WO2012159637A2 - Motor de ciclo dividido - Google Patents

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WO2012159637A2
WO2012159637A2 PCT/EC2012/000023 EC2012000023W WO2012159637A2 WO 2012159637 A2 WO2012159637 A2 WO 2012159637A2 EC 2012000023 W EC2012000023 W EC 2012000023W WO 2012159637 A2 WO2012159637 A2 WO 2012159637A2
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Inventor
carlos BACOLLA CARLOS RUBEN
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Bacolla Carlos Ruben Carlos
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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B33/00Engines characterised by provision of pumps for charging or scavenging
    • F02B33/32Engines with pumps other than of reciprocating-piston type
    • F02B33/34Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps
    • F02B33/36Engines with pumps other than of reciprocating-piston type with rotary pumps of positive-displacement type

Definitions

  • the present invention relates to a "split-cycle engine", for transforming thermal energy into mechanical energy, applied in the automotive field or other uses.
  • the specific objective of the invention is based on a "split cycle engine", with a simple mechanism of high mechanical performance, in the which has the operative stages of: 1) admission - compression, by using a positive displacement compressor; 2) combustion and / or heat exchange, in an external chamber; and 3) expansion - exhaust, by means of another compressor or motor or positive displacement pump, which completes the four-stroke cycle and also the three components are separated, allowing the different stages to be sized and sequenced to achieve the best results The transformation.
  • Figures 1, 2, 3 and 4 illustrate the conventional internal combustion engine at different stages of the cycle, whose components indicated according to Figure 1 are:
  • Figure 1 represents the intake stage
  • Figure 2 the compression and combustion stage
  • Figure 3 the expansion stage
  • Figure 4 the exhaust stage where the product gases are expelled of combustion
  • FIG 5 illustrates the conventional internal combustion engine cycle where:
  • Chamber 16 in compression stage with valve 6 inlet to chamber 7 closed.
  • Chamber 17 expanding hot gases with the outlet valve 10 of chamber 7 open.
  • Chamber 18 expelling gases from the previous cycle.
  • Chamber 16 ending the compression stage with the inlet valve 6 to the chamber 7 open.
  • Chamber 17 ending the expansion of hot gases with the outlet valve 10 of chamber 7 closed.
  • Chamber 18 ending the expulsion of gases from the previous cycle.
  • Chamber 16 starting the compression stage with the inlet valve 6 to chamber 7 closed ⁇
  • Chamber 7 in combustion stage and 17 beginning the expansion of hot gases with the outlet valve 10 of chamber 7 open.
  • This same engine with the same operating sequence can be multiplied and connected in parallel, offsetting it by 360 ° by dividing the number of motors in parallel to standardize the engine cup.
  • the cycle is produced by a suction stage, the volume of which is defined according to the design of the cycle to be obtained, the intermediate combustion chamber and / or heat exchange with an external source that will be designed according to the cycle to be obtained, and finally an expansion and motor stage, which will also have displacement according to the cycle that is desired ( Figures 6 a, 6b and 6c).
  • a suction stage the volume of which is defined according to the design of the cycle to be obtained
  • the intermediate combustion chamber and / or heat exchange with an external source that will be designed according to the cycle to be obtained
  • an expansion and motor stage which will also have displacement according to the cycle that is desired
  • the stages of the cycle would be the following:
  • a positive displacement machine such as a compressor, pump or motor can be started.
  • Both rotor and piston combined in such a way to have a compression stage generally of less displacement than the expansion stage, fulfilling a relationship according to the cycle to be developed, having an intermediate combustion chamber or externally heat exchange, Figure 6a, 6b and 6c.
  • the compressor and / or motor can be mounted on the same shaft or connected with a gear system, chains or other transmission system.
  • valves will be controlled by cam shafts related to the axis of the compressor or motor to which it corresponds.
  • the theoretical cycle begins with an aspiration at atmospheric pressure in a volume equal to that of the aspiration stage, continues with the compression of said air mass without heat exchange with the outside or with the minimum possible (adiabatic or polytropic compression), said compressed air will enter the intermediate chamber where it will be heated by fuel injection and combustion by ignition, in its replacement or additionally, by exchanging heat with an external source; this heating will occur at constant pressure ( Figure 7) or constant volume ( Figure 8) or intermediate, depending on the design of the thermal cycle that is performed. Simultaneously with heating, the entrance to the expansion stage of the same amount of air mass or mixture as that entered into the intermediate chamber will be admitted, then continuing an approximately adiabatic expansion of said gases to atmospheric pressure if possible, and then expel it at atmospheric pressure.
  • This same engine can operate with a cycle like the one shown in figure 7 but connecting several compressors and sequenced engines, to the same combustion chamber and / or heat exchange.
  • the gases in the combustion chamber and / or heat exchange will be maintained at a constant pressure.
  • the mass of air or gases entered from the intermediate chamber will be limited, closing the entry of hot gases to the expansion stage when a mass of gases equivalent to the aspirated one has entered it, otherwise the cycle would be interrupted.
  • the cycle that would develop the fluid in the engine is the one represented in Figure 7 described above.

