ES2944316T3 - Motor alternativo de combustión con generador - Google Patents

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Abstract

Un motor de combustión interna de pistones opuestos para ser conectado con al menos un generador comprende al menos dos cilindros (9, 10) con pistones opuestos de fase coincidente (11, 12), bielas (7, 8) y cigüeñales paralelos (1 , 2) interconectados por engranajes (3, 4) del mismo diámetro y de sentidos de rotación opuestos. El primer cigüeñal (1) está acoplado con el primer generador (5) y el segundo cigüeñal (2) está acoplado con el segundo generador (6) y/o con un volante (18). Para lograr un equilibrio óptimo de las masas giratorias y deslizantes y sus efectos, el momento de inercia del primer conjunto de cigüeñal (1) es igual al momento de inercia del segundo (2) y los cilindros (9, 10) con pistones opuestos de fase coincidente (11, 12) se colocan perpendicularmente al plano de simetría (20) entre los cigüeñales (1, (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Motor alternativo de combustión con generador
Área técnica
El invento está relacionado con la disposición del motor alternativo de combustión unido con el generador y se trata de un motor de dos cilindros o motor con múltiplo de dos cilindros con dos cigüeñales que está diseñado para recargar los acumuladores en los vehículos o aviones con vibraciones minimizadas durante la operación, el llamado range extender.
Antecedentes de la invención
Para la propulsión del generador se utilizan motores alternativos de combustión de diferentes tipos. Se utilizan unidades de un cilindros y de varios cilindros. Prácticamente todos los motores se pueden unir con el generador y de esta manera se utilizan, por lo general, los motores de combustión basados en los motores para propulsar otros dispositivos. Normalmente tienen un cigüeñal y propulsan a un generador. Estas construcciones, a pesar de ser de varios cilindros y con una buena compensación de fuerza, presentan oscilación de torsión, la cual está causada por cada una de las igniciones en los cilindros del motor y por la reacción inmediata del bloque del motor. Sin embargo, los requisitos para las propulsiones modernas, sobre todo del tipo de Range extender, por ejemplo para los vehículos eléctricos o aviones eléctricos, son específicos. Uno de los requisitos es, por ejemplo, la simplicidad, número reducido de cilindros, bajo peso, dimensiones de construcción adecuadas, y también es importante la minimización de las vibraciones. La idea de utilizar el motor con dos cigüeñales o unir dos motores surge, de momento, de forma excepcional. Uno de los ejemplos es la solución según US20130319349A1. A pesar de que se trata aquí de un motor con dos cigüeñales, la propulsión de un motor del generador genera a la hora del encendido en los cilindros el momento de reacción del rotor del generador. Por eso el alojamiento de toda la maquinaria está siendo expuesto a las oscilaciones de torsión. El motor tampoco está compensado de forma ideal desde el punto de vista de fuerzas de inercia debido a que los cilindros están situados en paralelo y las fuerzas de inercia de los mecanismos de cigüeñal no se pueden compensar de forma ideal. Esta concepción con los cilindros paralelos es además alta y no adecuada para los requisitos de construcción baja.
La esencia del invento
Los defectos mencionados anteriormente son eliminados en gran medida por el motor alternativo de combustión con generador que consiste en dos cilindros con cabezas, pistones con bielas y dos cigüeñales, eventualmente sus múltiplos, que están unidos mediante piñones con la proporción de transmisión de 1: -1, es decir, con el sentido contrario del giro, según esta solución. Su esencia radica en que el primer cigüeñal con un piñón está alojado de forma paralela junto al segundo cigüeñal con el segundo piñón en una caja del motor, de manera que los piñones con la transmisión de 1: -1 encajan uno en el otro y el primer cigüeñal está unido con el primer rotor del generador y el segundo cigüeñal está unido con el segundo rotor del generador o con el volante de inercia, y el par de inercia del conjunto del primer cigüeñal con el primer piñón y con el primer rotor del generador se corresponde con el par de inercia del conjunto del segundo cigüeñal con el segundo piñón y con el segundo rotor del generador o con el volante de inercia, y luego están los pistones situados en el sentido perpendicular respecto al plano de simetría entre los cigüeñales de manera que los ejes de la pareja de cilindros se encuentran en un plano recto y ambos pistones se encuentran al mismo tiempo en el punto muerto superior.
