WO2017011927A1 - Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna de cuatro tiempos con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con doble función de admisión y escape; y que pueden ser accionadas electrónicamente - Google Patents

Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna de cuatro tiempos con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con doble función de admisión y escape; y que pueden ser accionadas electrónicamente Download PDF

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Definitions

  • An internal combustion engine converts a part of the heat produced by the combustion of the fuel into work.
  • the main engine parts are the block, cylinder, crankshaft, connecting rod, piston, cylinder head, valves, camshaft and the injector system.
  • the engines have 4 cylinders, each cylinder has valves for the admission of air and the escape of burnt gases;
  • the camshaft opens and closes them at the appropriate times and must be in optimal coordination with the movement of the piston.
  • the ratio between air and ideal fuel depends on the type of fuel;
  • the mixture can be poor or rich in fuel.
  • spark ignition engines that most have a multipoint injection system with an independent electronic fuel injector for each cylinder.
  • the electronic injection is controlled by a computer that calculates the moment to inject the fuel according to the data that it obtains from the different sensors, managing to improve the engine power and reduce the emissions to the atmosphere.
  • Valvetronic allows you to control the length of the valve stroke or valve opening that is intended to control the filling of the engine cylinders by means of a variable valve stroke.
  • BMW "The engine will run more efficiently and immediately thanks to the elimination of pumping losses and air flow disturbances caused by the conventional butterfly valve. With this system, air circulates freely through the intake manifold and the VALVETRONIC system precisely regulates the amount of air entering the cylinders.
  • the DUAL WT-i system regulates the opening moment of the intake valves and the closing moment of the exhaust valves, to obtain a convenient crossing or overlap of valves according to the conditions required by the engine, acceleration, temperature of the engine and several more data analyzed by the computer.
  • the objective is to take advantage of the speed of incoming gases at high revolutions, which helps to introduce an additional amount of the mixture of air and fuel into the cylinder even when the valve remains open when the piston has started the return stroke.
  • Figure 1 It is a graphic representation of the invention, its location with respect to the internal combustion engine and some of its components.
  • Figure 2 is a graphic representation of the invention where the components of the gas exchange chamber are observed.
  • Figure 3 represents the admission time in an engine using the present invention.
  • Figure 4 depicts the compression time in an engine using the present invention.
  • Figure 5 represents the explosion time in an engine using the present invention.
  • Figure 6 depicts the exhaust time in an engine using the present invention. Detailed description of the invention
  • the present invention allows the admission and escape of the gases to the combustion chamber through the same set of valves, making both the filling and the emptying of the cylinder more efficient since the channel through which the gases circulate without depending on the inlet gas velocity at high speed regimes.
  • VALVE SYSTEM Another "main" intake-exhaust series (MAIN VALVE SYSTEM) towards the cylinder which can comprise connection channels in the entire circle or surface of the upper area of East.
  • the gas circuit is as follows: From the gas intake system (intake duct) the mixture of air and fuel enters the gas exchange chamber and from there enters the combustion chamber through a set of valves or "main valve system” that directly connects the latter with the combustion chamber where they participate in the combustion process; then the gases leave through the same main valve system towards the gas exchange chamber and then out through the exhaust duct.
  • the main valve system In the intake, the main valve system is open and the intake valve of the gas exchange chamber is opened allowing the mixture of air to enter the combustion chamber, after filling the cylinder the main valve system is closed and Admission
  • the escape time begins with the opening of the main valve system of the combustion chamber and the opening of the exhaust valve of the gas exchange chamber to expel the gases produced by combustion, at the end of the time only the scape valve.
  • the main valve system can be operated by means of a high frequency electronic system that will allow computational control of the moment and duration (with respect to the piston stroke inside the cylinder) of the opening of the set of valves that open the way to the combustion chamber .
  • the invention is a gas intake and exhaust system that has most of its elements in the engine head. Graphical representations are made in reference to cross section of a cylinder of an engine.
  • the gas exchange chamber (1) is located on the main part of the engine (7). Inside the gas exchange chamber (1) an intake valve (9) for the entrance of the mixture of air and fuel (12) to the system, a main valve system (11) that allows the passage of gases between the gas exchange chamber (1) and the combustion chamber (14), and an exhaust valve (10) that allows the burned gases (13) to leave the system.
  • the intake (9) and exhaust valves (10) can be mechanically actuated by cam system (3).
  • a computer (4) that receives position information on the pistons (8) in each engine cylinder from a position sensor (5) from the flywheel of the engine crankshaft (6) and that drives the electrical or solenoid system (2).
  • the main valve system (11) In the intake the main valve system (11) is open and the intake valve (9) of the gas exchange chamber is opened allowing the air mixture (12) to enter the combustion chamber (14), then the main valve and the intake valve system are closed from the cylinder filling.
  • the piston (8) begins its return stroke and compresses the mixture, when it reaches near the top dead center or top of the path, at the time of explosion the spark plug (15) generates a spark that allows the explosion of the mixes and generates the force to push the piston (8) to the bottom dead center.
  • the escape time begins with the opening of the main valve system (1 1) of the combustion chamber and the opening of the exhaust valve (10) of the gas exchange chamber to expel the gases produced by combustion (13 ), at the end of the time, only the exhaust valve is closed.

