MX2013003516A - Dimensionamiento de pasaje de derivacion para motor de ciclo dividido. - Google Patents

Abstract

En los motores de ciclo dividido y motores de ciclo dividido híbridos de aire, el dimensionamiento del pasaje de derivación es crítico para la eficiencia del motor. La eficiencia puede mejorarse al dimensionar el volumen de pasaje de derivación para hacer relativamente pequeño en el volumen de los cilindros, y en particular en relación con el volumen del cilindro de compresión. Esto se toma en consideración para una presión más alta en el pasaje de derivación, la cual extiende la duración del flujo sónico del pasaje de derivación en el cilindro de expansión e incrementa la presión de combustión. Los métodos, sistemas y dispositivos descritos en la presente generalmente implican dimensionar los pasajes de derivación, cilindros, u otros componentes de un motor de ciclo dividido o motor de ciclo dividido híbrido de aire para mejorar la eficiencia.

Description

DIMENSIONAMIENTO DE PASAJE DE DERIVACIÓN PARA MOTOR DE CICLO DIVIDIDO DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a motores de combustión interna. Más particularmente, la invención se refiere a dimensionamiento de pasaje de derivación o cruce para motores de ciclo dividido.

Para propósitos de claridad, el término "motor convencional" como se utiliza en la presente solicitud se refiere a un motor de combustión interna en donde las cuatro carreras del ciclo de Otto bien conocido (las carreras de admisión, compresión, expansión y escape) se encuentran contenidas en cada combinación de pistón/cilindro del motor. Cada carrera requiere media revolución del cigüeñal (ángulo de cigüeñal de 180 grados ("CA") ) , y se requieren dos revoluciones completas del cigüeñal (CA de 720 grados) para completar todo el ciclo de Otto en cada cilindro de un motor convencional .

También, para propósitos de claridad, se ofrece la siguiente definición para el término "motor de ciclo dividido" que puede aplicarse a motores descritos en la técnica anterior y como se menciona en la presente solicitud.

Un motor de ciclo dividido generalmente comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor del eje de cigüeñal ; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal; un pistón de expansión (de potencia) recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluye al menos una válvula de expansión de cruce (XovrE) dispuesta en el mismo, pero de mayor preferencia incluye una válvula de compresión de cruce (XovrC) y una válvula de expansión de cruce (XovrE) que definen una cámara de presión entre las mismas .

Un motor híbrido de aire de ciclo dividido combina un motor de ciclo dividido con un depósito de aire (también denominado comúnmente como tanque de aire) y varios controles. Esta combinación permite al motor almacenar energía en forma de aire comprimido en el depósito de aire. El aire comprimido en el depósito de aire se utiliza posteriormente en el cilindro de expansión para impulsar el cigüeñal. En general, un motor híbrido de aire de ciclo dividido como se menciona en la presente comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal ; un pistón de expansión (de potencia) recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; un pasaje de cruce (lumbrera) que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluye al menos una válvula de expansión de cruce (XovrE) dispuesta en el mismo, pero de mayor preferencia incluye una válvula de compresión de cruce (XovrC) y una válvula de expansión de cruce (XovrE) que definen una cámara de presión entre las mismas; y un depósito de aire conectado operativamente al pasaje de cruce y operable selectivamente para almacenar el aire comprimido del cilindro de compresión y para proporcionar el aire comprimido al cilindro de expansión.

La FIGURA 1 ilustra una modalidad ejemplar de un motor híbrido de aire de ciclo dividido de la técnica anterior. El motor 100 de ciclo dividido remplaza dos cilindros adyacentes de un motor convencional con una combinación de un cilindro 102 de compresión y un cilindro 104 de expansión. El cilindro 102 de compresión y el cilindro 104 de expansión se forman en un bloque de motor en el que un cigüeñal 106 se monta giratoriamente. Los extremos superiores de los cilindros 102, 104 se encuentran cerrados por una culata 130 de cilindro. El cigüeñal 106 incluye primera y segunda muñequillas 126, 128 axialmente desplazadas y angularmente compensadas, teniendo un ángulo de fase entre las mismas. La primera muñequilla 126 se encuentra unida pivotablemente por una primera biela 138 a un pistón 110 de compresión, y la segunda muñequilla 128 se encuentra unida pivotablemente por una segunda biela 140 de conexión a un pistón 120 de expansión para oscilar los pistones 110, 120 en sus respectivos cilindros 102, 104 en una relación sincronizada, determinada por la compensación anular de las muñequillas y las relaciones geométricas de los cilindros, manivela, y pistones. Pueden utilizarse si se desea mecanismos alternativos para relacionar el movimiento y sincronización de los pistones. La dirección rotacional del cigüeñal y los movimientos relativos de los pistones cerca de sus posiciones de punto muerto inferior (BDC) se indican por las flechas asociadas en los dibujos con sus componentes correspondientes .

Las cuatro carreras del ciclo de Otto de esta forma se "dividen" sobre los dos cilindros 102 y 104 de manera que el cilindro 102 de compresión contiene las carreras de admisión y de compresión y el cilindro 104 de expansión contiene las carreras de expansión y de escape. Por tanto, el ciclo de Otto se completa en estos dos cilindros 102, 104 una vez por revolución de cigüeñal 106 (CA de 360 grados) .

Durante la carrera de admisión, el aire de admisión se extrae en el cilindro 102 de compresión a través de una válvula 108 de admisión de vástago que abre hacia dentro (abre hacia dentro del cilindro y hacia el pistón) . Durante la carrera de compresión, el pistón 110 de compresión presuriza la carga de aire e impulsa la carga de aire a través de un pasaje 112 de cruce, el cual actúa como el pasaje de admisión para el cilindro 104 de expansión. El motor 100 puede tener uno o más pasajes 112 de cruce.

