes adecuados para su encaje (ver perspectiva figura 1, piezas 1(eje), pieza 2 (pistón motor) y pieza 3 (pistón oscilante). Las piezas 2 y 3 serían iguales

4 manivela eje - pistón oscilante

5 manivela eje - pistón de trabajo

6 bielas (4) de una pieza y correspondientes casquillos antifricción

7 rodamiento guía (2) entre cada dos bielas. Sigue la trayectoria obligada por la excéntrica. Puede tener una superficie lisa o con engranes tallados, en función de la superficie excéntrica (ver 0.0 pieza n° 11)

8 casquillo antifricción entre eje de trabajo y eje oscilante

9 casquillos retención (aros cierre) entre rotores (ver 0.0 piezas n° 2 y 3 y 9) y tapas 12 y 16

10 tapa-carcasa protectora lateral cámara sistema excéntrico- oscilante y soporte de un cojinete del eje principal (ver 0.0 pieza n° 19). Rígidamente sujeta a la carcasa excéntrica (ver 0.0 pieza n° 11)

11 carcasa excéntrica, realizada con material muy rígido y resistente a las deformaciones, para que no varíe la pista elíptica guía de los rodamientos, con las presiones trasmitidas por el conjunto bielas, manivelas, rodamiento. Su superficie externa puede estar preparada para eliminar calor. La superficie interna puede tener engranes tallados en función de los cojinetes guía (ver 0.0 pieza n° 7) que se utilicen.

12 Tapa que cierra un lateral de los pistones. Está provista de ranuras circulares para insertar cierres herméticos (ver 0.0 pieza n° 9)

La carcasa de la zona pistones rotativos, cierre cámaras explosión, refrigeración, engrase, bujías, inyectores, ... está formada por varias capas o carcasas concéntricas

13 carcasa externa, protectora de las otras, a la vez que disipa calor.

14 carcasa intermedia, de refrigeración, parte de la carcasa de la zona de pistones rotativos, con conductos de líquido refrigerante.

Está afectada por engrase, bujías, inyectores

15 tambor cilíndrico interno muy resistente, parte de la carcasa de la zona de pistones rotativos, resistente al calor, presión y rozamiento; además la superficie circular no tiene una distribución de calor homogénea, con dos zonas (2) "calientes" y dos zonas (2) "frías".

16 Tapa cierre cámaras, con cuatro perforaciones, con forma de sector circular, que son las lumbreras de admisión y escape.

Está provista de ranuras circulares para insertar cierres herméticos (ver 0.0 pieza n° 9); también es soporte de rodamientos o cojinetes del eje principal (ver 0.0 pieza n° 20)

17 lumbreras escape y admisión (en total 4) en carcasa y en tapa 16

18 Tapa - carcasa para circuitos admisión y escape de (en total 4) lumbreras 17

19 rodamiento I casquillo antifricción eje trabajo en zona Tapa (ver 0.0 pieza n° 10)

20 rodamiento J casquillo antifricción eje trabajo en zona Tapa 18

Otros componentes son también variadas juntas estancas, para asegurar la estanqueidad de uniones de carcasas, tapas, etc., así como juntas de cierre en la "cabeza" de los pistones; también tornillos sujeción tapas y carcasas, bulones (ejes) para rodamientos, etc.

El engrase de los pistones se puede realizar a través del eje de trabajo, con conexiones radiales con pistones y rodamientos, con vuelta o recuperación en la carcasa excéntrica, que actuará, o podrá actuar, también como cárter.

Figura 0.1 vista lateral, con bielas, manivelas y rodamiento guía, siguiendo la excéntrica elíptica. Figura 0.2 Vista lateral pistones, con posibles ranuras / huecos en pistones, para facilitar su refrigeración

Figura 0.3 vista lateral, lumbreras

Color azul = admisiónColor naranja = escape

Figura 1 Despiece - Perspectiva realizada para facilitar la visualización del montaje

Figura 2 Despiece, con vistas de eje de trabajo, pistón de trabajo, pistón oscilante, dos

(2) manivelas y cuatro (4) bielas.

Figuras de algunas posibles carcasas excéntricas

La carcasa excéntrica puede tener varias formas, trocoide, doble arco carpanel, dos circunferencias unidas por rectas y la principalmente estudiada, elipse

Figura 3 TROCOIDE

Figura 4.1 DOBLE CIRCUNFERENCIA, unidas por rectas

Figura 4.2 Doble arco carpanel; se puede apreciar la diferencia con la elipse.

Figura 5 ELIPSE, con indicación de graduación y de los 4 cuadrantes (núm. 1,2, 3, 4) Grupo Fig. 6. figuras sucesivas posición de pistones, manivelas, bielas, rodamientos.

Para visualizar mejor las figuras sucesivas del movimiento de pistones, manivelas, bielas y rodamientos, así como la situación respecto a las lumbreras de admisión y escape, etc.

