MX2011012803A - Motor hibrido de aire de ciclo dividido con desactivacion de expansor. - Google Patents

Abstract

Un motor híbrido de aire de ciclo dividido incluye un cigüeñal girable. Un pistón de compresión es recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal. Un pistón de expansión es recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal. Una válvula de escape controla selectivamente el flujo de gas fuera del cilindro de expansión. Un pasaje de cruzamiento interconecta los cilindros de compresión y expansión. El pasaje de cruzamiento incluye una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) y una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) entre los mismos. Un depósito de aire se conecta operativamente al pasaje de cruzamiento. Una válvula de depósito de aire controla selectivamente el flujo de aire dentro y fuera del depósito de aire. En un modo de Compresor de Aire (AC) del motor, la válvula XovrE se mantiene cerrada durante una rotación completa del cigüeñal y la válvula de escape se mantiene abierta para por lo menos 240 grados de CA de la misma rotación del cigüeñal.

Description

MOTOR HÍBRIDO DE AIRE DE CICLO DIVIDIDO CON DESACTIVACIÓN DE EXPANSOR CAMPO TÉCNICO Esta invención se relaciona a motores de ciclo dividido y, más particularmente, a un motor que incorpora un sistema híbrido de aire.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Para propósitos de claridad, el término "motor convencional" como se usa en la presente solicitud se refiere a un motor de combustión interna en donde todos los cuatro tiempos del ciclo Otto bien conocido (es decir, la admisión, (o entrada) , compresión, expansión (o energía) y tiempos de escape) están contenidos en cada combinación de pistón/cilindro del motor. Cada tiempo requiere una media revolución del cigüeñal (ángulo de cigüeñal (CA) de 180 grados), y dos revoluciones completas del cigüeñal (CA de 720 grados) son requeridos para completar el ciclo Otto completo en cada cilindro de un motor convencional.

También, para propósitos de claridad, se ofrece la siguiente definición para el término "motor de ciclo dividido" como se puede aplicar a motores divulgados en la técnica anterior y como son referidos en la presente solicitud.

Un motor de ciclo dividido como es referido en la presente comprende: un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal ; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión reciproca a través de un tiempo de admisión y un tiempo de compresión durante una sola rotación del cigüeñal; un pistón de expansión (energía) recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión recíproca a través de un tiempo de expansión y un tiempo de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruzamiento (orificio) que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruzamiento que incluye por lo menos una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) dispuesta en el mismo, pero que incluye más preferiblemente una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) y una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas.

La patente norteamericana No. 6,543,225 otorgada el 8 de Abril del 2003 de Scuderi y la patente norteamericana No. 6,952,923 otorgada el 11 de Octubre de 2005 de Branyon y colaboradores, ambas de las cuales se incorporan en la presente a manera de referencia, contienen un planteamiento extensivo de motores de ciclo dividido y de tipo similares.

Además, estas patentes divulgan detalles de versiones anteriores de un motor del cual la presente descripción detalla desarrollos adicionales.

Los motores híbridos de aire de ciclo dividido combinan un motor de ciclo dividido con un depósito de aire y varios controles. Esta combinación permite que un motor híbrido de aire de ciclo dividido almacene energía en la forma de aire comprimido en el depósito de aire. El aire comprimido en el depósito de aire se usa después en el cilindro de expansión para accionar el cigüeñal.

Un motor híbrido de aire de ciclo dividido como es referido en la presente comprende: un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal ; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro dé compresión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión recíproca a través de un tiempo de admisión y un tiempo de compresión durante una sola rotación del cigüeñal; un pistón de expansión (energía) recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión recíproca a través de un tiempo de expansión y un tiempo de escape durante una sola rotación del cigüeñal; un pasaje de cruzamiento (orificio) que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruzamiento que incluye por lo menos una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) dispuesta en el mismo, pero que incluye más preferiblemente una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) y una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas; y un depósito de aire conectado operativamente al pasaje de cruzamiento y operable selectivamente para almacenar aire comprimido del cilindro de compresión y para suministrar aire comprimido al cilindro de expansión.

La patente norteamericana No. 7,353,786 otorgada el 8 de Abril del 2008 de Scuderi y colaboradores, la cual se incorpora en la presente a manera de referencia, contiene un planteamiento extensivo de motores híbridos de aire de ciclo dividido y de tipo similares. Además, esta patente divulga detalles de los sistemas híbridos anteriores de los cuales la presente descripción detalla desarrollos adicionales.

Un motor híbrido de aire de ciclo dividido puede funcionar en un modo de operación o encendido normal (NF) (también llamado comúnmente el modo de Encendido del Motor (EF) ) y cuatro modos híbridos de aire básicos. En el modo EF, el motor funciona - como un motor de ciclo dividido híbrido no de aire, ^ que opera sin el uso de su depósito de aire. En el modo EF, una válvula de tanque que conecta operativamente el pasaje de cruzamiento al depósito de aire se mantiene cerrada para aislar el depósito de aire del motor de ciclo dividido básico .

El motor híbrido de aire de ciclo dividido opera con el uso de su depósito de aire en cuatro modos híbridos. Los cuatros modos híbridos son: 1) modo Expansor de Aire (AE) , que incluye el uso de energía de aire comprimido del depósito de aire sin combustión; 2) modo Compresor de Aire (AC) , que incluye almacenamiento de energía de aire comprimido en el depósito de aire sin combustión; 3) Modo Expansor de Aire y Encendido (AEF) , que incluye el uso de energía de aire comprimido del depósito de aire con combustión; y 4) modo de Encendido y Carga (FC), que incluye almacenamiento de energía de aire comprimido en el depósito de aire con combustión.