La relación de compresión volumétrica (o geométrica) del cilindro 102 de compresión del motor 100 de ciclo dividido (y para motores de ciclo dividido en general) se denomina en la presente como la "relación de compresión" del motor de ciclo dividido. La relación de compresión volumétrica (o geométrica) del cilindro 104 de expansión del motor 100 (y para motores de ciclo dividido en general) se denomina en la presente como la "relación de expansión" del motor de ciclo dividido. La relación de compresión volumétrica de un cilindro se conoce bien en la técnica como la relación del volumen encerrado (o atrapado) en el cilindro (incluidos todos los rebajos) cuando un pistón que oscila en el mismo se encuentra en su posición de BDC para el volumen encerrado (es decir, volumen de huelgo) en el cilindro cuando el pistón se encuentra en su posición de punto muerto superior (TDC) . Específicamente, para motores de ciclo dividido como se define en la presente, la relación de compresión de un cilindro de compresión se determina cuando se cierra la válvula de XovrC. Específicamente, también para motores de ciclo dividido como se define en la presente, la relación de expansión de un cilindro de expansión se determina cuando se cierra la válvula de XovrE .

Debido a relaciones de compresión volumétrica muy altas (por ejemplo, 20 a l, 30 a 1, 40 a 1, o mayores) dentro del cilindro 102 de compresión, una válvula 114 de compresión de cruce (XovrC) de vástago que abre hacia fuera (abre hacia fuera lejos del cilindro y el pistón) en la entrada del pasaje 112 de cruce se utiliza para controlar el flujo desde el cilindro 102 de compresión hacia el pasaje 112 de cruce. Debido a las relaciones de compresión volumétrica muy altas (por ejemplo, 20 a l, 30 a 1, 40 a 1, o mayores) dentro del cilindro 104 de expansión, una válvula 116 de expansión de cruce (XovrE) de vástago que abre hacia fuera en la salida del pasaje 112 de cruce controla el flujo desde el pasaje 112 de cruce hacia el cilindro 104 de expansión. Los índices de accionamiento y la fase de las válvulas 114, 116 de XovrC y XovrE se sincronizan para mantener la presión en el pasaje 112 de cruce a una alta presión mínima (típicamente 20 bares o más a toda carga) durante las cuatro carreras del ciclo de Otto.

Al menos un inyector 118 de combustible inyecta combustible en el aire presurizado en el extremo de salida del pasaje 112 de cruce en coordinación con la apertura de la válvula 116 de XovrE. Alternativamente, o además, el combustible puede inyectarse directamente en el cilindro 104 de expansión. La carga de aire-combustible entra completamente al cilindro 104 de expansión poco después de que el pistón 120 de expansión alcanza su posición de TDC. Cuando el pistón 120 comienza su descenso desde su posición de TDC, y mientras que la válvula 116 de XovrE siga abierta, una o más bujías 122 se encienden para iniciar la combustión (típicamente CA de entre 10 a 20 grados después de TDC del pistón 120 de expansión) . La combustión puede iniciarse mientras que el pistón de expansión se encuentra en CA de entre 1 y 30 grados más allá de su posición de TDC. De mayor preferencia, la combustión puede iniciarse mientras el pistón de expansión se encuentra en CA de entre 5 y 25 grados más allá de su posición de TDC. De mayor preferencia, la combustión puede iniciarse mientras el pistón de expansión se encuentra en CA de entre 10 y 20 grados más allá de su posición de TDC. Adicionalmente, la combustión puede iniciarse a través de otros dispositivos y/o métodos de ignición, tales como con bujías de incandescencia, dispositivos de ignición por microondas, o a través de métodos de ignición por compresión.

La válvula 116 de XovrE entonces se cierra antes de que el evento de combustión resultante entre al pasaje 112 de cruce. El evento de combustión impulsa el pistón 120 de expansión hacia abajo en una carrera de potencia. Los gases de escape se bombean fuera del cilindro 104 de expansión a través de una válvula 124 de escape de vástago que abre hacia dentro durante la carrera de escape.

Con el concepto de motor de ciclo dividido, los parámetros geométricos del motor (es decir, diámetro, carrera, longitud de la biela, relación de compresión, etc.) de los cilindros de compresión y expansión generalmente son independientes uno del otro. Por ejemplo, las muñequillas 126, 128 para el cilindro 102 de compresión y el cilindro 104 de expansión, respectivamente, tienen diferentes radios y se encuentran separadas por fases una de la otra con TDC del pistón 120 de expansión presentándose antes del TDC del pistón 110 de compresión. Esta independencia permite que el motor de ciclo dividido logre potencialmente mayores niveles de eficiencia y mayores esfuerzos de torsión que los motores típicos de cuatro carreras.

La independencia geométrica de parámetros de motor en el motor 100 de ciclo dividido también es una de las razones principales de porqué la presión puede mantenerse en el pasaje 112 de cruce como ' se discute anteriormente. Específicamente, el pistón 120 de expansión alcanza su posición de TDC antes que el pistón 110 de compresión alcance su posición de TDC por un ángulo de fase discreto (típicamente ángulo de cigüeñal de entre 10 y 30 grados) . Este ángulo de fase, junto con la sincronización .adecuada de la válvula 114 de XovrC y la válvula 116 de XovrE, permite que el motor 100 de ciclo dividido mantenga la presión en el pasaje 112 de cruce a una alta presión mínima (típicamente 20 bares absolutos o más durante la operación a carga completa) durante las cuatro carreras de su ciclo de presión/volumen. Es decir, el motor 100 de ciclo dividido se puede operar para sincronizar la válvula 114 de XovrC y la válvula 116 de XovrE de tal forma que las válvulas 114, 116 de XovrC y XovrE ambas se abren durante un período sustancial de tiempo (o período de rotación del cigüeñal) durante el cual el pistón 120 de expansión desciende desde su posición de TDC hacia su posición de BDC y el pistón 110 de compresión asciende de forma simultánea desde su posición de BDC hacia su posición de TDC. Durante el periodo de tiempo (o rotación del cigüeñal) en que las válvulas 114, 116 ambas se abren, se transfiere una masa de gas sustancialmente igual (1) desde el cilindro 102 de compresión hacia el pasaje 112 de cruce y (2) desde el pasaje 112 de cruce hasta el cilindro 104 de expansión. Por consiguiente, durante este periodo, se evita que la presión en el pasaje de cruce caiga por debajo de una presión mínima predeterminada (típicamente 20, 30 ó 40 bares absolutos durante la operación a carga completa) . Por otra parte, durante una porción sustancial de las carreras de admisión y de escape (típicamente 90% de todas las carreras de admisión y de escape o más), la válvula 114 de XovrC y la válvula 116 de XovrE ambas se cierran para mantener la masa de gas atrapado en el pasaje 112 de cruce a un nivel sustancialmente constante. Como resultado, la presión en el pasaje 112 de cruce se mantiene a una presión mínima predeterminada durante las cuatro carreras del ciclo de presión/volumen del motor.