La compensación de cada uno de los mecanismos de cigüeñal está realizado de manera que las masas giratorias no compensadas del mecanismo de cigüeñal son compensadas con peso añadido al 100 % y de esta manera las fuerzas centrífugas Fo se eliminan mutuamente. Las masas de desplazamiento de los mecanismos de cigüeñal se quedan totalmente descompensadas. Las fuerzas de inercia Fs de las masas de desplazamiento se eliminan mutuamente gracias al movimiento contrario simétrico de las masas de desplazamiento coincidentes de ambos mecanismos de cigüeñal en el mismo plano.
El motor puede ser del ciclo de dos o cuatro tiempos. En el motor de cuatro tiempos el ciclo de trabajo de los cilindros opuestos puede estar desplazado por un giro.
El motor puede contener varias parejas opuestas de cilindros con colocación simétrica de cilindros y bielas respecto al plano de simetría entre dos cigüeñales y la fase de los ciclos de trabajo en las parejas opuestas de cilindros pude estar desplazada.
El motor alternativo de combustión con generador soluciona de manera ideal los requisitos para el Range extender moderno de los vehículos y aviones de propulsión eléctrica. Es una solución sencilla y barata solo con cilindros, el cual está desde el punto de vista de las fuerzas de inercia compensada en lo que se refiere a la fuerza y al par. Las masas giratorias en los mecanismos están compensadas al 100 % y las fuerzas de inercia de las masas de desplazamiento se eliminan mutuamente gracias al movimiento contrario simétrico de las masas de desplazamiento coincidentes de ambos mecanismos de cigüeñal.
Gracias a que los pistones con bielas se mueven en el mismo plano tampoco se genera par alguno de las fuerzas de inercia que se ejercitan. En el caso de sustituir las bielas con dos puntos de masa hay que tener en cuenta el par de inercia complementario de la biela. En tal caso se eliminan mutuamente también estos pares de las bielas durante el movimiento simétrico de las bielas en el mismo plano.
Debido a que en los ejes que giran en sentido contrario coinciden los pares de inercia y a que estos ejes están perfectamente sincronizados mediante los piñones, también se eliminan totalmente entre sí todos los pares generados por las irregularidades de la marcha del motor alternativo. Es decir, en el alojamiento del motor no se transmite ninguna fuerza ni par oscilante y toda la maquinaria es absolutamente neutral. El motor tampoco sufre vibraciones en el alojamiento durante el encendido o durante el apagado, y tampoco durante la marcha con revoluciones bajas. Es decir, en el avión de propulsión eléctrica no se produce la transmisión de vibraciones a la construcción del fuselaje durante el encendido o apagado del motor y de esta manera no se puede verse afectada ninguna actividad sensible. Por ejemplo la grabación de vídeo o realización de fotos. La disposición del motor es favorecedora para la construcción debido a su baja altura y de esta manera se puede colocar por ejemplo debajo del suelo del vehículo. La construcción plana en los aviones es también favorecedora para los tipos de construcciones más utilizados de los motores de combustión. Con el encendido simultáneo en ambos cilindros se produce la transmisión conjunta de las fuerzas a los mecanismos de cigüeñal y su aceleración igualada, por eso los piñones que unen a los mecanismos de cigüeñal soportarán una carga mínima. Lo más ventajoso es utilizar dos generadores iguales en ambos cigüeñales ya que luego ejercerán los piñones solo el efecto de sincronización. Esta disposición es también favorecedora debido a que el diámetro de los dos generadores es menor y no aumentan la altura de la construcción del motor. Eventualmente se puede, en el caso de utilizar dos generadores, solucionar también desde el punto de vista eléctrico la posibilidad de desconectar un generador en el caso de que falle. En el caso de que se utilice solo un generador y en el otro eje haya solo el volante de inercia, los piñones transmitirán también la potencia útil del eje en el cual se encuentra el volante de inercia. Incluso a pesar de ello la carga de fuerza sobre el engranaje será muy favorable. La ventaja es también el hecho de que la fabricación del motor se puede tener el desarrollo relativamente rápido y fácil utilizando los componentes de los motores contemporáneos de un cilindro.