Sin embargo, la optimización adicional de estos modos, EF, AE, AC, AEF y FC, es deseable para mejorar la eficiencia y reducir las emisiones.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un motor híbrido de aire de ciclo 'dividido en el cual el uso del modo de Compresor de Aire (AC) se optimiza para potencialmente cualquier vehículo en cualquier ciclo de conducción para eficiencia mejorada.

Más particularmente, una modalidad ejemplar de un motor híbrido de aire de ciclo dividido de acuerdo con la presente invención incluye un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal. Un pistón de compresión es recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión recíproca a través de una tiempo de admisión y un tiempo de compresión durante una sola rotación del cigüeñal. Un pistón de expansión es recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión recíproca a través de un tiempo de expansión y un tiempo de escape durante una sola una sola rotación del cigüeñal. Una válvula de escape controla selectivamente el flujo de gas fuera del cilindro de expansión. Un pasaje de cruzamiento interconecta los cilindros de compresión y expansión. El pasaje de cruzamiento incluye una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) y una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas. Un depósito de aire se conecta operativamente al pasaje de cruzamiento y es selectivamente operable para almacenar aire comprimido del cilindro de compresión y para suministrar aire comprimido al cilindro de expansión. Una válvula de depósito de aire controla selectivamente el flujo de aire dentro y fuera del depósito de aire. El motor es operable en un modo de Compresor de Aire (AC) . En el modo AC, la válvula XovrE se mantiene cerrada durante una rotación completa del cigüeñal, y la válvula de escape se mantiene abierta para por lo menos 240 grados de CA de la misma rotación del cigüeñal.

También se divulga un método para operar un motor híbrido de aire de ciclo dividido. El motor híbrido de aire de ciclo dividido incluye un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal. Un pistón de compresión es recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión recíproca a través de un tiempo de admisión y un tiempo de compresión durante una sola rotación del cigüeñal. Un pistón de expansión es recibir deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión recíproca a través de un tiempo de expansión y un tiempo de escape durante una sola rotación del cigüeñal. Una válvula de escape controla selectivamente el flujo de gas fuera del cilindro de expansión. Un pasaje de cruzamiento interconecta los cilindros de compresión y expansión. El pasaje de cruzamiento incluye una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) y una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas. Un depósito de aire es conectado operativamente al pasaje de cruzamiento y operable selectivamente para almacenar aire comprimido del cilindro de compresión y para suministrar aire comprimido al cilindro de expansión. Una válvula de depósito de aire controla selectivamente el flujo de aire dentro y fuera del depósito de aire. El motor es operable en un modo de Compresor de Aire (AC) . El método de acuerdo con la presente invención incluye las siguientes etapas: mantener la válvula XovrE cerrada para una rotación completa de cigüeñal; y mantener abierta la válvula de escape para que sea de por lo menos 240 grados de CA de la mima rotación del cigüeñal mediante lo cual el cilindro de expansión se desactiva para reducir el trabajo de bombero realizado por el pistón de expansión en el aire en el cilindro de expansión.

Estas y otras características y ventajas de la invención se entenderán más completamente a partir de la siguiente descripción detallada de la invención tomada conjuntamente con los dibujos acompañantes.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En los dibujos: la FIG. 1 es una vista de sección lateral de un motor híbrido de aire de ciclo dividido ejemplar de acuerdo con la presente invención; y la FIG. 2 es una ilustración gráfica de la carga de bombeo (en términos de IMEP negativo) contra la velocidad del motor de acuerdo con la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El siguiente glosario de acrónimos y definiciones de términos usados en la presente se proporciona para referencia .

En General A menos que se especifique de otra manera, todos los tiempos de abertura y cierre de la válvula se miden en grados de ángulo de cigüeñal después del punto muerto superior del pistón de expansión (ATDCe) .

A menos que se especifique de otra manera, todas las duraciones de la válvula son en grados de ángulo de cigüeñal (CA) .

Tanque de aire (o tanque de almacenamiento de aire) : Tanque de almacenamiento para aire comprimido.

ATDCe : Después del punto muerto superior del pistón de expansión.

Bar: Unidad de presión, 1 bar = 105 N/m2 BMEP : Frenado de la presión media efectiva. El término "Frenado" se refiere a la salida como se suministra al cigüeñal (o árbol de salida) , después de que se toman en cuentas las pérdidas e fricción (FMEP) . El Frenado de Presión Media Efectiva (BMEP) es la salida del par torsor de frenado del motor expresado en términos de un valor de presión media efectiva ( EP) . El BMEP es igual al par torsor de frenado dividido por el desplazamiento del motor. Esto es el parámetro de desempeño tomado después de las pérdidas debido a la fricción. Por consiguiente, BMEP=I EP-fricción . La fricción, en este caso también se expresa usualmente en términos de un valor MEP conocido como Presión Media Efectiva de Fricción (o F EP) .

Compresor : El cilindro de compresión y su pistón de compresión asociado de un motor de ciclo dividido.

Válvula de escape (o ECH) : La válvula controla la salida del gas del cilindro expansor.

Expansor : El cilindro de expansión y su pistón de expansión asociado de un motor de ciclo dividido.

FMEP : Presión Media Efectiva de Fricción.

IMEP : Presión Media Efectiva Indicada. El término "Indicada" se refiere a la salida como es suministradas a la parte superior del pistón, antes de que se tomen en cuenta las pérdidas de fricción (FMEP) .