Para los propósitos en la presente, el método para abrir las válvulas 114 de XovrC y 116 de XovrE mientras que el pistón 120 de expansión desciende desde el TDC y el pistón 110 de compresión asciende hacia TDC para transferir simultáneamente una masa de gas sustancialmente igual dentro y fuera del pasaje 112 de cruce se denomina como el método de "empuje y tracción" de transferencia de gas. Es el método de empuje y tracción el que permite que la presión en el pasaje 112 de cruce del motor 100 se mantenga típicamente a 20 bares o más durante las cuatro carreras del ciclo de motor cuando el motor opera a carga completa.

Las válvulas 114, 116 de cruce se accionan por un tren de válvulas que incluye una o más levas (no mostradas) . En general, un mecanismo accionado por levas incluye un árbol de levas mecánicamente enlazado al cigüeñal. Una o más levas se montan en el árbol de levas, cada una tiene una superficie perfilada que controla el perfil de elevación de válvula del evento de válvula (es decir, el evento que ocurre durante un accionamiento de válvula) . La válvula 114 de XovrC y la válvula 116 de XovrE cada una pueden tener su propia leva respectiva y/o su propio árbol de levas respectivo. Cuando giran las levas de XovrC y XovrE, las porciones excéntricas de las mismas imparten movimiento a un brazo de balancín, el cual a su vez imparte movimiento a la válvula, por lo que levanta (abre) la válvula fuera de su asiento de válvula. A medida que la leva continúa girando, la porción excéntrica pasa el brazo de balancín y permite que la válvula se cierre.

Para los propósitos en la presente, un evento de válvula (o evento de apertura de válvula) se define como la elevación de válvula desde su apertura inicial fuera de su asiento de válvula hasta su cierre de nuevo en su asiento de válvula contra la rotación del cigüeñal durante la cual se produce la elevación de válvula. También, para propósitos de la presente, la duración de , evento de válvula es la duración en tiempo o grados de CA requerida para que ocurra el evento de válvula dentro de un ciclo de motor dado. Es importante observar que un evento de válvula generalmente sólo una fracción de la duración total de un ciclo de operación de motor (por ejemplo, CA de 720 grados para un ciclo de motor de cuatro carreras convencional y CA de 360 grados para un motor de ciclo dividido) .

El motor 100 híbrido de aire de ciclo dividido también incluye un depósito 142 de aire (tanque) , el cual se conecta operativamente al pasaje 112 de cruce por una válvula 152 de tanque de depósito de aire. Modalidades con dos o más pasajes 112 de cruce pueden incluir una válvula 152 de tanque para cada pasaje 112 de cruce, que se conecta a un depósito 142 de aire común, puede incluir una sola válvula que conecta todos los pasajes 112 de cruce a un depósito 142 de aire común, o cada pasaje 112 de cruce puede conectarse operativamente a depósitos 142 de aire separados.

La válvula 152 de tanque típicamente se dispone en una lumbrera 154 de tanque de aire, la cual se extiende desde el pasaje 112 de cruce hasta el tanque 142 de aire. La lumbrera 154 de tanque de aire se divide en una primera sección 156 de lumbrera de tanque de aire y una segunda sección 158 de lumbrera de tanque de aire. La primera sección 156 de lumbrera de tanque de aire conecta la válvula 152 de tanque de aire al pasaje 112 de cruce, y la segunda sección 158 de lumbrera de tanque de aire conecta la válvula 152 de tanque de aire al tanque 142 de aire. El volumen de la primera sección 156 de lumbrera de tanque de aire incluye el volumen de todos los rebajos adicionales que conectan la válvula 152 de tanque al pasaje 112 de cruce cuando la válvula 152 de tanque se cierra. De preferencia, el volumen de la primera sección 156 de lumbrera de tanque de aire es pequeño con respecto a la segunda sección 158 de lumbrera de tanque de aire. De mayor preferencia, la primera sección 156 de lumbrera de tanque de aire sustancialmente no existe, es decir, la válvula 152 de tanque se dispone de mayor preferencia para que se encuentre al ras contra la pared exterior del pasaje 112 de cruce.

La válvula 152 de tanque puede ser cualquier dispositivo o sistema de válvula adecuado. Por ejemplo, la válvula 152 de tanque puede ser una válvula activa la cual se activa por varios dispositivos de accionamiento de válvula (por ejemplo, neumáticos, hidráulicos, de levas, eléctricos o similares) . Adicionalmente, la válvula 152 de tanque puede comprender un sistema de válvulas de tanque con dos o más válvulas accionadas con dos o más dispositivos de accionamiento .

El tanque 142 de aire se utiliza para almacenar energía en forma de aire comprimido y para utilizar posteriormente ese aire comprimido para impulsar el cigüeñal 106. Este medio mecánico para almacenar energía potencial proporciona numerosas ventajas potenciales sobre el estado actual de la técnica. Por ejemplo, el motor 100 híbrido de aire de ciclo dividido potencialmente puede proporcionar muchas ventajas en ganancias de eficiencia de combustible y reducción de emisiones de NOx a costos de fabricación y disposición de desperdicios relativamente bajos con respecto a otras tecnologías en el mercado, tales como motores a diésel y sistemas híbridos-eléctricos.

El motor 100 típicamente funciona en un modo de operación o encendido (NF) normal (comúnmente también llamado modo de encendido de motor (EF) ) y uno o más de cuatro modos híbridos de aire básicos. En el modo de EF, el motor 100 funciona normalmente como se describe previamente en detalle en la presente, operando sin el uso del tanque 142 de aire. En el modo de EF, la válvula 152 de tanque de aire permanece cerrada para aislar el tanque 142 de aire del motor de ciclo dividido básico. En los cuatro modos híbridos de aire el motor opera con el uso del tanque 142 de aire.

