MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA
Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La invención se refiere a motores de combustión interna y, más particularmente, a una técnica para controlar la admisión y escape de una mezcla combustible de carburante y aire en un motor de combustión interna de cuatro tiempos. 2. Descripción de la técnica anterior En un motor de combustión interna de cuatro tiempos convencional, un pistón motor está dispuesto para movimiento alternativo en un cilindro. El extremo superior del cilindro está cerrado por una culata que lleva al menos una válvula de admisión y al menos una válvula de escape. Después de abrir la válvula de admisión y de mover el pistón motor hacia abajo dentro del cilindro, la mezcla combustible de carburante y aire será introducida dentro del cilindro. Después de la combustión, la válvula de escape se puede abrir (manteniendo al mismo tiempo la válvula de admisión cerrada) y, después del movimiento ascendente del pistón, la mezcla de carburante y aire quemada será descargada desde la cámara de combustión. La construcción anterior ha sido utilizada con éxito durante años en motores de combustión interna de cuatro tiempos. Desafortunadamente, existen inconvenientes graves asociados con el uso de válvulas de admisión y de escape para controlar el flujo de gases dentro y fuera de la cámara de combustión. Cuando se usa aqui, la palabra "válvulas" significará válvulas de disco con movimiento vertical, a no ser que el contexto indique otra cosa. Los inconvenientes de las válvulas de admisión y de escape son bien conocidas y se describirán sólo brevemente. Un problema común asociado con las válvulas, particularmente válvulas de escape, es su capacidad para resistir el calor o los gases que fluyen alrededor de ellas. Los gases calientes pueden hacer que las válvulas se desgasten rápidamente y, en casos extremos, fallen después de la reparación. Las válvulas deben fabricarse de materiales relativamente costosos, y deben fabricarse con tolerancias precisas con el fin de efectuar una obturación a prueba de gas en tiempos apropiados. Otro problema de las válvulas de admisión y de escape convencionales es que su capacidad para efectuar una obturación a prueba de fluido puede variar dependiendo de la temperatura de las válvulas y los componentes circundantes del motor. Todavía una preocupación adicional es el ruido que las válvulas pueden hacer cuando se abren y se cierran rápidamente durante el funcionamiento del motor. A velocidades elevadas del motor, la inercia de las válvulas puede hacer que "floten" o fallen al cerrarse completamente, reduciendo de esta manera el rendimiento del motor y conduciendo posiblemente a daño catastrófico del motor. Se conocen varias técnicas, donde no se necesitan válvulas de admisión y de escape para uso con motores de combustión interna, pero estos dispositivos requieren modificaciones extremas del motor mismo. Por ejemplo, un motor de dos tiempos emplea un pistón motor de movimiento alternativo sin la necesidad de válvulas de admisión o de escape. Las válvulas de admisión y de escape están substituidas por orificios formados en el cilindro de potencia. En tales motores, la cámara de combustión se cierra por una culata que contiene solamente una abertura para una bujía de encendido. Aunque los motores de dos tiempos funcionan satisfactoriamente, son ruidosos, ineficientes, y una fuente de polución excesiva. Así pues, se usan solamente para aplicaciones donde se requieren motores pequeños poco costosos, tales como sierras de cadena, ventiladores de láminas, máquinas cortacésped, y similares. Otro motor de combustión interna sin válvulas es el motor Wankel. En un motor Wankel, un rotor tri-lobular se mueve excéntricamente dentro de una cámara estrecha. Los extremos del rotor se acoplan con las paredes de la cámara para crear regiones de presión negativa y presión positiva, así como una cámara de combustión, durante la excursión del rotor alrededor de la cámara. Aunque una construcción de este tipo se ha utilizado con éxito, los motores Wankel son notoriamente ineficientes en cuanto al combustible y una fuente de polución excesiva. Tales características son similares a las de los motores de dos tiempos, limitando de esta manera la utilidad de los motores Wankel. Sería deseable disponer de un motor de combustión