Explicación de las figuras en los dibujos:
El motor alternativo de combustión con generador según la invención se explicará con más detalles en las realizaciones ejemplares mediante los dibujos adjuntos. En la fig. 1 se muestra la sección del motor alternativo de combustión con dos cilindros con cabezas y pistones con bielas y dos cigüeñales que están unidos por piñones con la proporción de transmisión de 1: -1, es decir. con sentido contrario del giro. El primer cigüeñal con un piñón está alojado de forma paralela junto al segundo cigüeñal con el segundo piñón en una caja del motor de manera que los piñones con la transmisión de 1: -1 encajan el uno en el otro. El primer cigüeñal está unido con el primer rotor del generador y el segundo cigüeñal está unido con el segundo rotor del generador. Los cilindros con los pistones están situados en el sentido perpendicular respecto al plano de simetría entre los cigüeñales y los ejes de la pareja de cilindros están en un plano recto. Ambos pistones se encuentran al mismo tiempo en el punto muerto superior. El motor tiene el ciclo de dos tiempos.
En la fig. 2 está la sección del motor alternativo de combustión con generador de disposición parecida a la fig. 1, pero con ciclo de cuatro tiempos.
En la fig. 3 está la vista axonométrica con sección parcial del motor alternativo de combustión con generador de disposición parecida a la fig. 1. La diferencia está en que el motor tiene solo un rotor del generador en un cigüeñal y en el otro cigüeñal tiene el volante de inercia. Gracias a los diámetros del rotor del generador y del volante de inercia mayores que la distancia de los cigüeñales, el rotor del generador está desplazado de forma axial respecto al rotor del volante de inercia.
En la fig. 4 está la vista axonométrica con sección parcial del motor alternativo de combustión con generador de disposición parecida a la fig. 1. La diferencia está en que uno de los rotores del generador está situado en el extremo frontal del primer cigüeñal y el segundo rotor del generador está situado en el extremo posterior del cigüeñal. Los rotores tienen grandes diámetros exteriores, sin embargo, con esta disposición no se molestan entre sí.
En la fig. 5 está la vista axonométrica con sección parcial del motor alternativo de combustión con generador con ciclo de dos tiempos y dos parejas de cilindros opuestos. La pareja frontal de los cilindros opuestos tiene el ciclo de trabajo desplazado por 180° respecto a la pareja posterior de los cilindros opuestos. Los cigüeñales están equipados en el extremo frontal con los mismos rotores de los generadores.
Ejemplos de realización de la invención
Ejemplo del motor alternativo de combustión con generador según la fig. 1 está compuesto de dos cilindros 9 y 10 con cabezas 13 y 14 y pistones 11 y 12 con bielas 7 y 8 y dos cigüeñales 1 y 2 que están unidos por los piñones 3 y 4 con la proporción de transmisión de 1: -1, es decir, con el sentido contrario del giro. El primer cigüeñal 1_con un piñón 3 está alojado de forma paralela junto al segundo cigüeñal 2_con el segundo piñón 4_en una caja del motor 17 de manera que los piñones encajan el uno en el otro. El primer cigüeñal 1_está unido con el primer rotor del generador 5_y el segundo cigüeñal 2_está unido con el segundo rotor del generador 6. El par de inercia del conjunto del primer cigüeñal 1_con el primer piñón 3_y con el primer rotor del generador 5_se corresponde con el par de inercia del conjunto del segundo cigüeñal 2_con el segundo piñón 4 y con el segundo rotor del generador 6. Los cilindros 9 y 10 con los pistones 11 y 12 están situados en el sentido perpendicular respecto al plano de simetría 20 entre los cigüeñales y los ejes de la pareja de cilindros están en un plano recto y ambos pistones 11 y 12 se encuentran al mismo tiempo en el punto muerto superior. El motor tiene el ciclo de dos tiempos.
Ejemplo del motor alternativo de combustión con generador según la fig. 2 se basa en la realización según la fig. 1. El ciclo de trabajo del motor es de cuatro tiempos.
Ejemplo del motor alternativo de combustión con generador según la fig. 3 se basa en la realización según la fig. 1. En el primer cigüeñal 1 está fijado el primer mayor rotor del generador 5 y en el segundo cigüeñal 2 está fijado el volante de inercia 18. Para evitar la colisión entre ellos están desplazados de forma axial.
