UN SISTEMA DE ESCAPE MEJORADO PARA UN MOTOR MONOCILINDRO DE CUATRO TIEMPOS CON ENCENDIDO POR BUJÍA
CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un sistema de escape mejorado para un motor monocilindro de cuatro tiempos con encendido por bujía.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La invención se relaciona con la mejora de un sistema de escape de un motor monocilindro de cuatro tiempos con bujía de encendido usado en vehículos, la cual produce un mejor desempeño De manera más particular, la invención logra una mejora en el par de torsión producido por el motor cuando éste funciona a bajas velocidades. Por ejemplo, el solicitante ha diseñado motores de combustión interna que utilizan la invención, en estos motores se han obtenido mejoras en el par de torsión cuando el motor funciona a velocidades que varían entre 3,000 y 5,000 r.p.m., velocidades que están, por lo regular, en la zona normal de conducción de un vehículo, al tiempo que a mayores velocidades del motor se obtienen todavía grandes potencias de salida. Esta invención es especialmente útil en motores que se usan como motores principales en vehículos de dos y de tres ruedas. Para simplificar la explicación, cuando en esta especificación se mencione la palabra "vehículos", se estará haciendo referencia a aquellos vehículos que usan motores de combustión interna de cuatro tiempos y un solo cilindro (monocilindro) que encienden por medio de una bujía, del mismo modo que la mención de "motores", se refiere en esta especificación a motores de combustión interna de cuatro tiempos y un solo cilindro (monocilindro) que encienden por medio de una bujía. Por lo general, los vehículos vienen equipados con un sistema de escape cuya finalidad es que el motor alcance las características de desempeño deseadas, reduzca el ruido de la combustión en el motor y permita que los productos de la combustión de la mezcla aire-combustible escapen hacia la atmósfera en una dirección definida. Por ejemplo, un sencillo sistema de escape para motocicleta está formado por un tubo colector, un silenciador y, si es necesario, una guarda o protección contra el calor. El tubo colector puede tener un diámetro único o tener una o más etapas o secciones de diferentes diámetros. Un extremo del sistema de escape está conectado en el puerto de escape del motor y el otro extremo está en la parte trasera del vehículo. El sistema de escape está ingeniosamente acomodado en el espacio que está disponible en la motocicleta. Una de las dificultades que se perciben cuando en los motores arriba mencionados se usan sistemas de escape convencionales es que cuando el sistema de escape se diseña de manera que alcance los niveles de desempeño deseados, es difícil lograr un equilibrio adecuado entre el par de torsión a bajas velocidades y el desempeño a velocidades elevadas. De lo anterior, para conseguir un mejor desempeño, en particular, la potencia neta máxima a mayores velocidades del motor, con frecuencia es necesario sacrificar la mejor disponibilidad del par de torsión a menores velocidades del motor. Otra dificultad es que la mejora en el desempeño está asociada, normalmente, con un aumento en el nivel de ruido, lo cual es indeseable y además podría sobrepasar los límites reglamentarios.
OBJETIVOS Y VENTAJAS DE LA INVENCIÓN Con la finalidad de resolver al menos algunos de los problemas anteriores, los solicitantes han inventado un sistema de escape en el cual se genera un mayor par de torsión a bajas velocidades del motor, al tiempo que se conserva el desempeño deseado del motor, el par de torsión a velocidades elevadas del motor y también se mantienen los niveles de ruido deseados. Lo anterior se logra cuando en el tubo colector (ya sea con secciones o escalones de diámetro diferente o no) del sistema de escape se conecta, por fuera, una cámara de un volumen predeterminado, de preferencia, en un punto ubicado entre el 40% y el 60% de la longitud desarrollada del tubo colector medida desde la cara de la brida de escape y a lo largo del tubo colector, ya sea en forma directa o por medio de un tubo de conexión. La ubicación de la cámara se selecciona, adecuadamente, de tal modo que se acomode en el espacio disponible en la motocicleta y sin que se sacrifique la altura libre inferior . Por lo regular, si un motor típico conocido se ajusta para que tenga la máxima potencia neta a 8,000 r.p.m., entonces un buen motor puede alcanzar el par de torsión máximo a 6,000 r.p.m. En este caso, el par de torsión a 3,500 r.p.m. sería aproximadamente 15% menor que el par de torsión máximo. Esto provoca que la facilidad de conducción (conducibilidad) del vehículo sea mala a bajas velocidades del motor, si bien tiene un buen desempeño a velocidades del motor más elevadas. Por el contrario, si los motores estuviesen ajustados para alcanzar el máximo par de torsión a velocidades más bajas, por ejemplo, 5,000 r.p.m., la potencia máxima se alcanzaría aproximadamente a las 7,000 r.p.m., pero, por lo general, este valor sería menor. Con base en una comparación que use un vehículo con las mismas relaciones de engranes, se tendría el resultado de que los vehículos que usan estos motores tendrían una mejor facilidad de conducción (conducibilidad) a baja velocidad, aunque un