Los cuatro modos híbridos de aire básicos incluyen: 1) Modo de Expansor de Aire (AE) , el cual incluye utilizar energía de aire comprimido del tanque 142 de aire sin combustión; 2) Modo de Compresor de Aire (AC) , el cual incluye almacenar energía de aire comprimido en el tanque 142 de aire sin combustión; 3) Modo de Expansor de Aire y Encendido (AEF) , el cual incluye utilizar energía de aire comprimido del tanque 142 de aire con combustión; y 4) Modo de Encendido y Carga (FC) , el cual incluye almacenar energía de aire comprimido en el tanque 142 de aire con combustión.

Además, se pueden encontrar detalles sobre motores de ciclo dividido en la Patente Estadounidense No. 6,543,225 titulada Motor de Combustión Interna de Ciclo de Dividido de Cuatro Carreras y emitida el 8 de abril de 2003; y la Patente Estadounidense No. 6,952,923 titulada Motor de Ciclo Divido de Cuatro Carreras y emitida el 11 de octubre de 2005, de las cuales cada una se incorpora para referencia en la presente en su totalidad.

Además, se describen detalles sobre motores híbridos de aire en la Patente Estadounidense No. 7,353,786 titulada Motor Híbrido de Aire de Ciclo Dividido y emitida el 8 de abril de 2008; Solicitud de Patente Estadounidense No. 61/365,343 titulada Motor Híbrido de Aire de Ciclo Dividido y presentada el 18 de julio de 2010; y Solicitud de Patente Estadounidense No. 61/313,831 titulada Motor Híbrido de Aire de Ciclo Dividido y presentada el 15 de marzo de 2010, de las cuales cada una se incorpora para referencia en la presente en su totalidad.

En motores de ciclo dividido y motores de ciclo dividido híbridos de aire, la dimensión del pasaje de cruce es crítica para la eficiencia del motor. La eficiencia puede mejorarse al dimensionar el volumen de pasaje de cruce para que sea pequeño en respecto al volumen de los cilindros, y en particular con respecto al volumen de cilindro de compresión. Esto permite una presión más alta en el pasaje de cruce, la cual extiende la duración del flujo sónico desde el pasaje de cruce hacia el cilindro de expansión e incrementa la presión de combustión. Los métodos, sistemas y dispositivos descritos en la presente generalmente implican dimensionar los pasajes de cruce, cilindros, u otros componentes de un motor de ciclo dividido o un motor de ciclo dividido híbrido de aire para mejorar la eficiencia.

En un aspecto de por lo menos una modalidad de la invención, se proporciona un motor que incluye un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal, un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal, y un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal. El motor también incluye un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y de expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula. El volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 2 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 4 veces más que, por lo menos 6 veces más que, y/o por lo menos 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen máximo del cilindro de compresión es aproximadamente 9.5 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce. En una modalidad, cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

En otro aspecto de por lo menos una modalidad de la invención, se proporciona un motor que incluye un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal, un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal, y un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal. El motor también incluye un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula. El volumen máximo del cilindro de expansión por lo menos es 2 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen máximo del cilindro de expansión por lo menos es 4 veces más que, por lo menos 6 veces más que, y/o por lo menos 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen máximo del cilindro de expansión es aproximadamente 8.7 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce. En una modalidad, cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

En otro aspecto de por lo menos una modalidad de la invención, se proporciona un motor que incluye un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal, un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal, y un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal. El motor también incluye un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula. El volumen de agregado máximo del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen de agregado máximo del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 10 veces más que y/o por lo menos 15 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen de agregado máximo del cilindro de compresión y el cilindro de expansión es aproximadamente 17.7 veces más que el volumen de pasaje de cruce .

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce. En una modalidad, cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

En otro aspecto de por lo menos una modalidad de la invención, se proporciona un motor que incluye un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal, un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal, y un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal, de tal manera que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal. El motor también incluye un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula. El volumen de agregado máximo del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen de agregado máximo del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce por lo menos es 10 veces más que y/o por lo menos 15 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen de agregado máximo del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce es aproximadamente 18.9 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce. En una modalidad, cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

En otro aspecto de por lo menos una modalidad de la invención, se proporciona un motor que incluye un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal, un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal, y un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal. El motor también incluye un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula. El volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 4 veces el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 3 veces y/o menor que 2 veces el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es aproximadamente 1.5 veces el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce. En una modalidad, cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce En otro aspecto de por lo menos una modalidad de la invención, se proporciona un motor que incluye un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal, un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila a través de una carrera de admisión y una carrera de compresión durante una sola rotación del cigüeñal, y un pistón de expansión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de expansión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal. El motor también incluye un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula. El volumen de agregado máximo del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce, y el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menos de 4 veces el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen de agregado máximo del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 10 veces más que el volumen de pasaje de cruce, y el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menos de 3 veces el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el volumen de agregado máximo del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 15 veces más que el volumen de pasaje de cruce, y el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 2 veces el volumen de pasaje de cruce.

Aspectos relacionados de por lo menos una modalidad de la invención proporcionan un motor, por ejemplo, como se describe en lo anterior, en el cual el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce. En una modalidad, cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

La presente invención, además, proporciona dispositivos, sistemas y métodos como se reivindican.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La invención se entenderá más completamente a partir de la siguiente descripción detallada tomada junto con los dibujos anexos, en los cuales: La FIGURA 1 es un diagrama esquemático de un motor de ciclo dividido híbrido de aire de la técnica anterior; la FIGURA 2 es un diagrama esquemático de una modalidad de un motor de ciclo dividido híbrido de aire en el cual el volumen de pasaje de cruce se dimensiona con respecto al volumen de cilindro para mejorar la eficiencia; la FIGURA 3 es un diagrama esquemático de una modalidad de un motor de ciclo dividido que tiene una pluralidad de pasajes de cruce; la FIGURA 4 es un diagrama esquemático de otra modalidad de un motor de ciclo dividido que tiene una pluralidad de pasajes de cruce; y la FIGURA 5 es una ilustración gráfica del volumen de cilindro de compresión, volumen de cilindro de expansión, volumen de pasaje de cruce, y volumen de pasaje y cilindro de cruce total como una función de los grados del ángulo de cigüeñal después del punto muerto superior del pistón de expansión en una modalidad ejemplar de un motor de ciclo dividido .