Ejemplo del motor alternativo de combustión con generador según la fig. 4 se basa en la realización según la fig. 1. En la parte frontal del primer cigüeñal 1 está fijado el primer rotor del generador 5 y en la parte posterior del segundo cigüeñal 2 está fijado el segundo rotor del generador 6. _Los rotores de los generadores 5 y 6 tienen grandes diámetros exteriores, sin embargo, con esta disposición no se molestan entre sí.
Ejemplo del motor alternativo de combustión con generador según la fig. 5 se basa en la realización según la fig. 1. El motor se diferencia en que está equipado con dos parejas de cilindros 9 y 10 opuestos. La pareja frontal de los cilindros opuestos tiene el ciclo de trabajo desplazado por 180° respecto a la pareja posterior de los cilindros opuestos.
La actividad del motor alternativo de combustión con generador es la siguiente. En la caja del motor 17 gira el primer cigüeñal 1 con el primer piñón 3 y con el primer rotor del generador 5 en el sentido contrario que el segundo cigüeñal 2 con el segundo piñón 4 y con el segundo rotor del generador 6 con las mismas rotaciones gracias a los piñones 3 y 4 con la proporción de transmisión de 1 : 1. El primer pistón 11 y el segundo pistón 12 se mueven de forma simétrica respecto al plano de simetría 20 del motor de manera que se encuentran siempre al mismo tiempo en el punto muerto superior. Es decir, la aceleración de las masas de desplazamiento en el primer pistón 11 es igual, pero en el sentido contrario en comparación con la aceleración de las masas de desplazamiento en el segundo pistón 12 y con el mismo peso se eliminan totalmente entre sí las fuerzas de inercia Fs. En el caso de sustituir la biela con dos puntos de masa hay que tener en cuenta también el par de inercia adicional de la primera biela 7 y de la segunda biela 8. En el caso de bielas iguales estos pares serán también idénticos, pero opuestos, y de esta manera se eliminarán también totalmente. Debido a que los ejes del primer cilindro 9 y del segundo cilindro 10 se encuentran en el mismo plano, tampoco se genera momento alguno de las fuerzas de desplazamiento de inercia. La compensación de las masas giratorias en el primer cigüeñal 1 y en el segundo cigüeñal 2 está realizado de manera que las masas giratorias no compensadas son compensados con peso añadido 15 y 16 al 100% y de esta manera las fuerzas centrífugas Fo se eliminan mutuamente también. A la hora del encendido en el primer cilindro 9 y del encendido en el segundo cilindro 10 se produce la transmisión del par a los rotores de los generadores 5 y 6. Debido a que los cigüeñales 1 y 2 están sincronizados por los piñones 3 y 4, las aceleraciones angulares de su rotación son totalmente idénticas, aunque contrarias. Debido a que el par de inercia del conjunto del primer cigüeñal 1 con el primer piñón 3 y con el primer rotor del generador 5_se corresponde con el par de inercia del conjunto del segundo cigüeñal 2_con el segundo piñón 4 y con el segundo rotor del generador 6, los pares de inercia son también de la misma magnitud, pero del sentido contrario, así que se eliminan totalmente. Es decir, el motor alternativo de combustión con generador no transmite durante su operación a su alojamiento ninguna fuerza ni par, a parte de su peso. En el motor con el ciclo de dos tiempos se producen encendidos simultáneos en el primer cilindro 9 y en el segundo cilindro 10. Si además coincide la resistencia de los rotores de los generadores 5 y 6, la carga entre el primer piñón 3 y el segundo piñón 4 es absolutamente mínima. La función de los piñones 3 y 4 será solo de sincronización. Compensarán solo las diferencias pequeñas debidas al diferente transcurso de combustión en el primer cilindro 9 y en el segundo cilindro 10.
En el motor con el ciclo de cuatro tiempos es posible el encendido simultáneo en el primer cilindro 9 y en el segundo cilindro 10 o el encendido alterno con el desplazamiento mutuo de ciclos de trabajo por 360°. Aunque en el caso de encendido alterno se produce una marcha más fluida de los generadores 5 y 6, el la carga sobre el engranaje de los piñones 3 y 4 es importante debido a que el cigüeñal 1 accionado debe acelerar al segundo cigüeñal 2 inactivo y viceversa.