desempeño más deficiente a altas velocidades . Para que este motor logre un mejor desempeño, el sistema de escape mejorado de los solicitantes, de conformidad con esta invención, permite que en la relación del par de torsión y la velocidad del motor se generen al menos dos pares de torsión máximos. En una cierta modalidad de la invención, uno de los pares de torsión máximos se alcanza aproximadamente a las 4,500 r.p.m. del motor y el segundo máximo se alcanza aproximadamente a las 6,000 r.p.m. del motor. En una aplicación de este tipo, se encontró que el sistema de escape permite que la disponibilidad de par de torsión a 3,500 r.p.m. esté dentro del 5% del par de torsión máximo a 6,000 r.p.m. El sistema de escape mejorado de conformidad con la presente invención funciona sobre los principios del ajuste de impulsos del sistema de escape. La cámara de volumen predeterminado se conecta, directamente o por medio de un tubo de diámetro y longitud predeterminados, en el tubo colector a una distancia desarrollada que, de preferencia, varía entre 40% y 60% de la longitud total desarrollada por el tubo colector desde la cara de brida de escape. Los dos máximos en el par de torsión se producen por la combinación de la reflexión de las ondas de presión en el extremo del tubo colector y la de la entrada de la cámara. En el pasado, se han dado a conocer diversas invenciones en el campo de los sistemas de escape. Sin embargo, los que presentan es muy diferente a lo que presenta esta invención, por ejemplo: 1) US4779415: Ilustra el uso de un resonador de Helmholtz conectado en el múltiple de escape de un motor de múltiples cilindros para suprimir el ruido. Los motores de múltiples cilindros están sometidos a diferentes dinámicas del gas de escape en comparación con los motores de un solo cilindro. El traslape de los impulsos de escape de un motor de múltiples cilindros crea oportunidades para los efectos de ajuste de escape, que no están disponibles para los motores de un sólo cilindro . 2) JP11-062547: Ilustra el uso de resonadores de Helmholtz en el sistema de escape de un motor, la cual enseña la creación de ondas de frecuencia específica gracias al efecto del resonador, usando el resonador de Helmholtz, que acalla la resonancia del sistema. Por lo que respecta al caso anterior, sus enseñanzas también se ilustran con referencia a aplicaciones en motores de múltiples cilindros. Por lo tanto, las enseñanzas de las patentes anteriores no están enfocadas a mejoras en el par de torsión ni a los requisitos especiales en los motores de un solo cilindro, en clara contraposición con las enseñanzas de los solicitantes.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se explicará a continuación con mayor detalle, haciendo referencia a las siguientes figuras que acompañan esta especificación: La Figura 1 muestra un sistema de escape típico de motores, de conformidad con la técnica anterior . La Figura ÍA muestra una vista superior de la ubicación de un típico sistema de escape en una motocicleta, de conformidad con la técnica anterior. La Figura IB muestra una vista lateral de la ubicación de un típico sistema de escape en una motocicleta, de conformidad con la técnica anterior. La Figura 2 muestra la curva del par de torsión de un motor típico, de conformidad con la técnica anterior. La Figura 3 ilustra un sistema de escape que incorpora una cámara de conformidad con la presente invención . La Figura 3A muestra una vista superior de la ubicación de un típico sistema de escape en una motocicleta, de conformidad con la presente invención. La Figura 3B muestra una vista lateral de la ubicación de un típico sistema de escape en una motocicleta, de conformidad con la presente invención. La Figura 4 muestra los detalles de la unión de la cámara con el tubo colector del sistema de escape de conformidad con la presente invención. La Figura 5 muestra la típica curva del par de torsión de un motor provisto con el sistema de escape mejorado de conformidad con la presente invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En una modalidad, un sistema de escape mejorado de conformidad con la invención está formado por un pequeño tubo colector (11), una brida de escape (12), un tubo de conexión (13), una cámara (14), un tubo (16), un tubo colector grande (17), un nicle (19), una rondana (20), un tornillo (21) y una ménsula (18). Las Figuras 1, ÍA y IB muestran un típico
52-410 sistema de escape y su ubicación de conformidad con la técnica anterior. Dicho sistema está formado por un tubo colector (1), del cual, un extremo está acoplado con la brida (2) . La brida (2) está conectada con la culata del cilindro (no mostrada) del motor por medio de los tornillos, espárragos y tuercas necesarios. El otro extremo del tubo colector o está soldado o acoplado al silenciador (3) . Los gases de escape de la culata del cilindro son conducidos al tubo colector, de ahí, al silenciador y a continuación, son emitidos a la atmósfera. La protección (4) contra el calor, dispuesta en el silenciador, protege al conductor y al pasajero del asiento trasero contra el calor del sistema de escape. Este sistema de escape es bien conocido y, por lo tanto, no se dará ninguna explicación detallada. La Figura 2 muestra la típica curva de paso abierto del par de torsión de un motor típico equipado con el sistema de escape de conformidad con la técnica anterior. De la curva se observa que el par de torsión máximo se presenta cuando el motor está cerca de las 6,500 r.p.m. Las Figuras 3, 3A, 3B y 4 muestran un sistema de escape mejorado de conformidad con la invención, el cual tiene una cámara (14), un tubo de conexión (13) que conecta la cámara con el tubo (16), este tubo (16) está