Ciertas modalidades ejemplares se describirán ahora para proporcionar un entendimiento general de los principios de la estructura, función, fabricación, y uso de los métodos, sistemas y dispositivos descritos en la presente. Uno o más ejemplos de estas modalidades se ilustran en los dibujos anexos. Aquellos con experiencia en la técnica entenderán que los métodos, sistemas y dispositivos descritos específicamente en la presente e ilustrados en los dibujos anexos son modalidades ejemplares no limitantes y que el alcance de la presente invención se define únicamente por las reivindicaciones. Las características ilustradas o descritas junto con una modalidad ejemplar pueden combinarse con las características de otras modalidades. Tales modificaciones y variaciones se pretenden para incluirse dentro del alcance de la presente invención.

El término "aire" se utiliza en la presente para referirse tanto al aire como a las mezclas de aire y otras sustancias tales como productos de combustible o escape. El término "fluido" se utiliza en la presente para referirse a líquidos y gases. Las características mostradas en una figura particular que son las mismas que, o similares a, características mostradas en otra figura se designan por números de referencia similares.

La FIGURA 2 ilustra una modalidad ejemplar de un motor 200 híbrido de aire de ciclo dividido de acuerdo con la presente invención. Una descripción detallada de la estructura y la operación del motor 200 se omite aquí por razones de brevedad, entendiéndose que la estructura y la operación del motor 200 es similar a aquella del motor 100 de la FIGURA 1, excepto como se describe en la presente. El motor 200 de la FIGURA 2 difiere del motor 100 de la FIGURA 1 particularmente con respecto a la dimensión de los diversos componentes del motor (por ejemplo, el volumen de pasaje de cruce con respecto al volumen de los cilindros del motor) . Las disposiciones de dimensión particulares descritas en la presente producen un incremento inesperado y sustancial en la eficiencia del motor.

El motor 200 incluye un cilindro 202 de compresión con un pistón 210 de compresión reciprocamente dispuesto en el mismo y un cilindro 204 de expansión con un pistón 220 de expansión reciprocamente dispuesto en el mismo. Los extremos superiores de los cilindros 202, 204 se encuentran cerrados por una culata 230 de cilindro. Durante la carrera de admisión, el aire de admisión se extrae en el cilindro 202 de compresión a través de una válvula 208 de admisión. Durante la carrera de compresión, el pistón 210 de compresión presuriza la carga de aire e impulsa la carga de aire a través de un pasaje 212 de cruce, que actúa como el pasaje de admisión para el cilindro 204 de expansión. El motor 200 puede tener uno o más pasajes 212 de cruce. Una válvula 214 de compresión de cruce que abre hacia fuera en la entrada del pasaje 212 de cruce se utiliza para controlar el flujo desde el cilindro 202 de compresión hacia el pasaje 212 de cruce. Una válvula 216 de expansión de cruce que abre hacia fuera en la salida del pasaje 212 de cruce controla el flujo desde el pasaje 212 de cruce hacia el cilindro 204 de expansión.

Al menos un inyector 218 de combustible inyecta combustible en el aire presurizado en el extremo de salida del pasaje 212 de cruce y/o directamente en el cilindro 204 de expansión. A medida que el pistón 220 de expansión comienza su descenso desde su posición de TDC, una o más bujías 222 se encienden para iniciar la combustión, lo cual impulsa el pistón 220 de expansión hacia abajo en una carrera de potencia. Los gases de escape se bombean fuera del cilindro 204 de expansión a través de una válvula 224 de escape durante la carrera de escape.

El cilindro 202 de compresión tiene un volumen VC definido por la superficie superior del pistón 210 de compresión, la pared lateral interior cilindrica del cilindro 202 de compresión, y la cubierta de encendido de la culata 230 del cilindro. El volumen VC del cilindro de compresión por lo tanto ' varía dependiendo de la posición del pistón 210 de compresión. En particular, el volumen VC varía de un valor mínimo VCMIN cuando el pistón 210 de compresión se encuentra en su posición de TDC a un valor máximo VCMAX cuando el pistón 210 de compresión se encuentra en su posición de BDC. Para los propósitos en la presente, el volumen VC del cilindro de compresión se especifica como si la válvula 208 de admisión y la válvula 214 de compresión de cruce se encontraran siempre en una posición cerrada, aunque por supuesto estas válvulas se abren y cierran en varios puntos en el ciclo de motor. De este modo, el volumen VC no incluye el volumen de pasaje de cruce .

El cilindro 204 de expansión tiene un volumen VE definido por la superficie superior del pistón 220 de expansión, la pared lateral interior cilindrica del cilindro 204 de expansión, y la cubierta de encendido de la culata 230 de cilindro. El volumen VE del cilindro de expansión por lo tanto varia dependiendo de la posición del pistón 220 de expansión. En particular, el volumen VE varia de un valor mínimo VEMIN cuando el pistón 220 de expansión se encuentra en su posición de TDC a un valor máximo VEMA cuando el pistón 220 de expansión se encuentra en su posición de BDC. Para los propósitos en la presente, el volumen VE del cilindro de expansión se especifica como si la válvula 224 de escape y la válvula 216 de expansión de cruce se encontraran siempre en una posición cerrada, aunque, por supuesto, estas válvulas se abren y cierran en varios puntos en el ciclo de motor. De este modo, el volumen VE no incluye el volumen de pasaje de cruce .

