WO2016038227A1 - Motor rotativo concéntrico de combustión y refrigeración interna con lóbulos giratorios desplazados axialmente - Google Patents

Motor rotativo concéntrico de combustión y refrigeración interna con lóbulos giratorios desplazados axialmente Download PDF

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José GARCÍA LUNA
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García Luna José
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    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/30—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F01C1/40—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member
    • F01C1/44—Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member with vanes hinged to the inner member
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    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/022—Adding fuel and water emulsion, water or steam
    • F02M25/025—Adding water
    • F02M25/03—Adding water into the cylinder or the pre-combustion chamber

Definitions

  • the rotary and concentric rotary lobe motor with axial displacement that is described, is placed, within the paradigm of the rotary motors, of four times and of internal combustion, in the class of scissors effect motors.
  • Wankel eccentric motor which as is known, is constituted by a rotary piston of eccentric movement with planetary action, so that the mobile part besides turning, describes a movement of translation around the motor axis, following an epicycloid the vertices of the rotor.
  • Fig. 1 represents the external housing which is an immobilized element, without the covers to see it better.
  • Fig. 2 shows the covers of the casing of the previous figure, to which they are screwed, with which all the mobile elements of the motor are closed in their interior.
  • Fig. 3 represents the drive shaft, integral with the combustion chambers.
  • Fig. 4 represents the pairs of lobes that extend and contract when the drive shaft rotates and on their axes, in which they are engaged, both form the rotating elements or rotor.
  • Fig. 5 depicts the drive shaft with the chambers and the sealing elements interspersing the lobes.
  • Fig. 6 represents the assembly of the engine without the top cover to see how the moving part and the fixed part are located, as well as, the lobes are opened when turning.
  • the following is an implementation case in which two cavities (5 and 6) have been designed in the housing ( Figure 1) and three chambers (13) in the drive shaft ( Figure 3), with their pairs of lobes (Fig. 4), as rotating elements, as can be seen in the full view of fig. 6
  • the motor consists of a fixed element that forms the housing (Fig. 1) that is supported by a bench or fixed support, which is why we will call it a stator, which has an oval shape (Fig. 1), to contain the cavity. expansion (6) and compression cavity (5), where said processes are performed; there is also the expansion retaining element (1), which retains one of the lobes (Fig. 4), so that only one of the lobes (Fig. 4) will expand when passing through the expansion cavity (Fig. 6); In the same way, the compression retaining element (2) does the same function, but it retains the opposite lobe (Figure 4), in this way only the corresponding lobe will expand depending on the cavity through which it passes ( Figure 6).
  • this housing is screwed to the covers (Fig. 2), a lower cover (12), with its bearing (11) and an upper cover (9), with its bearing (10) for the revolving support of the drive shaft.
  • the moving element located inside the stator ( Figure 1), has a rotating movement so we will call it a rotor ( Figure 3), both stator and rotor are concentric (fig 6).
  • the rotor consists of a drive shaft (15), such that, solidary to it, there are the cameras, which consist of the covers (16), of the cylindrical walls of the chambers (13) and in its periphery three axes (14), parallel to the motor axis and in which pairs of lobes rotate opposing pairs (Fig.
  • each lobe consists of two vanes (20) that fit in the upper and lower parts of the axes (14) by means of respective bores (18) and said vanes are joined together by the cylindrical walls of the lobes (19), the axial displacement (17) allows that only one lobe can open, at the same time that the other lobe is impeded in its tendency to open up by a retaining element ( Figure 6).
  • the rotor ( Figure 3) has three pairs of lobes in its three axes (14), which are embedded in the filling elements (21), which occupy the sealing holes ( Figure 5), in this way , the lobes can expand or contract, forming a cylinder, but without letting the gases escape, until they reach the exhaust slot (3).
  • each pair of lobes passes through an area of expansion (6) and compression (5), so that the lobe of understanding, will open when entering the area of admission (5) to compress the air-fuel mixture that has entered through the intake groove (4), then to close, due to the oval shape of the housing (fig, 1), and while keeping the other lobe retained by the compression retainer (2); in the combustion zone (6) the expansion lobe will open to be pushed by the expansion of the burned gases, and then contract due to the geometry of the expansion zone (6), and at the same time the other lobe will remain contracted because the retainer (1) forces it to do so, and thus allow in this phase of the rotation, the expulsion of the gases through the ejection slot (3).
  • the cooling of the engine is internal, that is, it is done by injecting water sprayed, like fuel, but with independent injectors, in this way two important objectives are achieved: on the one hand, the manufacture of the engine is greatly simplified and another, the waste heat generated by the engine itself is used in its operation.
  • the change from fuel injection to water injection is carried out by the electronic engine control system, which monitors the engine temperature at all times and switches between fuel or water injection, depending on the temperature reached; these temperature limits are adjusted empirically in each design.