Además de las figuras correspondientes, conviene presentar una tabla con símbolos y medidas provisionales, que posteriormente se deben verificar y actualizar con cálculos matemáticos e informatizados.

Durante este estudio se han realizados varios cambios de algunas de estas medidas, presentándose las últimas consideradas, sin que sean definitivas: algunos datos son fijos, por construcción, pero otros varían según la posición de giro de los pistones.

Se ha realizado un estudio de posiciones (ver fig. 6.00 a 6.17), aunque no se presentan todas. Hay que tener en cuenta que la simetría aplica a las posiciones de los cuatro pistones.

6.00 Imagen de referencia, con ángulos y medidas a tener en cuenta.

6.1, 6-02, 6.03 secuencia con pequeñas diferencias de ángulo. Muestran aumento compresión hasta llegar a 6.04.

6.04 Comienza la ignición doble, con los dos ejes a la misma velocidad, (p.e. 1000 rpm) pT1 pistón eje trabajo (ver fig 0.0 pieza 2), p0sc1 pistón eje oscilante (ver fig 0.0 pieza 3).

6.05 El pistón oscilante avanza, pero disminuye la velocidad

6.06 Sigue frenándose el pistón oscilante y el pistón de trabajo pT1, o "director", por su cara fría, llega a la lumbrera de escape

6.07 Sigue bajando la velocidad de rotación del pistón oscilante y el pistón de trabajo, pT1, cierra la lumbrera de escape. Lumbrera de admisión abierta, entra aire "fresco" en la cámara de refrigeración.

6.08 lumbrera escape cerrada, a punto de abrirse, y admisión cerrada. Va a comenzar la expulsión de gases

6.09 Lumbrera de escape totalmente abierta y admisión cerrada por pistón de trabajo pT 1 Salida de gases de combustión muy completa.

6.10 ambas lumbreras abiertas. Restos de gases salen y aire fresco a presión, "limpia" la cámara de trabajo

6.11 Ha acabado la expulsión de gases y por la admisión entra aire fresco a cierta presión. Lumbreras escape y admisión abiertas

6.12 Se cierra la lumbrera de escape y la de admisión abierta. El pistón oscilante deja de frenar y empieza a acelerar y puede entrar aire fresco con o sin combustible

6.13 Lumbreras de admisión y escape cerradas. Pistón oscilante, pOsc1, sigue acelerando y en la cámara de trabajo se empieza a comprimir.

Ángulo cámara trabajo 32,7°; vol. útil cámara trabajo = 1709 * 32,7 / 360 = 155 cm3 cilindrada dos cámaras 310 cm3

6.14 Lumbrera admisión cerrada y escape abierta. Pistón oscilante, p0sc1, sigue acelerando y en la cámara de trabajo se sigue comprimiendo.

6.15 Lumbrera admisión y escape abiertas para cámaras refrigeración. Pistón oscilante, pOsc1, sigue acelerando y en la cámara de trabajo se sigue comprimiendo.

6.16 Lumbrera admisión y escape abiertas. Pistón oscilante, pOsc1, sigue acelerando y en la cámara de trabajo se sigue comprimiendo.

6.17 pistón oscilante alcanza al pistón de trabajo (a la misma velocidad), la cámara de trabajo está en posición, lista para ignición. Y han recorrido 180° y se realiza otra ignición doble (por simetría).

7 Gráficos compresión y explosiones, obtenidos en pruebas de cálculo.

7.1 Gráfico doble explosión por vuelta. Se visualiza en los 360° la compresión (aprox.) en las cámaras de trabajo

7.2 Gráfico área trabajo por explosión (aprox.)

TABLA 01 datos iniciales

TABLA 02 Resumen posiciones en 180°, según figuras 6-4 hasta 6-17 utilizando datos de la tabla anterior, TABLA 01, se indican los diferentes parámetros de funcionamiento y sus variaciones, entre las ex losiones cada 180°

Realización preferente de la invención

Este motor está compuesto por las piezas que se indican en la Fig. 0.0, más otros elementos auxiliares, como inyectores y/o bujías, sistema refrigeración, sistema de engrase, sistema control electrónico, etc., que no son parte de este estudio.

Las piezas indicadas en las figuras deben realizarse con elementos de gran calidad y esmerada fabricación, para proceder después a su ensamblaje en grupos de montaje y siguiendo una secuencia que facilite su correcto funcionamiento

Seguidamente se presentan los elementos a fabricar y montar:

Eje motor y pistones (ver fig 0.0, fig.0.1 y fig 1 piezas n° 1,2 y 3)

Bielas monopieza (ver fig 0.0 y fig.0.2 pieza n° 6)

Manivelas monopieza (ver fig. 0.0 y fig 0.1pieza n° 4 y 5)

Rodamiento guía biela-manivela (ver fig.0.0 y ftg 0.1pieza n° 7)

Carcasa guía elíptica (ver fig.0.0 pieza n° 11)

Carcasas cilindricas cámaras térmicas (ver fig. 0.0 piezas 13, 14, 15).