En el motor 200 de la FIGURA 2, el pasaje 212 de cruce tiene un volumen VX fijo definido por sus superficies interiores. Para los propósitos en la presente, el volumen VX del pasaje de cruce se especifica como si la válvula 214 de compresión de cruce, la válvula 216 de expansión de cruce, y la válvula 252 de tanque de aire se encontraran siempre en una posición cerrada, aunque por supuesto, estas válvulas se abren y cierran en varios puntos en el ciclo de motor. Aunque el volumen VX del pasaje de cruce se fija en la modalidad ilustrada, se apreciará que el volumen VX del pasaje de cruce también puede ser variable. Por ejemplo, como se muestra en la FIGURA 3, un motor 200' puede tener un pasaje de cruce que incluye un primer y segundo pasajes 212A, 212B de cruce, de los cuales cada uno se puede desactivar selectivamente para variar el volumen de pasaje de cruce general. Al desactivar el pasaje 212B de cruce (por ejemplo, al desactivar una o más válvulas asociadas con el mismo), el volumen de pasaje de cruce general se reduce en un 50%. A modo de ejemplo adicional, como se muestra en la FIGURA 4, un motor 200" puede tener un pasaje de cruce que incluye primer, segundo, y tercer pasajes 212C, 212D, 212E de cruce. En esta modalidad, cada uno de los pasajes de cruce tiene un volumen diferente, y puede activarse o desactivarse selectivamente (por ejemplo, al activar o desactivar una o más válvulas asociadas con el mismo) para variar el volumen de pasaje de cruce a través de un margen de volúmenes entre un volumen mínimo (por ejemplo, cuando sólo el pasaje 212E de cruce se encuentra activo) a un volumen máximo (por ejemplo, cuando los tres pasajes 212C, 212D, 212E de cruce se encuentran activos) .

En cualquiera de las modalidades descritas en la presente, cada pasaje de cruce discreto también puede tener un volumen ajustable y/o variable, por ejemplo, como se describe en la Publicación Estadounidense No. 2010/0263646, publicada el 21 de octubre de 2010 y titulada "Pasaje de Cruce de Volumen Variable para Motor de Ciclo Dividido", de la cual todo el contenido se incorpora en la presente para referencia .

Con referencia de nuevo a la FIGURA 2, se apreciará que el volumen VC del cilindro 202 de compresión y el volumen VE del cilindro 204 de expansión varían basándose en la posición de sus pistones 210, 220 respectivos. Como resultado,, el volumen de cilindro de agregado VCE = VC + VE cambia a través del ciclo de motor, ya que lo hace el pasaje de cruce de agregado y el volumen de cilindro VXCE = VC + VE + VX.

Para los propósitos en la presente, el "TDC efectivo" de un motor es la posición de cigüeñal en el cual el pasaje de cruce de agregado y volumen de cilindro VXCE se encuentran al mínimo. En el motor 200 de la FIGURA 2, el TDC efectivo se produce aproximadamente a medio camino entre el TDC del pistón 220 de expansión y el TDC del pistón 210 de compresión. En otras palabras, el pasaje de cruce de agregado y el volumen de cilindro VXCE se encuentran al mínimo en el motor 200 de la FIGURA 2 cuando el pistón 210 de compresión asciende, justo antes de alcanzar su posición de TDC, y cuando el pistón 220 de expansión desciende, justo después de alcanzar su posición de TDC.

También para los propósitos en la presente, el "BDC efectivo" de un motor es la posición de cigüeñal en la cual el pasaje de cruce de agregado y el volumen de cilindro VXCE se encuentra al máximo. En el motor 200 de la FIGURA 2, el BDC efectivo se produce aproximadamente a medio camino entre BDC del pistón 220 de expansión y el BDC del pistón 210 de compresión. En otras palabras, el pasaje de cruce de agregado y el volumen de cilindro VXCE se encuentran al máximo en el motor 200 de la FIGURA 2 cuando el pistón 210 de compresión desciende, justo antes de que llegue a su posición de BDC, y cuando el pistón 220 de expansión asciende, justo después de que alcanza su posición de BDC.

También para los propósitos en la presente, la relación de compresión efectiva de un motor se define como la relación del pasaje de cruce de agregado máximo y el volumen de cilindro VXCEMAX al pasaje de cruce de agregado mínimo y el volumen de cilindro VXCEMIN (la relación del pasaje de cruce total y el volumen de cilindro en BDC efectivo al pasaje de cruce total y el volumen de cilindro a TDC efectivo) . En una modalidad, la relación de compresión efectiva del motor aproximadamente es de 15:1.

Durante la operación del motor 200, la válvula 216 de expansión de cruce abre poco antes de que el pistón 220 de expansión alcance su posición de TDC. En este tiempo, la relación de presión de la presión en el pasaje 212 de cruce a la presión en el cilindro 204 de expansión es alta, debido al hecho de que la presión mínima en el pasaje 212 de cruce es típicamente veinte bares absolutos o más y la presión en el cilindro 204 de expansión durante la carrera de escape típicamente es alrededor de uno a dos bares absolutos. En otras palabras, cuando la válvula 216 de expansión de cruce se abre, la presión en el pasaje 212 de cruce es sustancialmente mayor que la presión en el cilindro 204 de expansión (típicamente en el orden de 20 a 1 o más) . Esta relación de alta presión provoca que el flujo inicial de la carga de aire y/o combustible fluya desde el pasaje 212 de cruce y hacia el cilindro 204 de expansión a altas velocidades. Estas altas velocidades de flujo pueden alcanzar la velocidad del sonido, que se conoce como flujo sónico. Este flujo sónico es particularmente ventajoso en el motor 200, debido a que conduce a turbulencia intensa que promueve la buena mezcla de aire/combustible que conduce a la combustión rápida y eficiente.

Para optimizar la eficiencia del motor 200, es deseable maximizar la duración de este flujo sónico. La velocidad sónica del aire que entra al cilindro 204 de expansión cuando la válvula 216 de expansión de cruce se abre inicialmente, se logra manteniendo la presión en el pasaje 212 de cruce a un nivel que es mayor que la presión en el cilindro 204 de expansión durante la carrera de escape. Una relación de flujo sónico se define como la relación de la presión en el pasaje 212 de cruce a la presión en el cilindro 204 de expansión necesaria para lograr un flujo sónico.

En los modos AEF y AE del motor 200, una alta presión en el pasaje 212 de cruce se mantiene al mantener la presión en el tanque 242 de aire en o por encima de 5 bares, de preferencia por arriba de 7 bares, y de mayor preferencia por arriba de 10 bares. En los modos de EF y FC del motor 200, se mantiene una alta presión en el pasaje 212 de cruce al utilizar el método de empuje y tracción de transferencia de gas descrito anteriormente. La presión en el pasaje 212 de cruce se puede incrementar adicionalmente, sin embargo, por la dimensión adecuada de los diversos componentes del motor 200.