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Abstract

Motor de ciclo dividido, en donde comprende al menos dos máquinas rotativas de desplazamiento positivo, autonómas y dispuestas en forma paralelas entre sí, preferentemente un compresor para etapas de admisión-compresión y un motor rotativo para la expansión-escape, ambas máquinas contienen un rotor rodante en el interior de una carcasa y además una paleta deslizante de movimiento vaivén alternativo cooperante al contacto con dicho rotor definiendo cámaras circunferenciales operativas de adimisión-comprensión y escape; también ambas máquinas están vinculadas operativamente a través de conductos de conexión con válvulas de apertura- cierre de circulación del flujo de fluido a por lo menos una cámara intermedia de combustión externa que incluye medios de ignición ó inyección de combustible.

Description

MOTOR DE CICLO DIVIDIDO
1) TÍTULO Y CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un "Motor de ciclo dividido", de transformación de la energía térmica en energía mecánica, aplicada en el campo automotriz u otros usos.
2) ESTADO DE LA TÉCNICA Y PROBLEMAS A SOLUCIONAR
En general y como es sabido que uno de los problemas de los motores de combustión interna de desplazamiento positivo actualmente utilizados, realizan la aspiración de aire de la atmósfera, lo comprimen, se calienta por combustión y luego se expande hasta el volumen de desplazamiento del cilindro motor, que es fijo e igual al de admisión (Figura 1), por lo tanto no se expande hasta la presión atmosférica sino hasta una presión superior a ella, restando en el fluido energía de presión que no es aprovechada. Mediante este invento se trata de aprovechar esa energía remanente, mejorar la circulación del fluido, mejorar las condiciones de combustión, admitir el intercambio de calor con otra fuente externa.
El movimiento del fluido y la combustión en los motores de combustión interna actualmente utilizados, es fuertemente intermitente, por lo que el llenado y vaciado de los volúmenes en juego se dificulta y como también tenemos combustiones imperfectas, mediante este invento se trata de atenuar este efecto haciendo que el flujo circulé siempre en el mismo sentido.
3) OBJETO DE LA INVENCIÓN
Partiendo del estado actual y el arte previo de la técnica mencionado precedentemente, el objetivo concreto del invento se basa en un "Motor de ciclo divido", con un mecanismo simple de alto rendimiento mecánico, en el cual tiene las etapas operativas de: 1) admisión - compresión, mediante la utilización un compresor de desplazamiento positivo; 2) combustión y/o intercambio de calor, en una cámara externa; y 3) expansión - escape, mediante otro compresor ó motor ó bomba de desplazamiento positivo, el cual completa el ciclo de cuatro tiempos y además los tres componentes están separados, lo que permite dimensionar y secuenciar adecuadamente las diferentes etapas para lograr los mejores resultados de la transformación.
4) DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Las figuras 1 , 2, 3 y 4, ilustran el motor de combustión interna convencional en distintas etapas del ciclo, cuyos componentes indicados según la figura 1 son:
1. Cilindro único y pistón accionado mediante cigüeñal y biela manivela.
2. Conducto y válvula de admisión.
3. Bujía de ignición ó inyector de combustible.
4. Conducto y válvula de escape
Además la figura 1 representa la etapa de admisión, la figura 2 la etapa de compresión y combustión, la figura 3 la etapa de expansión, generadora de trabajo mecánico (potencia) y la figura 4 la etapa de escape en donde se expulsa los gases producto de la combustión.
En la Figura 5 se ilustra el ciclo del motor de combustión interna convencional donde:
1. Carrera de admisión de aire ó mezcla combustible a presión atmosférica con la válvula de admisión abierta y válvula de escape cerrada.
2. Carrera de compresión con ambas válvulas cerradas.
3. Combustión a presión constante (Ciclo Otto) o volumen constante (Ciclo Diesel).
4. Expansión de los gases quemados hasta el volumen inicial y carrera de trabajo. 5. Escape de gases quemados a volumen constante con válvula de escape abierta.