interna de cuatro tiempos que tuviera rendimiento y fiabilidad aceptables sin necesidad de usar válvulas de admisión y de escape. Un motor de este tipo debería ser preferentemente de funcionamiento silencioso, eficiente en cuanto al combustible, bajo en polución y potente. Compendio de la invención En respuesta a las cuestiones anteriores, la presente invención proporciona un motor de combustión interna nuevo y mejorado de la variedad de cuatro tiempos que elimina la necesidad de válvulas de admisión y de escape. El motor de acuerdo con la invención emplea un pistón motor que se mueve alternativamente dentro de un cilindro de potencia y que está conectado a un eje de cigüeñal. El motor está provisto con una culata que cierra el extremo superior del cilindro de potencia para formar una cámara de combustión. La culata incluye un cilindro de admisión y un cilindro de escape en comunicación fluida con la cámara de combustión. Un pistón de admisión y un pistón de escape están dispuestos dentro del cilindro de admisión y del cilindro de escape, respectivamente, para movimiento alternativo en el interior. Un orificio de admisión se abre dentro del cilindro de admisión, y un orificio de escape se abre dentro del cilindro de escape de tal manera que el orificio de admisión y el orificio de escape están cubiertos y descubiertos durante el movimiento alternativo del pistón de admisión y del pistón de escape. Mediante la coordinación del movimiento alternativo de los pistones de admisión y de escape con el movimiento alternativo del pistón motor, y mediante el posicionamiento apropiado del orificio de admisión y del orificio de escape con respecto al pistón de admisión y el pistón de escape, se puede introducir una mezcla combustible de carburante y de aire dentro de la cámara de combustión, quemarla y expulsarla. La invención elimina la necesidad de válvulas de admisión y de escape y todos los inconvenientes asociados con ellas. Si los pistones de admisión y de escape son controlados por un eje de cigüeñal, se moverán alternativamente de forma suave y silenciosa dentro de sus cilindros respectivos. Si los pistones de admisión y de escape son controlados por levas, no sólo se moverán alternativamente de forma suave y silenciosa, sino que, además, pueden ser también más eficientes en el control de los gases que fluyen dentro y fuera del cilindro de potencia. Además, de las ventajas asociadas con la eliminación de las válvulas de admisión y de escape, el movimiento alternativo de los pistones de admisión y de escape se pueden usar para incrementar la presión dentro de la cámara de combustión y para incrementar el flujo de gases a través del motor. Las anteriores y otras características y ventajas de la invención se pondrán de manifiesto a partir de la memoria descriptiva y de las reivindicaciones que siguen, tomadas en combinación con los dibujos que se acompañan. Breve descripción de los dibujos La figura 1 es una vista en sección transversal de un motor de combustión interna de acuerdo con la invención que muestra un pistón motor, un pistón de admisión en una posición abierta, y un pistón de escape en una posición cerrada. La figura 2 es una vista similar a la figura 1 que muestra el pistón de admisión y el pistón de escape en una posición intermedia. La figura 3 es una vista similar a la figura 1 que muestra el pistón de admisión en una posición cerrada y el pistón de escape en una posición abierta. Las figuras 4A-4D son vistas esquemáticas del motor de combustión interna de acuerdo con la invención que muestra una relación preferida entre el pistón motor, el pistón de admisión y el pistón de escape durante el funcionamiento del motor. La figura 5 es una vista en sección transversal de una técnica alternativa para accionar los pistones de admisión y de escape; y La figura 6 es una vista en sección transversal de otra técnica para accionar los pistones de admisión y de escape. Descripción de formas de realización preferidas Con referencia a las figuras 1-3, un motor de combustión interna de cuatro tiempo se indica en general por el número de referencia 10. El motor 10 tiene un cárter 12 al que está fijado un cilindro 14. Como se ilustra, el cilindro 14 está refrigerado con aire, aunque es posible la refrigeración con agua y se usará en muchas aplicaciones. Un pistón motor 16 está dispuesto dentro del cilindro 14 para movimiento alternativo en el interior. Un eje de cigüeñal 18 que tiene un muñón 19 está montado para rotación dentro del cárter 12. El muñón 19 está conectado al pistón 16 por medio de una varilla de conexión 20. Un volante 22 está montado en el eje de cigüeñal 18. Un espaciador 24 está montado encima del cilindro