Entrada (o admisión) : Válvula de entrada. También referida comúnmente como una válvula de admisión.

Aire de entrada (o aire de admisión) : Aire retirado en el cilindro de compresión en un tiempo de admisión (o entrada) .

Válvula de entrada (o válvula de admisión) : La válvula que controla la admisión de gas en el cilindro de compresión .

Trabajo de bombeo (o pérdida de bombeo) : Para propósitos en la presente, el trabajo de bombeo (frecuentemente expresado como I EP negativo) se refiere a esa parte de la energía del motor que se gasta en la inducción de la carga de combustible y aire en el motor y la expulsión de los gases de combustión.

Relación de compresión Residual durante la desactivación del cilindro de expansión: La relación (a/b) de (a) el volumen atrapado en el cilindro de expansión en la posición justo cuando la válvula de escape se cierra a (b) el volumen atrapado en el cilindro de expansión justo conforme el pistón de expansión alcanza su punto central del punto muerto superior (es decir, el volumen encerrado) .

RPM: Revoluciones Por Minuto.

Válvula del tanque: Válvula que conecta el pasaje Xovr con el tanque de almacenamiento de aire comprimido.

VVA: Accionamiento de la válvula. Un mecanismo o método operable para alterar' la forma o tiempo del perfil de elevación de una válvula.

Válvula Xoyr (o Xover) , pasaje u orificio: Las válvulas de cruzamiento, pasaje, y/u orificios que conectan los cilindros de compresión y expansión a través de los cuales el gas fluye del cilindro de compresión al de expansión .

Válvulas XoyrE (o XoverE) : Válvulas en el extremo expansor del pasaje de cruzamiento (Xovr) .

XoyrE-clsd-Exh-open : válvula XovrE completamente cerrada y válvula de escape completamente abierta.

XoyrE-clsd-Exh-std: válvula XovrE completamente cerrada y válvula de escape que tiene sincronización estándar .

XoyrE-open-Exh-clsd : válvula XovrE completamente abierta y válvula de escape completamente cerrada.

XoyrE-open-Exn-std: válvula XovrE completamente abierta y válvula de escape que tiene sincronización estándar .

XoyrE-std-Exh-std : válvula XovrE que tiene sincronización estándar y válvula de escape que tiene sincronización estándar.

Con referencia a la FIG. 1, un motor híbrido de aire de ciclo divido ejemplar se muestra en general por el número 10. El motor híbrido de aire de ciclo dividido 10 reemplaza dos cilindros adyacentes de un motor convencional con una combinación de un cilindro de compresión 12 y un cilindro de expansión 14. Una cabeza de cilindro 33 se dispone típicamente sobre un extremo abierto de los cilindros de expansión y compresión 12, 14 para cubrir y sellar los cilindros .

Los cuatro tiempos del ciclo Otto se "dividen" sobre los dos cilindros 12 y 14 tal que el cilindro de compresión 12, junto con su pistón de compresión asociado 20, realizan las carreras de admisión y comprensión, y el cilindro de expansión 14, junto con su pistón de expansión asociado 30, realiza las carreras de expansión y escape. El ciclo Otto se completa por lo tanto en estos dos cilindros 12, 14 una vez por revolución del cigüeñal 16 (CA de 360 grados) alrededor del eje del cigüeñal 17.

Durante el tiempo de admisión, el aire de admisión se retira en el cilindro de compresión 12 a través de un orificio 33. Una válvula de admisión de asiento de abertura hacia adentro (que se abre hacia adentro en el cilindro y hacia el pistón) 18 controla la comunicación fluida entre el orificio de admisión 19 y el cilindro de compresión 12.

Durante el tiempo de compresión, el pistón de compresión 20 presuriza la carga de aire y conduce la carga de aire en el pasaje de cruzamiento (u orificio) 22, que se dispone típicamente en la cabeza del cilindro 33. Esto significa que el cilindro de compresión 12 y el pistón de compresión 20 son una fuerza de gas de alta presión al pasaje de cruzamiento 22, que actúa como el pasaje de admisión para el cilindro de expansión · 14. En algunas modalidades, dos o más pasajes de cruzamiento 22 interconectan el cilindro de compresión 12 y el cilindro de expansión 14.

La relación de compresión geométrica (o volumétrica) del cilindro de compresión 12 del motor de ciclo dividido 10 (y para los motores de ciclo dividido en general) es referido en la presente comúnmente como la "relación de compresión" del motor de ciclo dividido. La relación de compresión geométrica (o volumétrica) del cilindro de expansión 14 del motor de ciclo dividido 10 (y para los motores de ciclo dividido en general) es referido en la presente comúnmente como la "relación de expansión" del motor de ciclo dividido. La relación de compresión geométrica de un cilindro es bien conocida en la técnica como la relación del volumen encerrado (o atrapado) en el cilindro (incluyendo todo los huecos) cuando un pistón que reciproca en el mismo está en su posición de punto muerto inferior (BDC) al volumen encerrado (es decir, volumen de la cámara de compresión) en el cilindro cuando el pistón está en su posición de punto muerto superior (TDC) . Específicamente para los motores de ciclo dividido como se define en la presente, la relación de compresión de un cilindro de compresión se determina cuando la vá lvula XovrC se cierra. También específicamente para los motores de ciclo dividido como se define en la presente, la relación de expansión de un cilindro de expansión se determina cuando la válvula XovrE se cierra.