52-410 colocado entre un tubo colector delantero (11) y un tubo colector trasero (17), el tubo colector (11) cuenta con una brida de escape (12) y el tubo colector trasero (17) está conectado al silenciador (15) . Una alternativa al uso del tubo (16) como conector intermedio entre el tubo colector delantero (11) y el tubo colector trasero (17), es que el tubo colector (13) podría soldarse directamente al tubo colector (1) , como se muestra en la Figura (1) . Una alternativa para no conectar el tubo de conexión (13) y la cámara (14) al tubo colector (1) pudiera ser soldar la cámara (14) directamente al tubo colector (1), como se muestra en la Figura 1. Como se muestra en las Figuras 3, 3A, 3B y 4, el tubo colector (1) está dividido en un tubo colector delantero (11) y un tubo colector trasero (17) . Los extremos de los tubos colectores delantero y trasero que se conectan, respectivamente, con el escape del motor y el silenciador son idénticos a los del tubo colector (1). La longitud total del tubo colector delantero (11) se determina cuando se toman en cuenta parámetros tales como la potencia del motor, el par de torsión necesario a diferentes revoluciones del motor, el diámetro del tubo, etc. Para reforzar el montaje de la cámara (14), se soldó un tubo (16) que une al tubo colector trasero (17) con la cámara (14). El silenciador (15) está conectado con el tubo colector trasero (17) . El tubo de conexión (13) está ubicado en algún punto, preferentemente entre el 40% y el 60% de la longitud total del tubo colector (es decir, de la longitud combinada de los tubos colectores delantero y trasero y del tubo de conexión) a partir de la cara de la brida de escape (12) y a lo largo de la longitud de dicho tubo colector. El tubo de conexión (13) o el tubo (16) vienen equipados con un niple (19) . El otro extremo del niple está roscado, este extremo está cerrado con una rondana (20) y un tornillo (21). La rondana y el tornillo pueden retirarse para permitir que los valores de las emisiones del gas de escape se midan con comodidad usando un instrumento de medición adecuado. Debido a consideraciones de refuerzo, entre la cámara (14) y el tubo colector trasero se ha colocado una ménsula (18). La cámara (14) está hecha con dos mitades de lámina metálica unidas por soldadura y tiene un volumen predeterminado. En la superficie superior (24) de la cámara (14) se formaron depresiones de refuerzo (25) que son útiles para darle rigidez y reducir el ruido generado por la vibración de dicha superficie. Una útil característica adicional de la presente modalidad es que la superficie inferior (26) de la cámara (14) está colocada ligeramente arriba y tiene una pendiente hacia abajo, hacia el tubo de conexión (13) . Esto permite que la humedad acumulada drene por la cámara (14) y regrese al sistema de escape. La longitud del tubo de conexión (13) se elige de tal manera que se alcance el resultado deseado de mejora en las características del par de torsión, la cámara se ubica muy bien en el espacio disponible debajo de la motocicleta, sin sacrificar la altura libre inferior. Lo anterior es una cuestión de diseño muy sencilla y, en algunos casos, puede determinarse con facilidad utilizando el poco inventivo método de ensayo y error. Las Figuras 3A y 3B muestran este tipo de ubicación típica. La forma de la cámara y su construcción pueden variar según su ubicación en la motocicleta . La Figura 5 muestra una curva típica de desempeño del par de torsión con la válvula totalmente abierta de un motor provisto con el sistema de escape de conformidad con la modalidad ilustrada de la invención, con respecto a la velocidad del motor, en r.p.m. En ésta puede observarse que el par de torsión del motor en el intervalo de velocidad de 3,000 a 5,000 r.p.m., intervalo que contiene la zona normal de conducción de una motocicleta típica, ha mejorado en forma importante, al tiempo que prácticamente conserva el par de torsión original a velocidades del motor que van más allá de las 7,000 r.p.m., lo cual es importante para el desempeño del motor. Los solicitantes realizaron una gran cantidad de pruebas y concluyeron que la mejora en el par de torsión de un motor típico en el intervalo de velocidades de las 3,000 a las 5,000 r.p.m. es del orden de 5 a 7%. Del mismo modo, los vehículos cumplen con los requisitos reglamentarios referentes al nivel de ruido. Dentro del alcance de la presente invención y sus modalidades hay un sistema de escape mejorado de uso en vehículos, como se describe en el presente documento y se ilustra en los dibujos que se anexan al mismo, la cual acepta las variaciones y modificaciones que están dentro del ámbito de conocimientos de cualquier persona con experiencia en la técnica sin desviarse del alcance de la invención.
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