6. Desplazamiento de gases quemados a presión atmosférica.
En las figuras 6a, 6b y 6c, ilustran el "Motor", de cuatro tiempos, motivo de la invención, en distintas etapas del ciclo. Los componentes del motor, indicados en la figura 6a son:
1. Compresor rotativo para la admisión y compresión.
2. Carcasa (estator).
3. Rotor.
4. Conducto de admisión.
5. Conducto de conexión con la cámara intermedia de combustión y/ó intercambio de calor.
6. Válvula de apertura- cierre a la circulación del fluido.
7. Cámara externa intermedia de combustión y/ó intercambio de calor.
8. Bujía de ignición y/ó inyector de combustible.
9. Conducto de conexión con la etapa de generación de trabajo.
10. Válvula de apertura- cierre a la circulación del fluido.
11. Motor rotativo para la expansión y generación de trabajo.
12. carcasa (estator) .
13. Rotor.
4. Conducto de escape.
15. Cámara de admisión
16. Cámara de compresión
•17. Cámara de expansión
18. Cámara de escape
19. Paleta
20. Eje del compresor
21. Eje del motor
A= Admisión
E= Escape > La figura 6a, ilustra el motor en la siguiente situación operativa:
■ Cámara 15: en etapa de admisión
■ Cámara 16: en etapa de compresión con la válvula 6 de entrada a la cámara 7 cerrada.
■ Cámara 17: en expansión de gases calientes con la válvula 10 de salida de la cámara 7 abierta.
■ Cámara 18: expulsando los gases del ciclo anterior.
> La figura 6b, ilustra el motor en la siguiente situación operativa:
■ Cámara 15: finalizando la etapa de admisión.
■ Cámara 16: finalizando la etapa de compresión con la válvula 6 de entrada a la cámara 7 abierta.
■ Cámara 17: finalizando la expansión de gases calientes con la válvula 10 de salida de la cámara 7 cerrada.
■ Cámara 18: finalizando la expulsión de los gases del ciclo anterior.
> La figura 6c, ilustra el motor en la siguiente situación operativa:
■ Cámara 15: iniciando la etapa de admisión
■ Cámara 16: iniciando la etapa de compresión con la válvula 6 de entrada a la cámara 7 cerrada^
Cámara 7: en etapa de combustión y 17 iniciando la expansión de gases calientes con la válvula 10 de salida de la cámara 7 abierta.
Cámara 18 iniciando la expulsión los gases del ciclo anterior.
Este mismo motor con la misma secuencia operativa se pueden multiplicar y conectar en paralelo desfasándolo en 360° dividido el número de motores en paralelo para uniformar la cupla motriz.
En las Figuras 7 y 8, se ilustran el ciclo del "Motor" motivo de la invención, donde: 1. Carrera de admisión de aire ó mezcla combustible a presión atmosférica.
2. Carrera de compresión y apertura de válvula de conexión con cámara intermedia al equipararse las presiones.
3. Combustión a presión constante (Figura 7) ó volumen constante (Figura 8). Dependiendo esto del tiempo de combustión.
4. Expansión de los gases caliente hasta el volumen final de la carrera de trabajo.
5. Escape de gases quemados a presión aproximadamente atmosférica.
6. Desplazamiento de gases quemados a presión atmosférica.
7. Trabajo ganado en relación al ciclo convencional.
5) PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
El ciclo se produce mediante una etapa de aspiración, cuyo volumen se define de acuerdo al diseño del ciclo que se desea obtener, la cámara intermedia de combustión y/o intercambio de calor con una fuente externa que se diseñará de acuerdo al ciclo a obtener, y por último una etapa de expansión y motora, que tendrá también cilindrada acorde al ciclo que se desea obtener (Figuras 6 a, 6b y 6c). Justamente una de las virtudes de la invención es la flexibilidad para el diseño del ciclo a desarrollar.
Las etapas del ciclo serían las siguientes:
1. Aspiración de aire de la atmósfera según la cilindrada de la etapa de aspiración.
2. Compresión del aire aspirado con una transformación aproximadamente adiabática.
3. Cuando el aire en la compresión alcanza la presión del aire acumulado en la cámara intermedia ingresa en ella, impulsado por la propia etapa de compresión.