Debido a las relaciones de compresión muy altas (por ejemplo, 20 a l, 30 a 1, 40 a 1, o mayor) dentro del cilindro de compresión 12, una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) de asiento de abertura hacia afuera (que se abre hacia afuera lejos del cilindro) 24 en la entrada del pasaje de cruzamiento 25 se usa para controlar el flujo del cilindro de compresión 12 en el pasaje de cruzamiento 22. Debido a las relaciones de expansión muy altas (por ejemplo, 20 a l, 30 a 1, 40 a 1, o mayor) dentro del cilindro de expansión 14, una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) de asiento de abertura hacia afuera 26 en la salida 27 del pasaje de cruzamiento 22 controla el flujo del pasaje de cruzamiento 22 en el cilindro de expansión 14. Las velocidades de accionamiento y acompasamiento de las válvulas XovrC y XovrE 24, 26 se sincronizan para mantener la presión en el pasaje de cruzamiento 22 en una alta presión mínimo (típicamente 20 bar o superior en carga completa) durante todos los cuatro tiempos del ciclo Otto.

Por lo menos un inyector de combustible 28 inyecta combustible en el aire presurizado en el extremo de salidas del pasaje de cruzamiento 2 en correspondencia con la abertura de la válvula XovrE 26, que ocurre poco antes de que el pistón de expansión 30 alcance su posición de punto muerto superior. La carga de aire/combustible entra al cilindro de expansión 14 cuando el pistón de expansión 30 se acerca a su posición de punto muerto superior. Conforme el pistón 30 comienza su descenso de su posición de punto muerto superior, y mientras que la válvula XovrE 26 aun está abierta, la bujía 32, que incluye una punta de bujía 39 que sobresale en el cilindro 14, se enciende para iniciar la combustión en la región alrededor de la punta de la bujía 39. La combustión se puede inicial mientras que el pistón de expansión está entre 1 y 30 grados de CA pasando su posición de punto muerto superior (TDC) . Más preferiblemente, la combustión se puede iniciar mientras que el pistón de expansión está entre 5 y 25 grados de CA pasando su posición de punto muerto superior (TDC). Más preferiblemente, la combustión se puede iniciar mientras que el pistón de expansión está entre 10 y 20 grados de CA pasando su posición de punto muerto superior (TDC) . Adicionalmente , la combustión se puede iniciar a través de otros dispositivos y/o métodos de ignición, tales como con bujías de precalentamiento, dispositivos de ignición de microondas o a través de métodos de ignición de compresión.

Durante el tiempo de escape, los gases de escape se bombean fuera del cilindro de expansión 14 a través del orificio de escape 35 dispuesto en la cabeza del cilindro 33. Una válvula de escape de asiento de abertura hacia adentro 34, dispuesta en la entrada 31 del orificio de escape 35, controla la comunicación fluida entre el cilindro de expansión 14 y el orificio de escape 35. La válvula de escape 34 y el orificio de escape 35 están separados del pasaje de cruzamiento 22. Es decir, la válvula de escape 34 y el orificio de escape 35 no hacen contacto con, o no están dispuestos en, el pasaje de cruzamiento 22.

Con el concepto de motor de ciclo dividido, los parámetros geométricos del motor (es decir, diámetro, tiempo, longitud de la barra de conexión, relación de compresión volumétrica, etc.) de los cilindros de compresión 12 y expansión 14 son en general independientes entre si. Por ejemplo, las carreras del cigüeñal 36, 38 para el cilindro de compresión 12 y el cilindro dé expansión 14, respectivamente, pueden tener diferentes radios y se pueden acompasar entre si tal que el punto muerto superior (TDC) del pistón de expansión 30 se lleva a cabo antes del TDC del pistón de compresión 20. Esta independencia permite que el motor de ciclo dividido 10 logre potencialmente mayores niveles de eficiencia y mayores par torsor que los motores de cuatro tiempos típicos.

La independencia geométrica de los parámetros del motor en el motor de ciclo dividido 10 también es una de las razones principales de porque la presión se puede mantener en el pasaje de cruzamiento 22 como se plantea anteriormente. Específicamente, el pistón de expansión 30 alcanza su posición de punto muerto superior antes de que el pistón de compresión alcance su posición de punto muerto superior mediante un ángulo de fase discreto (típicamente entre 10 y 30 grados de ángulo del cigüeñal) . Este ángulo de fase, junto con el tiempo apropiado de la válvula XovrC 24 y la válvula XovrE 26, permite que el motor de ciclo dividido 10 mantenga la presión en el pasaje de cruzamiento 22 en una presión mínima alta (típicamente 20 bar absoluto o superior durante la operación de carga completa) durante los cuatro tiempos de su ciclo de presión/volumen. Es decir, el motor de ciclo dividido 10 es operable para sincronizar la válvula XovrC 24 y la válvula XovrE 26 tal que las válvulas XovrC y XovrE ambas se abren para durante un período de tiempo sustancial (o período de la rotación del cigüeñal) durante el cual el pistón de expansión 30 desciende de su posición TDC hacia su posición BDC y el pistón de compresión 20 asciende simultáneamente de su posición BDC hacia su posición TDC. Durante el período de tiempo (o rotación del cigüeñal) en que las válvulas de cruzamiento 24, 26 se abren, una masa de aire sustancialmente igual se transfiere (1) del cilindro de compresión 12 en el pasaje de cruzamiento 22 y (2) del pasaje de cruzamiento 22 al cilindro de expansión 14. Por consiguiente, durante este período, la presión en el pasaje de cruzamiento se evita que descienda abajo de una presión mínima predeterminada (típicamente 20, 30, o 40 bar absoluto durante la operación de carga completa) . Por otra parte, durante una porción sustancial del ciclo del motor (típicamente 80% del ciclo de motor completo o mayor) , la válvula XovrC 24 y la válvula XovrE 26 ambas se cierran para mantener la masa de gas atrapado en el pasaje de cruzamiento 22 en un nivel sustancialmente constante. Como resultado, la presión en el pasaje de cruzamiento 22 se mantiene en una presión mínima predeterminada durante los cuatro tiempos del ciclo de presión/volumen del motor.