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Abstract

Dentro del paradigma de los motores rotativos, de cuatro tiempos y de combustión interna, en la presente invención, se describe un motor de la clase de motores de efecto de tijeras. Consta de un rotor con un eje, al cuál, van adheridas las cámaras de combustión, así como, pares de lóbulos giratorios independientes, pero solidarios por sus ejes a dicho rotor y desplazados axialmente, de forma, que al girar, realizan un movimiento de efecto de tijera y ello, confinado dentro de una carcasa, con espacios volumétricos, para permitir la expansión y la compresión, así como la expansión y expulsión, al mismo tiempo que consta de elementos retenedores, para controlar la apertura o no de los lóbulos giratorios.

Description

Descripción
Motor rotativo concéntrico de combustión y refrigeración interna con lóbulos giratorios desplazados axialmente.
El motor rotativo concéntrico y de lóbulos giratorios, con desplazamiento axial que se describe, se sitúa, dentro del paradigma de los motores rotativos, de cuatro tiempos y de combustión interna, en la clase de motores de efecto de tijeras.
Las ventajas de los motores de combustión interna rotativos, sobre los de movimiento alternativo, son entre otras, su economía de construcción, su ligereza de peso, la robustez de su simplicidad mecánica, la suavidad de funcionamiento, el no tener detonaciones ni autoencendidos, por lo que es susceptible de utilizar combustibles de menor índice de octano y por tanto de una gran variedad de sustancias combustibles.
Dentro de los motores rotativos, el que más se ha extendido en la técnica es el motor excéntrico tipo Wankel, que como es sabido, está constituido por un pistón rotativo de movimiento excéntrico con acción planetaria, de forma que la parte móvil además de girar, describe un movimiento de traslación alrededor del eje del motor, siguiendo una epicicloide los vértices del rotor. La
excentricidad y asimetría de construcción, le confiere vibraciones y desgastes acelerados de estanqueidad. Por otra parte, necesita mantenerse en funcionamiento a alta velocidad, ya que el par motor cae vertiginosamente cuando la velocidad disminuye, por lo que el consumo de combustible es elevado.
Otro tipo de motores rotativos son los de bloques que giran, como en Pat.
USA N° 6.164.263 , en el cual se desplazan unos émbolos giratorios, limitados por un contorno y unas tapas, en cuyo interior se desplazan, de forma que se producen variaciones de volumen que permiten la compresión y expansión de los gases. En dichos motores no se han conseguido obtener la potencia y rendimientos adecuados a un motor actual.
Por último se encuentran los motores de tipo efecto de tijeras de paletas, como en el caso de la Pat. Española N° 530775 , en la cual se describe un motor de éste tipo. En dicho motor, al producirse la explosión, se equilibrarían las fuerzas ejercidas en ambos álabes, con lo que no se produciría desplazamiento giratorio del rotor hasta la expulsión de los gases y por tanto quedaría inmovilizado.
En el diseño de este motor, se han reunido características que por un lado permiten una fabricación económica y de durabilidad, utilizando muy pocas piezas distintas y fáciles de fabricar y a base de materiales resistentes, duraderos y económicos, como laminados industriales en acero inoxidable preferentemente, aunque en cada caso dependerá de su aplicación; y por otro lado se ha orientado su diseño a hacer un funcionamiento lo más eficiente posible, de manera que la refrigeración del mismo, es decir, la evacuación del calor que su propio funcionamiento genera, se hace, inyectando agua pulverizada en su interior, al igual que el combustible, de forma que el vapor así producido permite el aprovechamiento de éste calor en trabajo motriz. Esto permite elevar el rendimiento del mismo en un alto porcentaje respecto a los motores convencionales alternativos.
Para fijar ¡deas, describiremos concretamente las características del motor que se reivindica, con referencia a las figuras adjuntas, las cuales corresponden únicamente a una forma concreta de ejecución del motor, y consiguientemente sin carácter alguno limitativo, las cuales se presentan a título de ejemplo de realización con el fin indicado, ya que por la forma, dimensiones y materiales con que se fabriquen los motores serán los que se estimen mas convenientes para la aplicación concreta de que se trate, sin que tales variaciones , así como las que se puedan hacer en detalles de presentación u organización, afecten a la esencialidad reivindicada, por lo que los motores que se fabriquen con la ¡dea general reseñada y cualquiera de estas modificaciones, no serán sino vanantes igualmente comprendidas y protegidas por el presente registro.
La Fig. 1 representa la carcasa externa que es un elemento inmovilizado, sin las tapas para verlo mejor.
La Fig. 2 representa las tapas de la carcasa de la figura anterior, a la cual van atornilladas, con las cuales se cierran en su interior todos los elementos móviles del motor.
La Fig. 3 representa el eje motriz, solidario con las cámaras de combustión.