Por ejemplo, el volumen VX del pasaje de cruce puede hacerse pequeño en comparación con el volumen máximo VCMAX del cilindro de compresión. De preferencia, el volumen máximo VCMAX del cilindro 202 de compresión por lo menos es dos veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. De mayor preferencia, el volumen máximo VCMAX del cilindro 202 de compresión por lo menos es cuatro veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. Incluso de mayor preferencia, el volumen máximo VCMAX del cilindro 202 de compresión por lo menos es seis veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. Aún de mayor preferencia, el volumen máximo VCMAX del cilindro 202 de compresión por lo menos es ocho veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. Cuando el volumen máximo VCMAX del cilindro 202 de compresión es grande en comparación con el volumen VX del pasaje de cruce, la carga de aire de admisión se comprime a un mayor grado durante la carrera de compresión, aumentando asi la presión en el pasaje 212 de cruce. En otras palabras, la relación de compresión efectiva es alta, lo cual resulta en una mayor duración de flujo sónico y mejoras proporcionales en la eficiencia del motor.

A modo de ejemplo adicional, el volumen VX del pasaje de cruce puede hacerse pequeño en comparación con el volumen máximo VEMAX del cilindro de expansión. De preferencia, el volumen máximo VEMAX del cilindro 204 de expansión por lo menos es dos veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. De mayor preferencia, el volumen máximo VEMAX del cilindro 204 de expansión por lo menos es cuatro veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. Incluso de mayor preferencia, el volumen máximo VEMAX del cilindro 204 de expansión por lo menos es seis veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce. Aún de mayor preferencia, el volumen máximo VEMAX del cilindro 204 de expansión por lo menos es ocho veces más que el volumen VX del pasaje 212 de cruce.

Como otro ejemplo, el volumen VX del pasaje de cruce puede hacerse pequeño en comparación con el volumen máximo VCEMAX del cilindro de agregado. De preferencia, el volumen máximo VCEMA del cilindro de agregado por lo menos es ocho veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. De mayor preferencia, el volumen máximo VCEMAX del cilindro de agregado por lo menos es diez veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. Incluso de mayor preferencia, el volumen máximo VCEMAX del cilindro de agregado por lo menos es quince veces más que el volumen VX del pasaje de cruce.

A modo de ejemplo adicional, el volumen VX del pasaje de cruce puede hacerse pequeño en comparación con el volumen máximo VXCEMAX de pasaje de cruce y de cilindro de agregado. De preferencia, el volumen máximo VXCEMAX de pasaje de cruce y de cilindro de agregado por lo menos es ocho veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. De mayor preferencia, el volumen máximo VXCEMAX de pasaje de cruce y cilindro de agregado por lo menos es diez veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. Incluso de mayor preferencia, el volumen máximo VXCEMAX de pasaje de cruce y de cilindro de agregado por lo menos es quince veces más que el volumen VX del pasaje de cruce.

El volumen VCE de cilindro de agregado y el volumen VXCE de pasaje de cruce y de cilindro de agregado son significativos debido a que en el método de empuje y tracción, tanto la válvula 214 de compresión de cruce como la válvula 216 de expansión de cruce se abren cuando una masa de aire se transfiere a través del pasaje 212 de cruce. Por lo tanto, el volumen del cilindro 202 de compresión y el cilindro 204 de expansión se encuentran simultáneamente en comunicación con el pasaje 212 de cruce durante la porción de empuje y tracción del ciclo de motor. Durante este periodo de empuje y tracción, un pasaje 212 de cruce que tiene un volumen VX que es pequeño con respecto al volumen máximo VCEMAX de cilindro de agregado y/o con respecto al volumen máximo VXCEMAX de pasaje de cruce y de cilindro de agregado esencialmente actúa como una restricción de flujo entre el cilindro 202 de compresión y el cilindro 204 de expansión, lo cual genera un incremento dramático en la velocidad del aire conforme entra al cilindro 204 de expansión.

Como otro ejemplo, el volumen mínimo VXCEMIN del pasaje de cruce y de cilindro de agregado (por ejemplo, el volumen de pasaje de cruce y de cilindro de agregado en el TDC efectivo) puede reducirse al mínimo para que no exceda en gran medida el volumen VX del pasaje de cruce. En otras palabras, con el fin de mantener una alta presión en el pasaje 212 de cruce, el volumen total del cilindro 202 de compresión, cilindro 204 de expansión, y el pasaje 212 de cruce en el TDC efectivo puede ser menor que 4 veces el volumen de pasaje de cruce, de preferencia menor que 3 veces el volumen de pasaje de cruce, y de mayor preferencia menor que 2 veces el volumen de pasaje de cruce. En una modalidad, el volumen mínimo VXCEMIN del pasaje de cruce y de cilindro de agregado en el TDC efectivo se aproxima al volumen de pasaje 212 de cruce debido a que en TDC actual de los pistones 210, 220 de compresión y expansión, los volúmenes de los cilindros 202, 204 de compresión y expansión son muy pequeños. En otras palabras, la relación de compresión geométrica del cilindro 202 de compresión aproximadamente es de 95:1 y la relación de expansión geométrica del cilindro 204 de expansión aproximadamente es de 50:1, lo que significa que existe un pequeño huelgo estrecho entre los pistones 210, 220 de compresión y de expansión y la culata 230 de cilindro (específicamente, la cubierta de encendido de la culata) en las posiciones de TDC respectivas de los pistones. Estos espacios de huelgo estrechos en el TDC de los pistones 210, 220 respectivos se trasladan hacia un pasaje de cruce de agregado y el volumen VXCEMIN del cilindro en el TDC efectivo que no excede en gran medida el volumen VX del pasaje de cruce .

Se apreciará que el incremento en la presión del pasaje de cruce obtenido al dimensionar los diversos componentes del motor como se describe anteriormente da como resultado en un incremento en el período de flujo sónico de la masa de aire que entra al cilindro de expansión, incrementando así la eficiencia del motor.