Para propósitos en la presente, el método de tener las válvulas XovrC 24 y XovrE 26 abiertas mientras que el pistón de expansión 30 está descendiendo de TDC y el pistón de compresión 20 está ascendiendo hacia TDC a fin de transferir simultáneamente una masa sustancialmente igual de gas dentro y fuera del pasaje de cruzamiento 22 es referido en la presente como el método de empuje-extracción de transferencia de gas. Es el método de empuje-extracción que permite que la presión en el pasaje de cruzamiento 22 del motor de ciclo dividido 10 se mantenga en típicamente 20 bar o mayor durante los cuatro tiempos del ciclo del motor cuando el motor está operando a carga completa.

Como se plantea anteriormente, la válvula de escape 34 se dispone en el orificio de escape 35 de la cabeza del cilindro 33 separados del pasaje de cruzamiento 22. El arreglo estructural de la válvula de escape 34 no se dispone en el pasaje de cruzamiento 22, y por lo tanto el orificio de escape 35 no comparte ninguna porción común con el pasaje de cruzamiento 22, se prefiere a fin de mantener la masa atrapada del gas en el pasaje de cruzamiento 22 durante el tiempo de escape. Por consiguiente, se evitan grandes descensos cíclicos en la presión que pueden llevar la presión en el pasaje de cruzamiento abajo de la presión mínima predeterminada .

La válvula XovrE 26 se abre poco antes de que el pistón de expansión 30 alcance su posición de punto muerto superior. En ese momento, la relación de presión de la presión en el pasaje de cruzamiento 22 a la presión en el cilindro de expansión 14 es alta, debido al hecho de que la presión mínima en pasaje de cruzamiento es típicamente de 20 bar absolutos o superior y la presión en el cilindro de expansión durante el tiempo de escape es típicamente de manera aproximada uno a dos bar absolutos. En otras palabras, cuando se abre la válvula XovrE 26, la presión en el pasaje de cruzamiento 22 es sustancialmente más alta que la presión en el cilindro de expansión 14 (típicamente en el orden de 20 a l o mayor) . Esta relación de alta presión hace que el flujo inicial de la carga de aire y/o combustible fluya en el cilindro de expansión 14 a altas velocidades. Estas altas velocidades de flujo pueden alcanzar la velocidad del sonido, el cual es referido como un flujo sónico. Este flujo sónico es particularmente ventajosos para el motor de ciclo dividido 10 debido a que causa un evento de combustión rápida, lo que permite que el motor de ciclo dividido 10 mantenga altas presiones de combustión aunque la ignición se inicie mientras que el pistón de expansión 30 está descendiendo de su posición de punto muerto superior.

El motor híbrido de aire de ciclo dividido 10 también incluye un depósito de aire (tanque) 40, que se conecta operativamente al pasaje de cruzamiento 22 por una válvula de depósito de aire (tanque) 42. Las modalidades con dos o más pasajes de cruzamiento pueden incluir una válvula de tanque 42 para cada pasaje de cruzamiento 22, que se conectan a un depósito de aire común 40, o alternativamente cada pasaje de cruzamiento 22 puede conectarse operativamente para separar los depósitos de aire 40.

La válvula de tanque 42 se dispone típicamente en un orificio de depósito de aire (tanque) 44, que se extiende desde el pasaje de cruzamiento 22 hasta el tanque de aire 40. El orificio de tanque de aire 44 se divide en una primera sección de orificio de depósito de aire (tanque) 46 y una segunda sección de orificio de depósito de aire (tanque) 48. La primera sección de orificio de tanque de aire 46 conecta la válvula de tanque de aire 42 al pasaje de cruzamiento 22, y la segunda sección de orificio de tanque de aire 48 conecta la válvula de tanque de aire 42 al tanque de aire 40. El volumen de la primera sección de orificio de tanque de aire 46 incluye el volumen de todos los orificios y huecos adicionales que conectan la válvula de tanque 42 al pasaje de cruzamiento 22 cuando la válvula de tanque 42 se cierra.

La válvula de tanque 42 puede ser cualquier dispositivo o sistema de válvulas adecuado. Por ejemplo, la válvula de tanque 42 puede ser una válvula activa que se activa por varios dispositivos de accionamiento -de válvulas (por ejemplo, neumáticos, hidráulicos, de levas, eléctricos o similares) . Adicionalmente, la válvula de tanque 42 puede comprender un sistema de válvula de tanque con dos o más válvulas accionadas con dos o más dispositivos de accionamiento .

El tanque de aire 40 se usa para almacenar energía en la forma de aire comprimido y para usar posteriormente ese aire comprimido para accionar el cigüeñal 16, como se describe en la patente norteamericana anteriormente mencionada No. 7,353,786 de Scuderi y colaboradores. Este medio mecánico para almacenar energía potencial proporciona numerosas ventajas potenciales sobre el estado de la técnica actual. Por ejemplo, el motor de ciclo dividido 10 puede proporcionar potencialmente muchas ventajas en las ganancias de eficiencia de combustible y la reducción de emisiones de NOx en costos de manufactura y eliminación de residuos relativamente bajos en relación con otras tecnologías en el mercado, tal como motores a diesel y sistemas híbridos eléctricos .