Deben montarse muy ajustadas para facilitar la disipación del calar de la carcasa cilindrica térmica (ver fig. 0.0 pieza 15), por ejemplo con ajustes "en caliente"

Tapas de cierre lateral de las cámaras de trabajo y de refrigeración (ver fig. 0.0 piezas 12 y 16)

Tapa lateral con lumbreras de admisión y escape, realizada en fundición de material ligera (p.e. aluminio) que permite redireccionar y optimizar la entrada y salida de gases y colocación de inyectores y/o bujías y calentadores. (ver fig. 0.0 pieza 18)

Las citadas tapas y carcasas deben estar unidas con precisión y rigidez por bulones adecuados, utilizando en la zona térmica juntas y aros de cierre

Proceso secuencial de montaje

Para el montaje del conjunto motor (ver ftg.0.0) , se puede iniciar con la carcasa 18 y añadiendo la tapa (n° 16) y carcasas (piezas n° 13, 14 y 15), colocación rodamiento eje motor (pieza n° 20), montaje eje motor (pieza n° 1) con doble pistón (pieza n° 2), montaje segmentos ajuste y cierre necesarios, eje oscilante con doble pistón oscilante (pieza n° 3) (puede ser una sola pieza), colocación del conjunto anterior dentro de las carcasas n° 13, 14 y 15, y tapas n° 16 y 18.

Después se deben cerrar las cámaras con la tapa n° 12 y proceder a la colocación de manivela pieza n° 4) en eje oscilante, colocar conjunto oscilante en eje motor, colocar manivela (pieza n° 5) en eje motor, colocar bielas (pieza n°6) y rodamientos (pieza n° 7), y la carcasa excéntrica (pieza n° 11)

Una vez acabado lo anterior se puede proceder a cerrar el conjunto motor con la tapa (pieza 1O), rodamiento eje motor (pieza n°19), etc.

También dispone de elementos de sujeción en carcasas y tapas exteriores, tanto para sujetar el motor en un chasis, como para realizar el montaje.

Claims (1)

REIVINDICACIONES

1. Motor térmico rotativo "en cruz".

Este motor rotativo se caracteriza por tener dos cámaras de trabajo que realizan dos ciclos de cuatro tiempos por revolución. Para conseguir1o, se utilizan varios elementos complementarios, en el sentido que todos ellos, de forma conjunta, son necesarios y permiten realizar los ciclos de trabajo (ver A, B, C, O, E).

A) Son característicos los pistones dobles rotativos de forma trapezoidal circular, con una parte central de conexión a los ejes de trabajo y oscilante (concéntricos) (ver piezas 1, 2, 3), de pistones con solo dos superficies de ajuste cilíndricas a mecanizar en cada pistón doble, siendo el resto superficies planas y ranuras para elementos de cierre.

Dichos pistones, generan las 2 cámaras de trabajo y las 2 de enfriamiento, que giran siguiendo el movimiento de los pistones.

B) El cierre exterior de las cámaras, es un grupo de carcasas cilíndricas. Una de ellas muy resistente al calor, la presión y la fricción, y otras carcasas concéntricas, que permiten la refrigeración y colocación de bujías, inyectores, etc. (ver piezas 13, 14, 15),

C) Hay dos tapas laterales, que cierran lateralmente las cámaras y una de ellas (ver pieza 16) tiene las 2 lumbreras de escape y las 2 de admisión (ver lumbreras n° 17), que en combinación con los pistones, permiten realizar cuatro ciclos de cuatro tiempos por revolución).

Otra tapa lateral (ver pieza 18), contiene los conductos de admisión y escape, conectados a las lumbreras correspondientes.

D) Se caracteriza también por disponer de un Dispositivo de regulación del movimiento entre pistones, formado por dos manivelas. sujetas a los ejes, cuatro bielas monopieza sencillas y dos rodamientos o casquillos "guía". Estos rodamientos pueden tener una superficie exterior lisa o con engranes (ver piezas 4, 5, 6, 7) y siguen el sentido marcado por una superficie guía que controla adecuadamente la posición de los diferentes elementos de trabajo,

E) Para conseguir la superficie guía, existe una pieza característica, la carcasa excéntrica, (ver pieza 11) de forma elíptica, situada junto a la carcasa cilíndrica de pistones y cámaras y fija a ella. Esta carcasa excéntrica, puede tener una superficie interna lisa o con engranes, en función de los rodamientos utilizados.

El dispositivo de regulación del movimiento y oscilación entre pistones y de variación y giro de cámaras de trabajo y refrigeración, está formado por tanto, por el conjunto de bielas, manivelas, rodamientos y superficie interior de carcasa excéntrica, pieza característica de forma elíptica o similar, consiguiendo la transmisión adecuada de la energía de la explosión en las cámaras de trabajo, con la característica de realizar cuatro explosiones por revolución (cada 180° dos explosiones simultáneas).