14 para definir una porción de una cámara de combustible 25. Una bujía de encendido 26 está enroscada en un orificio en el espaciador 24 para extenderse dentro de la cámara de combustión 25. Una culata 28 está montada encima del espaciador
24. La culata 28 incluye un cilindro de admisión 30 dentro del que está dispuesto un pistón de admisión 32 para movimiento alternativo. La culata 28 incluye también un cilindro de escape 34 dentro del cual está dispuesto un pistón de escape 36 para movimiento alternativo. Los cilindros 30, 34 están posicionados adyacentes entre sí y están en comunicación fluida con la cámara de combustión
. Los ejes longitudinales de los cilindros 30, 34 están paralelos con el del cilindro 14. Un eje de cigüeñal 38 está dispuesto dentro de la culata 28 para rotación dentro de ella. Una varilla de conexión 40 conecta el pistón de admisión 32 con el muñón 41 del eje de cigüeñal 38, mientras que una varilla de conexión 42 conecta el pistón de escape 36 con el muñón 43 del eje de cigüeñal 38. Los orificios de admisión 44 están formados en el lado del cilindro de admisión 30. Los orificios de escape 46 están formados en el lado del cilindro de escape 34. Una línea de entrada 48 está conectada a los orificios de admisión 44 con el fin de suministrar una mezcla de carburante y aire al cilindro de admisión 30. Un tubo de escape 50 está conectado a los orificios de escape 46 con el fin de transportar gases de escape desde el cilindro de escape 34. Un silenciador de escape 52 está dispuesto en línea en el tubo de escape 50. Como se puede ver en las figuras 1 y 3, se muestran orificios de admisión 44 múltiples y orificios de escape 46 múltiples. El número y tamaño de los orificios 44, 46 están limitados solamente por consideración estructural y por la capacidad para construir distribuidores apropiados. El uso de orificios múltiples 44, 46 es una ventaja significativa sobre el motor de válvulas convencional debido a que se puede incrementar en gran medida el flujo de aire dentro y fuera del motor. Como se ilustra en las figuras 1-3, los orificios 44, 46 están en la misma posición vertical relativa entre sí, y tienen la misma dimensión vertical. Así pues, los orificios 44, 46 serán cubiertos y descubiertos por los pistones 32, 36 en la misma extensión de rotación del eje de cigüeñal 38. Se espera que los orificios 44, 46 se abran, al menos parcialmente, para aproximadamente 20 grados de rotación del eje de cigüeñal 38. Una primera rueda dentada 54 está montada en el eje de cigüeñal 18. Una segunda rueda dentada 56 está montada en el eje de cigüeñal 38. El diámetro de la rueda dentada 56 es dos veces el de la rueda dentada 54, de manera que el eje de cigüeñal 38 gira exactamente a la mitad de la velocidad de rotación del eje de cigüeñal 18. La rueda dentada 56 es accionada por medio de una cadena de accionamiento 58 que se extiende alrededor de las ruedas dentadas 54, 56. Con referencia ahora a las figuras 4A-4D, se explicará el funcionamiento del motor 10. A medida que el eje de cigüeñal 18 se gira en el sentido de las agujas del reloj (como se ve desde la izquierda en las figuras 1-3), el eje de cigüeñal 38 girará también en el sentido de las agujas del reloj. Los muñones 41, 43 se desplazan aproximadamente 15 grados uno del otro, marchando el muñón 43 en la dirección de rotación. Se ha encontrado que se pueden obtener resultados aceptables si los muñones 41, 43 se desplazan uno del otro en cualquier lugar dentro del intervalo de 15-20 grados. En la descripción que sigue, la posición del centro muerto inferior en los pistones 32, 36 hará que se descubran los orificios 44, 46. Como se puede ver a partir de un examen de la figura 4A, así como de la figura 1, cuando el pistón 16 se aproxima a su posición de centro muerto inferior sobre la carrera de admisión, el pistón de escape 36 ha pasado hace mucho tiempo su posición de punto muerto inferior