Al controlar selectivamente la abertura y/o cierre de la válvula de tanque de aire 42 y al controlar en consecuencia la comunicación del tanque de aire 40 con el pasaje de cruzamiento 22, el motor híbrido de aire de ciclo dividido 10 es operable en un modo de Encendido de Motor (EF) , un modo Expansor de Aire (AE) , un modo de Compresor de Aire (AC) , un modo de Expansor de Aire y Encendido (AEF) , y un modo de Encendido y Carga (FC) . EL modo EF es un modo no híbrido en el cual el motor opera como se describe en lo anterior sin el uso del tanque de aire 40. Los modos AC y FC son modos de almacenamiento de energía. El modo AC es un modo de operación híbrido de aire en el cual el aire comprimido se almacena en el tanque de aire 40 sin combustión que se lleva a cabo en el cilindro de expansión 14 (es decir, sin gasto de combustible) , tal como al usar la energía cinética de un vehículo que incluye el motor 10 durante el frenado. El modo FC es un modo de operación de operación híbrido de aire en el cual el aire comprimido en exceso no necesario para la combustión, se almacena en el tanque de aire 40, tal como menos la carga completa del motor (por ejemplo, marcha lenta del motor, crucero del vehículo a velocidad constante. El almacenamiento del aire comprimido en el modo FC tiene un costo de energía (penalidad) ; por lo tanto, es deseable tener una ganancia neta cuando el aire comprimido se usa en un tiempo posterior. Los modos AE y AEF son modos de uso de energía almacenada. El modo AE es un modo de operación híbrido de aire en el cual el aire comprimido almacenado en el tanque de aire 40 se usa para accionar el pistón de expansión 30 sin combustión que se lleva a cabo en el cilindro de expansión 14 (es decir, sin gasto de combustible) . El modo AEF es un modo de operación híbrido de aire en el cual el aire comprimido en el tanque de aire 40 se usa en el cilindro de expansión 14 para combustión.

En el modo AC, el cilindro de expansión 14 se desactiva preferiblemente para minimizar o reducir sustancialmente el trabajo de bombeo (en términos de IMEP negativo) realizado por el pistón de expansión 30 en el aire en el cilindro de expansión. Como se planteará con detalle adicional en la presente, la forma más eficiente para desactivar el cilindro de expansión 14 es mantener la válvula XovrE 26 cerrada a través de la rotación completa del cigüeñal 16, e idealmente mantener la válvula de escape 34 abierta a través de la rotación completa del cigüeñal.

En las modalidades de motor donde la válvula de escape está abriéndose hacia afuera, la válvula de escape se puede . mantener abierta a través de la rotación completa del cigüeñal. Sin embargo, esta modalidad ejemplar ilustra la configuración más típica donde la válvula de escape 34 se está abriendo hacia adentro. Por lo tanto, a fin de evitar el contacto de la válvula de escape 34 y del pistón de expansión 30 con la parte superior de la carrera del pistón de expansión, la válvula de escape 34 se debe cerrar antes de que el pistón ascendente 30 haga contacto con la válvula abierta hacia adentro 34.

Adicionalmente , es importante asegurar que el aire atrapado no se comprime demasiado desde el ángulo de la válvula de escape que se cierra a TDC del pistón de expansión a fin de evitar temperatura excesiva y acumulación de presión. En general, esto significa que la relación de compresión residual en el punto de la válvula de escape 34 que se cierra debe ser 20 a 1 o menos, y más preferiblemente 10 a 1 o menos. En el motor ejemplar 10, la relación de compresión residual será de aproximadamente 20 a 1 en un ángulo de cierre de la válvula de escape 34 (posición) de aproximadamente 60 grados de CA antes del TDC del pistón de expansión 30. Cuando el cierre de la válvula de escape es 60 grados de CA antes de TDC, es sumamente deseable (como se plantea con mayor detalle en la presente) que la abertura de la válvula de escape sea de 60 grados de CA después de TDC.

Por consiguiente, a fin de desactivar el cilindro de expansión 14 sin acumulación excesiva de temperatura y presión de aire, es preferible que la válvula de escape 34 se mantenga abierta a través de por lo menos 240 grados de CA de la rotación del cigüeñal 16. Por otra parte, es más preferible que la válvula de escape 34 se mantenga abierta a través de por lo menos 270 grados de CA de la rotación del cigüeñal 16, y es mucho más preferible que la válvula de escape se mantenga abierta a través de por lo menos 300 grados de CA de rotación del cigüeñal 16.

Conforme la válvula de escape 34 se cierra solamente en respuesta para evitar el contacto del pistón de expansión 30 con la válvula de escape 34, la compresión de aire (y por lo tanto el trabajo negativo) se llevará a cabo conforme el pistón 30 asciende hacia su punto muerto superior (TDC) . A fin de maximizar la eficiencia, un objetivo primario es por lo tanto reabrir la válvula de escape 34 en un tiempo cuando la presión en el cilindro de expansión 14 sea igual a la presión del orificio de escape 35 (es decir, cuando la diferencial de presión entre el cilindro de expansión 14 y el orificio de escape 34 sea sustancialmente cero) . En un sistema ideal, el tiempo de abertura de la válvula de escape 34 seria simétrico con el tiempo de cierre de la válvula de escape 34 alrededor del punto muerto superior del pistón de expansión 30. Sin embargo, en la práctica, después de la que la válvula de escape 34 se cierra durante la carrera de escape del pistón de expansión 30, la presión y la temperatura en el cilindro de expansión 14 comienza a elevarse. Algo del calor generado se pierde a los componentes de cilindro tal como las paredes de cilindro, la corona del pistón y la cabeza del cilindro. Por lo tanto, la presión en el cilindro de expansión 14 y el orificio de escape 35 se iguala en un tiempo ligeramente temprano (relativo con el punto muerto superior) en la carrera de expansión del pistón de expansión 30 que en la carrera de escape. Además, los efectos de onda en el orificio de escape 35 y las características de flujo de la válvula de escape 34 (tal como el hecho de que el flujo está muy restringido en los elevadores bajos de la válvula) dan por resultado la sincronización de cierre y abertura óptima de la válvula de escape 18 que se desvía ligeramente verdaderamente simétrico respecto al punto muerto superior.