La Fig. 4 representa los pares de lóbulos que se extienden y contraen al girar el eje motriz y sobre sus ejes, en los que van encajados, ambos forman los elementos giratorios o rotor.
La Fig. 5 representa el eje motriz con las cámaras y los elementos de estanqueidad que intercalan los lóbulos.
La Fig. 6 representa el conjunto del motor sin la tapa superior para ver como va situado la parte móvil y la fija, así como, se abren los lóbulos al girar. A continuación se describe un caso de implementación en el cual se han diseñado dos cavidades (5 y 6) en la carcasa (fig. 1 ) y tres cámaras (13) en el eje motriz (fig. 3), con sus pares de lóbulos (fig. 4), como elementos giratorios, como puede apreciarse en la vista completa de la fig. 6 .
El motor consta de un elemento fijo que forma la carcasa (fig. 1 ) que está sustentado a una bancada o soporte fijo, por lo cual le llamaremos estator , la cual tiene forma ovalada (fig. 1 ), para contener a la cavidad de expansión (6) y la cavidad de compresión (5), donde se realizan dichos procesos; también se encuentra el elemento retenedor de expansión (1 ), el cual retiene a uno de los lóbulos (fig. 4), para que sólo se expanda uno de los lóbulos (fig. 4) cuando pasen por la cavidad de expansión (fig. 6); del mismo modo, el elemento retenedor de compresión (2), hace la misma función, pero éste retiene al lóbulo contrario (fig. 4), de esta forma sólo se expandirá el lóbulo correspondiente dependiendo de la cavidad por donde pase (fig. 6); además consta de la ranura de expulsión (3), que es por donde se expulsan los gases resultantes de la combustión y de la ranura de admisión (4) que es por donde entra la mezcla de combustible y aire para su compresión; también se encuentra la bujía (7) y el calentador (8) para facilitar las igniciones. Además ésta carcasa va atornillada a las tapas (fig. 2), una tapa inferior (12), con su cojinete (11 ) y una tapa superior (9), con su cojinete (10) para la sustentación giratoria del eje motriz.
El elemento móvil, situado en el interior del estator (fig. 1 ), tiene un movimiento giratorio por lo que lo llamaremos rotor (fig. 3), ambos, estator y rotor son concéntricos (fig 6). El rotor consta de un eje motriz (15), tal que, solidario a él, se encuentran las cámaras, que constan de las tapas (16), de las paredes cilindricas de las cámaras (13) y en su periferia tres ejes (14), paralelos al eje motriz y en los cuales giran pares de lóbulos contrapuestos ( fig. 4), estos pares de lóbulos contrapuestos dos a dos están desplazados en sentido axial (17), de forma que realizan en su movimiento un efecto tijera (22), con objeto de que puedan girar independientemente, cada lóbulo consta de dos álabes (20) que encajan en la parte superior e inferior de los ejes (14) mediante sendos taladros (18) y dichos álabes están unidos entre sí por las paredes cilindricas de los lóbulos (19), el desplazamiento axial (17) permite que sólo un lóbulo puede abnrse, al mismo tiempo que el otro lóbulo es impedido en su tendencia a abnrse por un elemento retenedor (fig. 6). El rotor ( fig. 3), tiene acoplados tres pares de lóbulos en sus tres ejes (14), los cuales están incrustados en los elementos de relleno (21 ), que ocupan los huecos de estanqueidad (fig. 5), de esta forma, los lóbulos pueden expandirse o contraerse, formando un cilindro, pero sin dejar que escapen los gases, hasta llegar a la ranura de escape (3).
En cada giro ( fig. 6), cada par de lóbulos pasa por una zona de expansión (6) y otra de compresión (5), de forma que el lóbulo de comprensión, se abrirá al entrar en la zona de admisión (5) para comprimir la mezcla del aire-combustible que ha entrado a través de la ranura de admisión (4), para luego ir cerrándose, debido a la forma ovalada de la carcasa ( fig, 1 ), y mientras se mantiene retenido el otro lóbulo por el retenedor de compresión (2); en la zona de combustión (6) el lóbulo de expansión se abrirá para ser empujado por la expansión de los gases quemados, para luego contraerse debido a la geometría de la zona de expansión (6), y al mismo tiempo el otro lóbulo permanecerá contraído debido a que el retenedor (1 ) le obliga a ello, y así permitir en esta fase del giro, la expulsión de los gases por la ranura de expulsión (3).
De ésta forma, en cada giro del rotor, se producen tres procesos continuos de admisión - compresión - explosión - expansión - expulsión, uno por cada par de lóbulos del rotor, lo que permite desarrollar más potencia a bajas revoluciones y obtener motores de baja relación peso / potencia, es decir, motores muy ligeros y potentes.
La refrigeración del motor es interna, es decir, se realiza inyectando agua pulverizada, al igual que el combustible, pero con inyectores independientes, de ésta forma se consiguen dos objetivos importantes: por un lado se simplifica en gran medida la fabricación del motor y por otro, se aprovecha el calor residual generado por el propio motor en su funcionamiento. El cambio de inyección de combustible a inyección de agua, lo realiza el sistema electrónico de control del motor, el cual, monitoriza en cada momento la temperatura del motor y conmuta entre inyección de combustible o de agua, según la temperatura alcanzada; éstos límites de temperatura se ajustan empíricamente en cada diseño.