(aproximadamente 100 grados de rotación del eje de cigüeñal medida desde el centro muerto inferior) , mientras que el pistón de admisión 32 habrá pasado también su posición de centro muerto inferior (aproximadamente 80 grados de rotación del eje de cigüeñal medida desde el centro muerto inferior) . Así pues, cuando el pistón motor 16 pasa el centro muerto inferior sobre la carrera de admisión, el pistón de admisión 32 cubre los orificios de admisión 44 para prevenir la admisión adicional de una mezcla de carburante y aire. Con referencia a las figuras 2 y 4B, a medida que el pistón motor 16 se aproxima al centro muerto superior en la carrera de compresión, el pistón de admisión 32 se aproximará también al centro muerto superior (170 grados de rotación del eje de cigüeñal), mientras que el pistón de escape 36 habrá pasado justamente su posición de centro muerto superior (190 grados de rotación del eje de cigüeñal) . Durante una parte substancial de la carrera de compresión, el pistón 16 y los pistones 32, 36 se mueven uno hacia el otro. La mezcla combustible de carburante y aire estará dispuesta dentro de la cámara de combustión 25, y ambos orificios 44, 46 estarán cubiertos. De acuerdo con ello, la bujía de encendido 46 puede encender la mezcla para iniciar la carrera de trabajo. Con referencia ahora a la figura 4C, el pistón motor 16 ha retornado al centro muerto inferior sobre la carrera de trabajo, mientras que el pistón de admisión 32 ha pasado el centro muerto superior (260 grados de rotación del eje de cigüeñal) y el pistón de escape 36 se está aproximando al centro muerto inferior (280 grados de rotación del eje de cigüeñal) , donde el orificio de escape 46 estará descubierto. No obstante, en este punto en el ciclo ambos orificios 44, 46 están cubiertos. Con referencia ahora a las figuras 3 y 4D, el pistón de escape 36 descubre el orificio de escape 46 a medida que se aproxima a su posición de centro muerto inferior, y el pistón motor 16 continúa su movimiento ascendente para dejar escapar gases quemados. Cuando el pistón 16 alcanza de nuevo su posición de centro muerto superior, el pistón de admisión 32 se aproxima a su posición de centro muerto inferior (350 grados de rotación donde el orificio de admisión 44 estará descubierto durante corto espacio de tiempo) , mientras que el pistón de escape 36 acaba de pasar su posición de centro muerto inferior (10 grados de rotación del eje de cigüeñal) , cubriendo de esta manera el orificio de escape 46 y previniendo la descarga adicional de gases a través del orificio de escape 46. Mediante el accionamiento de los pistones 32, 36 con un eje de cigüeñal, los pistones 32, 36 se moverán alternativamente de forma suave, silenciosa y potente dentro de sus cilindros 30, 34 respectivos. Además, debido a que los pistones 32, 36 y el pistón motor 16 se mueven unos hacia los otros sobre la carrera de compresión, la relación de compresión efectiva del motor 10 se incrementa.
Debido a que los pistones 32, 36 y el pistón 16 se mueven separándose uno de otro sobre la carrera de admisión, se creará un vacío excepcional para introducir la mezcla de carburante y aire dentro de la cámara de combustión 25. Debido a que el pistón motor 16 y el pistón de escape 16 se mueven hacia arriba sobre la carrera de escape, se producirá una acción de barrido muy efectiva. Los mecanismos de accionamiento del pistón mostrados en las figuras 5 y 6 proporcionan flexibilidad en la operación de control de los pistones 32, 36. Con referencia ahora a la figura 5, y específicamente con referencia al pistón 36 para fines ilustrativos, el pistón 36 está provisto con un vastago 62 que se proyecta desde su superficie trasera. El vastago 62 está guiado y es desplazable dentro de un casquillo 64 que está rodeado por una placa divisora 66 integral con la culata 28. Una arandela 68 está asegurada al extremo superior del vastago 62 y sirve como un tope para un muelle helicoidal de compresión 70 que rodea al vastago 62 y se apoya con su otro extremo contra la culata 28. El muelle de compresión 70 desvía el pistón 36 hacia una posición retraída o de centro muerto inferior. Un brazo oscilante 74 configurado en forma de L tiene un extremo pivotado en un eje 76 asegurado a la culata 28 y paralelo al eje de cigüeñal 18. El otro extremo del brazo oscilante 74 lleva un rodillo seguidor de leva 78 que va montado en la periferia de una leva 80. La pata corta del brazo oscilante 74 lleva un rodillo 82 que se acopla con el extremo del vastago 62. La leva 