Por lo tanto, es importante mantener la posición cerrada (sincronización) y la posición abierta (sincronización) de la válvula 34 sustancialmente (es decir, dentro de más o menos 10 grados de CA) simétrico con respecto al TDC del pistón 30, a fin de regresar tanto como sea posible del trabajo de compresión al cigüeñal 16. Por ejemplo, si la válvula de escape 34 se cierra en sustancialmente 25 grados de CA antes del TDC del pistón de expansión 30 para evitar que golpee el pistón 30, entonces la válvula 34 se debe abrir en sustancialmente 25 grados de CA después del TDC del pistón 30. De esta forma, el aire comprimido actuará como un resorte de aire y regresará la mayor parte del trabajo de compresión al cigüeñal 16 conforme el aire se expande y se empuja hacia abajo en el pistón de expansión 30 cuando el pistón 30 desciende lejos del TDC.

Por consiguiente, a fin de evitar el contacto con el pistón de expansión 30 a la válvula de escape 34 y revertir tanto como sea posible el trabajo de compresión, es preferible que las posiciones (sincronización) abiertas y cerradas de la válvula 34 sean simétricos, dentro de más o menos 10 grados de CA, respecto al TDC del pistón de expansión 30 (por ejemplo, si la válvula de escape 34 se cierra en 25 grados de CA antes de TDC entonces se debe abrir a más o menos 25 grados de CA después del TDC del pistón 30) . Sin embargo, es más preferible si las posiciones de cierre y abertura de la válvula 34 son simétricas, dentro de más o menos 5 grados de CA, -respecto al TDC del pistón 30, y más preferible si las posiciones de cierre y abertura de la válvula 34 son simétricas, dentro de más o menos 2 grados de CA, respecto al TDC del pistón 30.

También, en el modo AC, la válvula del tanque de aire 42 se abre preferiblemente cuando la presión del aire en el pasaje de cruzamiento 22 es más alta que la presión de aire en el tanque de aire 40. Esto asegura que el aire comprimido fluirá en el tanque de aire 40 para almacenamiento, y se evitará sustancialmente que el aire comprimido se fugue del tanque de aire. El pistón de compresión 20 retira el aire de admisión en el cilindro de compresión 12 y comprime el aire de admisión. El aire comprimido luego se almacena en el tanque de aire 40.

Como se muestra en la gráfica de la FIG. 2 etiquetada: XoverE-open_clsd, las pérdidas de bombeo más grandes (en términos de IMEP negativo) ocurren en el modo AC si la válvula XovrE se mantiene abierta y la válvula de escape se mantiene cerrada. El trabajo de bombeo en este arreglo también se incrementa en general con la velocidad del motor .

Con respecto a las gráficas de la FIG. 2 etiquetadas: XovrE_std_Exh_std, XovrE_clsd_Exh_std, y XovrE_open_Exh_std, las pérdidas de bombeo se reducen en casis cantidades iguales del arreglo XovrE_open_Exh_clsd si ya sea: (i) la válvula XovrE y la válvula de escape se operan con sincronización estándar (por ejemplo, la sincronización usada para el modo EF) ; (ii) la válvula XovrE se mantiene cerrada y la válvula de escape se opera con sincronización estándar; o (iii) la válvula XovrE se mantiene abierta y la válvula de escape se opera con sincronización estándar.

Con referencia a la gráfica de la FIG. 2 etiquetada: XovrE_clsd_Exh_open, como se plantea en lo anterior, las pérdidas de bombeo se reducen aun adicionalmente (a casi cero en bajas velocidades del motor) si el cilindro de expansión se desactiva al mantener la válvula XovrE cerrada y la válvula de escape abierta. En este arreglo, el pistón de expansión retira aire de escape del orificio de escape durante su carrera de energía y empuja el aire de regreso al orificio de escape durante su carrera de escape. Se hace una cantidad mínima de trabajo de compresión, puesto que la válvula de escape 34 se cierra solamente en respuesta para evitar el contacto con el pistón de expansión 30. Adicionalmente, la mayoría de ese trabajo de compresión es reversible cuando las sincronizaciones de abertura y cierre de la válvula de escape 34 son sustancialmente simétricas relativa con TDC del pistón de expansión 30. De esta manera, es evidente que la desactivación del cilindro de expansión minimiza y reduce sustancialmente el trabajo de bombeo realizado por el pistón de expansión en el modo AC .

Aunque la invención se ha descrito por referencia, a una modalidad específica, se debe entender que se pueden hacer numerosos cambios dentro del espíritu y alcance de los conceptos inventivos descritos. Por consiguiente, se propone que la invención no se limite a la modalidad descrita, sino que tenga el alcance completo definido por el lenguaje de las siguientes reivindicaciones.