4. En la cámara intermedia se calentará hasta la temperatura predefinida, mediante combustión y/o intercambio de calor. 5. Simultáneamente al paso anterior se admitirá el ingreso a la etapa de expansión de la masa de aire o mezcla de combustión procesado en ella, generándose trabajo. En esta etapa de expansión se limitará la masa de aire ingresada desde la cámara intermedia, cerrándose el ingreso de gases calientes en la etapa de expansión cuando haya ingresado en ella una cantidad de gases predefinida.
6. Se continúa expandiendo el aire o mezcla con gases de combustión en la etapa de expansión hasta alcanzar el escape, cuya presión final deberá ser aproximadamente la atmosférica, para lograr el mayor rendimiento en el ciclo.
Para lograr el ciclo definido anteriormente se puede partir de una máquina de desplazamiento positivo como un compresor, bomba ó motor. Tanto sea de rotor como de émbolo, combinados de tal manera de disponer de una etapa de compresión generalmente de menor desplazamiento que la etapa de expansión, cumpliendo una relación acorde al ciclo a desarrollar, disponiendo en forma intermedia externa de una cámara de combustión ó de intercambio de calor, Figura 6a, 6b y 6c.
El compresor y/ó motor pueden estar montados sobre el mismo eje ó conectados con un sistema de engranajes, cadenas u otro sistema de transmisión.
Las válvulas serán comandadas por árboles de leva relacionados con el eje del compresor o motor al que corresponda.
El ciclo teórico, representado en la Figura 7 y 8, se inicia con una aspiración a presión atmosférica en un volumen igual al de la etapa de aspiración, continúa con la compresión de dicha masa de aire sin intercambio de calor con el exterior ó con el mínimo posible (compresión adiabática ó politrópica), dicho aire comprimido ingresará a la cámara intermedia donde se calentará mediante la inyección de combustible y combustión mediante ignición, en su reemplazo ó adicionalmente, mediante el intercambio de calor con fuente externa; este calentamiento se producirá a presión constante (Figura 7) ó volumen constante (Figura 8) ó intermedio, dependiendo del diseño del ciclo térmico que se realice. En forma simultánea al calentamiento se admitirá el ingreso a la etapa de expansión de igual cantidad de masa de aire ó mezcla que la ingresada a la cámara intermedia, continuando luego una expansión aproximadamente adiabática de dichos gases hasta la presión atmosférica en lo posible, para luego expulsarlo a presión atmosférica.
Este mismo motor puede operar con un ciclo como el representado en la figura 7 pero conectando varios compresores y motores secuenciados, a una misma cámara de combustión y/ó intercambio de calor. De esta manera los gases en la cámara de combustión y/ó intercambio de calor se mantendrán a una presión constante. También en este caso, en la etapa de expansión, se limitará la masa de aire ó gases ingresados desde la cámara intermedia, cerrándose el ingreso de gases calientes a la etapa de expansión cuando haya ingresado en ella una masa de gases equivalente a la aspirada, en caso contrario se interrumpiría el ciclo. En este caso el ciclo que desarrollaría el fluido en el motor es el representado en la figura 7 descrito anteriormente.

Claims

REIVINDICACIONES
Habiendo descrito y especificado la naturaleza y alcance de la invención, se declara reivindicar como de exclusivo derecho y propiedad:
1) Motor de ciclo dividido, caracterizado por comprender al menos dos máquinas rotativas de desplazamiento positivo, autónomas y dispuestas en forma paralelas entre sí, preferentemente un compresor para la etapas de admisión-compresión y un motor rotativo para la expasión- escape, ambas máquinas contienen un rotor rodante en el interior de una carcasa y además una paleta deslizante de movimiento vaivén alternativo cooperante al contacto con dicho rotor definiendo cámaras circunferenciales operativas de admisión- compresión -expansión y escape; también ambas máquinas están vinculadas operativamente a través de conductos de conexión con válvulas de apertura - cierre de circulación del flujo de fluido a por lo menos una cámara intermedia de combustión externa que incluye medios de ignición ó inyección de combustible.
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