80 es girada por un árbol de levas 84 por medio de un accionamiento de sincronización, por ejemplo, un dispositivo de cadena y rueda dentada, tal como las ruedas dentadas 54, 56 y la cadena de accionamiento 58 descrita anteriormente. La leva 80 es girada a la mitad de la velocidad del eje de cigüeñal 18 y es accionada en la misma dirección que el eje de cigüeñal 18. El árbol de levas 84 está articulado en la culata 28 y está paralelo al eje de cigüeñal 18. La leva 80 es un disco circular que está montado descentrado sobre el árbol de levas 84. De acuerdo con ello, el seguidor de levas 78 se moverá hacia arriba y hacia abajo después de la rotación del árbol de levas 84. Cuando el seguidor de leva 78 se mueve a la posición de la leva 80 más próxima al árbol de levas 84, el pistón 36 es desviado por el muelle 70 a su posición totalmente retraída, o centro muerto inferior, como se muestra en la figura 3. Cuando el seguidor de leva 78 se mueve hacia la porción de la leva 80 más alejada del árbol de levas 84, el pistón 36 se mueve a su posición de centro muerto superior mostrada en la figura 1. Los técnicos en la materia apreciarán que la forma de la leva 80 se puede cambiar para controlar el movimiento de los pistones 32, 36, como se pueda desear. Con referencia ahora a la figura 6, se muestra una técnica similar a la mostrada en la figura 5 para accionar el pistón 36. En la forma de realización de la invención ilustrada en la figura 6, un brazo oscilante 100 es giratorio alrededor de un eje 102. El brazo oscilante 100 tiene una primera pata más larga 104 y una segunda pata más corta 106. La pata más corta 106 lleva un rodillo 108 que está en contacto con una leva 110 que es girada por un árbol de levas 112. El funcionamiento de la forma de realización mostrada en la figura 7 es substancialmente similar al de la figura 5, en que la rotación del árbol de levas 112, con rotación consecuente de la leva 110, hará que el brazo oscilante 100 oscile alrededor del eje 102. A su vez, el pistón 36 será movido hacia arriba y hacia abajo dentro del cilindro 30. El tiempo y la extensión de los movimientos ascendente y descendente del pistón 36 dependerán de la forma de la leva 100 que, como se puede ver, es similar a la de la leva 80. Como se deducirá a partir de la descripción precedente, el motor 10 de acuerdo con la invención proporciona un motor de combustión interna de cuatro ciclos que elimina la necesidad de válvulas. Los pistones de admisión y de escape 32, 36 realizan una función de válvula de una manera excesivamente efectiva y silenciosa. Si se selecciona la forma de realización de la invención ilustrada en las figuras 5 y 6, las características de actuación del motor 10 se pueden variar con facilidad simplemente substituyendo levas 80, 110 de diferentes configuraciones. El motor 10 de acuerdo con la invención tiene la ventaja inesperada de incrementar la relación de compresión efectiva del motor debido al pistón motor 16 y a los pistones de admisión y de escape 32, 36 que se mueven uno hacia el otro sobre la carrera de compresión. Debido a que el pistón motor 16 y el pistón de admisión 32 se mueven separándose uno del otro sobre la carrera de admisión, y debido a que el área de la sección transversal de los orificios de admisión 44 es substancialmente mayor que la de una válvula de admisión convencional, es posible un incre ento del flujo en la cámara de combustión 25 en comparación con motores de válvulas convencionales. Un efecto similar es posible sobre la carrera de escape debido al área grande presentada por los orificios de escape 46, y debido al movimiento ascendente del pistón de escape 36 cuando el pistón motor 16 se mueve hacia arriba. Debido al flujo de aire mejorado y a la compresión incrementada del motor de acuerdo con la invención, el motor de acuerdo con la invención es más potente que los motores de tamaño comparable, y produce menos contaminantes. Aunque la invención se ha descrito en su forma de realización preferida con un cierto grado de particularidad, se entenderá que los diversos componentes de la invención y su disposición se pueden modificar dentro del espíritu y alcance de la invención como se reivindica a continuación. Se pretende que la patente cubra, por la expresión adecuada en las reivindicaciones anexas, cualquier grado de novedad patentable que exista en la invención descrita.