Claims (17)

REIVINDICACIONES

1. Un motor híbrido de aire de ciclo dividido, caracterizado porque comprende: un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión recíproca a través de un tiempo de admisión y un tiempo de compresión durante una sola rotación del cigüeñal; un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión recíproca a través de un tiempo de expansión y un tiempo de escape durante una sola rotación del cigüeñal; una válvula de admisión que controla selectivamente el flujo de gas fuera del cilindro de compresión; un pasaje de cruzamiento que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruzamiento que incluye una válvula de compresión de cruzamiento (XovrC) y una válvula de expansión de cruzamiento (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas; un depósito de aire conectado operativamente al pasaje de cruzamiento y operable selectivamente para almacenar aire comprimido del cilindro de compresión; y una válvula de depósito de aire que controla selectivamente el flujo de aire dentro y fuera del depósito de aire; el motor que es operable en un modo de compresión de aire (AC) , en donde, en el modo AC, la válvula XovrE se mantiene cerrada durante una rotación completa del cigüeñal, y la válvula de escape se mantiene abierta por lo menos 240 grados de CA de la misma rotación del válvula de escape.

2. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque, en el modo AC, la válvula de escape se mantiene abierta por lo menos 270 grados de CA de la misma rotación del cigüeñal.

3. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, la válvula de escape se mantiene abierta por lo menos 300 grados de CA de la misma rotación del cigüeñal.

4. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, una relación de compresión residual en una posición de cierre de la válvula de escape es de 20 a 1 o menos .

5. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, una relación de compresión residual en una posición de cierre de la válvula de escape es de 10 a 1 o menos .

6. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, la posición de cierre de la válvula de escape y la posición de abertura de la válvula de escape son simétricas, dentro de más o menos 10 grados de CA, respecto al punto muerto superior del pistón de expansión.

7. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, la posición de cierre de la válvula de escape y la posición de abertura de la válvula de escape son simétricas, dentro de más o menos 5 grados de CA, respecto al punto muerto superior del pistón de expansión.

8. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, la posición de cierre de la válvula de escape y la posición de abertura de la válvula de escape son simétricas, dentro de más o menos 2 grados de CA, con respecto al punto muerto superior del pistón de expansión.

9. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, la válvula de escape se mantiene abierta durante la misma rotación completa del cigüeñal.

10. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, el pistón de compresión se extrae y comprime aire de admisión que se almacena en el depósito de aire.

11. El motor híbrido de aire de ciclo dividido de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque en el modo AC, la válvula de depósito de aire se abre cuando la presión de aire en el pasaje de cruzamiento es más alta que la presión de aire en el depósito de aire.

12. Un motor híbrido de aire de ciclo dividido, caracterizado porque comprende: un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal ; un pistón de compresión que es recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y se conecta operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión recíproca a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal ; un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión reciproca a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; una válvula de escape que controla selectivamente el flujo de gas fuera del cilindro de expansión y en el orificio de escape; un pasaje de cruzamiento que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruzamiento que incluye una válvula de compresión cruzadas (XovrC) y una válvula de expansión cruzadas (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas; un depósito de aire conectado operativamente al pasaje de cruzamiento y operable selectivamente para almacenar aire comprimido del cilindro de compresión y para suministrar aire comprimido al cilindro de expansión; y una válvula de depósito de aire que controla selectivamente el flujo de aire dentro y fuera del depósito de aire; el motor que es operable en un modo de Compresor de Aire (AC) , en donde, en el modo AC, la válvula XovrE se mantiene cerrada durante una rotación completa del cigüeñal, y la válvula de escape se abre en una posición en la cual la presión en el cilindro de expansión es aproximadamente igual a la presión en el orifico de escape.

13. Un método para operar un motor híbrido de aire de ciclo dividido, caracterizado porque incluye: un cigüeñal girable alrededor de un eje de cigüeñal ; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de compresión reciproca a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal; un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal tal que el pistón de expansión reciproca a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; una válvula de escape que controla selectivamente el flujo de gas fuera del cilindro de expansión; un pasaje de cruzamiento que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruzamiento que incluye una válvula de compresión cruzada (XovrC) y una válvula de expansión cruzada (XovrE) que define una cámara de presión entre las mismas; un depósito de aire conectado operativamente al pasaje de cruzamiento y operable selectivamente para almacenar aire comprimido del cilindro de compresión y para suministrar aire comprimido al cilindro de expansión; y una válvula de depósito de aire que controla selectivamente el flujo de aire dentro y fuera del depósito de aire; el motor que es operable en un modo de compresión de aire (AC) ; el método que incluye las etapas de: mantener la válvula XovrE cerrada durante una rotación completa del cigüeñal; y mantener la válvula de escape abierta durante por lo menos 240 grados de CA de la misma rotación del cigüeñal ; mediante lo cual el cilindro de expansión se desactiva para reducir el trabajo de bombeo realizado por el pistón de expansión en el aire del cilindro de expansión.

14. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque se mantiene la posición de cierre de la válvula de escape y la posición de abertura de la válvula de escape simétrica, dentro de más o menos 5 grados de CA, respecto al punto muerto superior del pistón de expansión.

15. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque incluye las etapas de mantener la válvula de escape abierta durante la misma rotación completa del cigüeñal.

16. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque además incluye las etapas de retirar el aire de admisión en el cilindro de compresión que comprime el aire de admisión, y almacenar el aire comprimido en el depósito de aire.

17. El método de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque además incluye la etapa de abrir la válvula de depósito de aire cuando la presión de aire en el pasaje de cruzamiento es más alta que la presión de aire en el depósito de aire.