Claims

Reivindicaciones
1. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, y con refrigeración interna por inyección de agua, constituido por los elementos fijos de la carcasa, que consta de sus dos tapas (9 y12), con sus cojinetes (10 y 11 ) y un cuerpo ( fig. 1 ), que consta de cavidades de compresión (5) y expansión (6), así como de ranuras de admisión (4) y de expulsión (3), además de elementos de retención en la compresión (2), como en la expansión (1 ), así como elementos de ignición como bujías (7) y calentadores (8). Los elementos móviles giratorios, están constituidos por el eje motriz (15), solidario con las tapas de las cámaras (16), los elementos de relleno de los huecos (21 ), las paredes de las cámaras (13) y los ejes de los lóbulos (14), a éstos ejes van acoplados los pares de lóbulos ( fig. 4), los cuales tienen un desplazamiento axial (17) con el fin de permitir el solapamiento y realizar movimientos de efecto tijeras (22) y están constituidos cada lóbulo por dos álabes (20), en los cuales se aloja un taladro (18), para acoplarse a los ejes (14) de las cámaras y unidos por una pared cilindrica (19).
2. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicación anterior, caracterizado por disponer de pares de lóbulos contrapuestos ( fig. 4), desplazados en sentido axial (17) y superpuestos los álabes (20) de cada uno, de forma que al girar, realizan un efecto tijeras entre ellos y unidos por paredes cilindricas (19), perpendiculares a los álabes (20).
3. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de pares de lóbulos (fig. 4), de giro independiente y limitado éste giro por elementos retenedores ( 1 y 2 ), que impiden que se abran en su giro debido a la fuerza centrífuga o bien limitado dicho giro por el contorno de las cavidades ( 5 y 6 ) de la carcasa.
4. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de un eje motriz (15) concéntrico con la carcasa ( fig. 1 ) y solidario a dicho eje las cámaras (13) de combustión y uno o varios ejes (14), paralelos a él, dónde se sustentan los pares de lóbulos ( fig. 4), descritos en la reivindicación n° 2 .
5. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de refrigeración interna a base de la inyección de sustancias refrigerantes, como agua por ejemplo, que absorban el calor generado por el funcionamiento del mismo y controlado por medio de un sistema electrónico que detecte la temperatura, para saber conmutar entre la inyección de refrigerante cuando supere cierta temperatura e inyectar combustible cuando se baje de cierta temperatura.
6. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de una o varias ranuras de admisión (4), y otra o varias ranuras de expulsión (3), situadas en la pared lateral de la carcasa ( fig. 1 ), que forma el elemento estático del motor.
7. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de elementos de estanqueidad (21 ), los cuales, permiten incrustar los álabes (20) de los lóbulos ( fig. 6 ) y al mismo tiempo, permitir el giro de los lóbulos ( fig. 5).
8. - Motor rotativo de combustión interna de cuatro tiempos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado por disponer de elementos para precalentar el agua de refrigeración, así como los combustibles que utiliza, según sus características, con los gases de escape del mismo.
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