La FIGURA 5 ilustra los volúmenes de los componentes respectivos de una modalidad ejemplar de un motor de ciclo dividido (expresado en términos de centímetros cúbicos "ce") esquematizados a través del ciclo de operación del motor (expresados en términos de grados del ángulo de cigüeñal después del punto muerto superior del pistón de expansión "grado ATDC-e") .

Como se muestra, el cilindro de compresión tiene un volumen máximo de aproximadamente 590 ce a aproximadamente -160 grados ATDC-e. El cilindro de compresión tiene un volumen mínimo de aproximadamente 6 ce a aproximadamente 20 grados ATDC-e. El cilindro de expansión (o "cilindro de potencia") tiene un volumen máximo de aproximadamente 540 ce a aproximadamente 180 grados ATDC-e. El cilindro de expansión tiene un volumen mínimo de aproximadamente 11 ce a aproximadamente 0 grados ATDC-e. El pasaje de cruce (o "lumbrera de cruce") tiene un volumen fijo de alrededor de 62 ce a través de todo el ciclo de motor. El volumen de pasaje de cruce y de cilindro de agregado tiene un valor máximo de aproximadamente 1170 ce a aproximadamente -170 grados ATDC-e (BDC efectivo) . El volumen de pasaje de cruce y de cilindro de agregado tiene un valor mínimo de aproximadamente 90 ce a aproximadamente 10.8 grados ATDC-e (TDC efectivo).

De este modo, en el motor de la FIGURA 5, el volumen máximo VCMAX del cilindro de compresión es aproximadamente 9.5 veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. El volumen máximo VEMAX del cilindro de expansión es aproximadamente 8.7 veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. El volumen máximo VXCEMAX del pasaje de cruce y de cilindro de agregado es aproximadamente 18.9 veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. El volumen mínimo VXCEMIN del pasaje de cruce y de cilindro de agregado es aproximadamente 1.5 veces más que el volumen VX del pasaje de cruce. El volumen máximo CEMAX del pasaje de cruce y de cilindro de agregado es aproximadamente 17.7 veces más que el volumen de pasaje de cruce. Utilizando estos parámetros de dimensión, el motor de la FIGURA. 5 alcanza una presión de pasaje de cruce alta durante el ciclo de motor, lo que incrementa el período de flujo sónico y genera una mejora en la eficiencia general del motor.

Aunque la invención se ha descrito por referencia a modalidades específicas, debe entenderse que numerosos cambios pueden hacerse dentro del espíritu y alcance de los conceptos inventivos descritos. Por consiguiente, se pretende que la invención no se limite a las modalidades descritas, sino que tenga todo el alcance definido por el lenguaje de las siguientes reivindicaciones.

Claims (35)

REIVINDICACIONES

1. Un motor caracterizado porque comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila 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 de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula; en donde el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce, y el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 4 veces el volumen de pasaje de cruce.

2. El motor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 10 veces más que el volumen de pasaje de cruce, y el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 3 veces el volumen de pasaje de cruce.

3. El motor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 15 veces más que el volumen de pasaje de cruce, y el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 2 veces el volumen de pasaje de cruce.

4. Un motor caracterizado porque comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila 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 de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula; en donde el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 2 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

5. El motor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 4 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

6. El motor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 6 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

7. El motor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

8. El motor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 9.5 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

9. El motor de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce.

10. El motor de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

11. Un motor caracterizado porque comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila 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 de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula; en donde el volumen máximo del cilindro de compresión por lo menos es 2 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

12. El motor de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de expansión por lo menos es 4 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

13. El motor de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de expansión por lo menos es 6 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

14. El motor de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de expansión por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

15. El motor de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el volumen máximo del cilindro de expansión por lo menos es 8.7 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

16. El motor de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce.

17. El motor de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

18. Un motor caracterizado porque comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila 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 de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula; en donde el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

19. El motor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 10 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

20. El motor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión por lo menos es 15 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

21. El motor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión y el cilindro de expansión es aproximadamente 17.7 veces más que el volumen de pasaje de cruce .

22. El motor de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado porque el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce.

23. El motor de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

24. Un motor caracterizado porque comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal ; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila 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 de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula; en donde el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce por lo menos es 8 veces más que el volumen de pasaje de cruce .

25. El motor de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce por lo menos es 10 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

26. El motor de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce por lo menos es 15 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

27. El motor de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el volumen máximo de agregado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce por lo menos es 18.9 veces más que el volumen de pasaje de cruce.

28. El motor de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado porque el pasaje de cruce comprende una pluralidad de pasajes de cruce.

29. El motor de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado porque cada uno de la pluralidad de pasajes de cruce puede desactivarse selectivamente para reducir un volumen general del pasaje de cruce.

30. Un motor caracterizado porque comprende: un cigüeñal que puede girar alrededor de un eje de cigüeñal; un pistón de compresión recibido deslizablemente dentro de un cilindro de compresión y conectado operativamente al cigüeñal de tal manera que el pistón de compresión oscila 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 de tal forma que el pistón de expansión oscila a través de una carrera de expansión y una carrera de escape durante una sola rotación del cigüeñal; y un pasaje de cruce que interconecta los cilindros de compresión y expansión, el pasaje de cruce incluyendo por lo menos una válvula; en donde el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 4 veces el volumen de pasaje de cruce.

31. El motor de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado porque el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 3 veces el volumen de pasaje de cruce.

32. El motor de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado porque el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior efectivo es menor que 2 veces el volumen de pasaje de cruce.

33. El motor de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado porque el volumen combinado del cilindro de compresión, el cilindro de expansión, y el pasaje de cruce en el punto muerto superior eficaz es aproximadamente 1.5 veces el volumen de pasaje de cruce.

34. El motor de conformidad con la reivindicación 30, caracterizado porque el pasaje de cruce comprende un primer pasaje de cruce y un segundo pasaje de cruce.

35. El motor de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado porque el primer y segundo pasajes de cruce cada uno puede desactivarse selectivamente para reducir el volumen de pasaje de cruce.