En la versión del motor donde el primer rotor del generador 5 está en el primer cigüeñal 1 y en el segundo cigüeñal 2 está el volante de inercia 08, los piñones 3 y 4 transmitirán la potencia del segundo cigüeñal 2 al cigüeñal 0. En el caso de encendidos simultáneos en los cilindros 9 y 00 es, sin embargo, la carga de los piñones 3 y 4 relativamente favorable. La ventaja puede ser el uso de un solo generador.
En el caso de que el motor tenga varias parejas de cilindros 9 y 00 opuestos, su actividad es similar a la de la versión con dos cilindros. Las fases de los ciclos de trabajo de diferentes parejas de cilindros 9 y 00 pueden estar desplazadas y con ello habrá una marcha más fluida de los rotores de los generadores 5 y 6 y una mayor potencia lograda.
Utilidad industrial
El motor alternativo de combustión con generador según esta invención encontrará su utilidad como generador de tipo Range extender para vehículos y aviones modernos propulsados por la energía eléctrica.

Claims (6)

REIVINDICACI0NES
1. Motor alternativo de combustión con generador que contiene al menos dos cilindros (9) y (10) con cabezas (13) y (14) y pistones (11) y (12) con bielas (7) y (8) y dos cigüeñales (1) y (2), que están unidos por dos piñones (3) y (4) con proporción de transmisión de 1 : -1, es decir, con el sentido contrario del giro, que se caracteriza por el hecho de que el primer conjunto del cigüeñal que contiene el primer cigüeñal (1) con el primer piñón (3) está alojado de forma paralela junto al segundo conjunto del cigüeñal que contiene el segundo cigüeñal (2) con el segundo piñón (4) en una caja del motor (17) de manera que los piñones con la transmisión de 1: -1 encajan el uno en el otro y el primer cigüeñal (1) está unido con el primer rotor del generador (5) y el segundo cigüeñal (2) está unido con el segundo rotor del generador (6) y/o con el volante de inercia (18), y el par de inercia del conjunto del primer cigüeñal (1) junto con el primer piñón (3) y con el primer rotor del generador (5) se corresponde con el par de inercia del conjunto del segundo cigüeñal (2) junto con el segundo piñón (4) y con el segundo rotor del generador (6) y/o volante de inercia (18) y luego están los cilindros (9) y (10) con los pistones (11) y (12) situados en el sentido perpendicular respecto al plano de simetría (20) entre los cigüeñales y los ejes de la pareja de cilindros está situado en el mismo plano y ambos pistones (11) y (12) se encuentran al mismo tiempo en el punto muerto superior.
2. Motor alternativo de combustión con generador según la reivindicación 1, que se caracteriza por el hecho de que la compensación de los mecanismos de cigüeñal está realizado de manera que las masas giratorias no compensadas de los mecanismos de cigüeñal están compensadas por el peso añadido (15) y (16) al 100 %, y de esta manera las fuerzas centrífugas Fo se eliminan mutuamente, mientras que las masas de desplazamiento de los mecanismos de cigüeñal se quedan totalmente descompensadas y las fuerzas de inercia Fs de las masas de desplazamiento se eliminan mutuamente gracias al movimiento contrario simétrico de las masas de desplazamiento coincidentes de ambos mecanismos de cigüeñal en el mismo plano.
3. Motor alternativo de combustión con generador según la reivindicación 1 o 2, que se caracteriza por el hecho de que el motor tiene el ciclo de dos tiempos.
4. Motor alternativo de combustión con generador según la reivindicación 1 o 2, que se caracteriza por el hecho de que el motor tiene el ciclo de cuatro tiempos.
5. Motor alternativo de combustión con generador según la reivindicación 3, que se caracteriza por el hecho de que el ciclo de trabajo de los cilindros opuestos está desplazado por un giro.
6. Motor alternativo de combustión con generador según cualquier reivindicación anterior, que se caracteriza por el hecho de que el motor contiene varias parejas opuestas de cilindros (9), (10) con la colocación simétrica de los pistones (11), (12) y de las bielas (7), (8) respecto al plano de simetría (20) entre dos cigüeñales (1) y (2) y las fases los ciclos de trabajo de las parejas de los cilindros opuestos pueden estar desplazadas.
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