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Abstract

En el Motor de Combustión Interna (MCI) es importante una formación adecuada de mezcla combustible con aire; y un llenado y vaciado óptimo del cilindro. El rendimiento depende principalmente del tiempo que tarda la mezcla en combustionar y de la eficiencia del llenado y vaciado de los gases desde el cilindro. En MCI encendido por chispa, la mayoría tiene sistema de inyección de combustible con inyector electrónico independiente para cada cilindro. Este sistema es controlado por una computadora, logrando mejorar la potencia del motor y reduciendo las emisiones a la Atmósfera. Tambi6n existen sistemas que permiten controlar el momento y grado de apertura de las válvulas (WT-i, Valvetronic) para mejorar el llenado del cilindro. La presente invención permite la admisión y escape de los gases a la cámara de combustión a través del mismo conjunto de válvulas, haciendo m0s eficiente tanto el llenado como el vaciado del cilindro ya que los canales por donde circulan los gases son mayores, sin depender de la velocidad de los gases de entrada a regímenes de altas revoluciones. Además, hay menos perturbaciones y perdidas de bombeo provocados por la mariposa del sistema de admisión convencional ya que se puede controlar electrónicamente el caudal de mezcla de entrada por medio del sistema de válvulas. Básicamente es un sistema que consiste en una culata de motor con un diseño especial, que tiene una cámara de intercambio de gases (1) en el circuito de los gases (12, 13) previo a la entrada y salida de estos a la cámara de combustión (14). Esta tiene una válvula de admisión (9), una de escape (10) y un sistema de válvulas principal (11) hacia el cilindro.

Description

SISTEMA DE ADMISIÓN Y ESCAPE DE GASES AL CILINDRO DEL MOTOR DE COMBUSTIÓN INTERNA DE CUATRO TIEMPOS CON UNA CÁMARA DE INTERCAMBIO DE GASES QUE PERMITE A LAS VÁLVULAS DEL CILINDRO ACTUAR CON DOBLE FUNCIÓN DE ADMISIÓN Y ESCAPE; Y QUE PUEDEN SER ACCIONADAS ELECTRÓNICAMENTE.
Un motor de combustión interna convierte una parte del calor producido por la combustión del combustible en trabajo. Las principales piezas del motor son el bloque, cilindro, cigüeñal, biela, pistón, culata, válvulas, árbol de levas y el sistema de inyectores. Comúnmente los motores tienen 4 cilindros, cada cilindro tiene válvulas para la admisión del aire y el escape de los gases quemados; el árbol de levas las abre y las cierra en los momentos adecuados y debe estar en óptima coordinación con el movimiento del pistón.
Para entender el funcionamiento del motor de combustión interna se han descrito 4 tiempos: admisión, compresión, explosión y escape; en teoría cada uno de ellos inicia o finaliza cuando el pistón llega a cada extremo de su recorrido al interior del cilindro, un extremo es el punto muerto superior y el otro es el punto muerto inferior. En el tiempo de admisión el pistón recorre desde el punto muerto superior al inferior, se abre la válvula que permite la entrada de la mezcla de aire y combustible a la cámara de combustión (interior del cilindro) y se cierra cuando el pistón finaliza su recorrido, luego el pistón comienza su carrera de vuelta al punto muerto superior y comprime la mezcla en el segundo tiempo de compresión, al llegar cerca del punto muerto superior del recorrido salta una chispa que permite la explosión de la mezcla y genera la fuerza para empujar al pistón al punto muerto inferior, donde se abre la válvula de escape y con el recorrido de vuelta del pistón al punto muerto superior expulsa los gases quemados.
Cuando los motores son exigidos requieren de un óptimo proceso de admisión de la mezcla para lograr una adecuada combustión y aprovechamiento de la energía disponible en el combustible, esto principalmente porque se reduce el tiempo para el proceso de admisión en razón que el motor trabaja a más revoluciones por minuto. Los motores modernos tienen sistemas de admisión que han logrado mejorar el proceso de mezclado de aire y combustible y el proceso de la admisión de la misma, principalmente extendiendo el ángulo (en relación al cigüeñal) de apertura de la válvula de admisión y controlando el momento en que se inicia esta apertura (Avance de la Apertura de Admisión).
El desarrollo adecuado del proceso de combustión en los motores de combustión interna permite un máximo aprovechamiento del trabajo mecánico en el eje del motor, y para asegurar las condiciones apropiadas para para la
i realización de este proceso se deben buscar métodos que permitan la óptima formación de la mezcla combustible - aire y el máximo llenado del cilindro.
Es importante que en la formación de la mezcla se logre un mezclado óptimo entre aire y combustible para obtener un arranque rápido y seguro, combustión completa, una mínima formación de compuestos contaminantes y una reducción del desgaste de las piezas del motor. La relación entre aire y combustible ideal dependen del tipo de combustible; la mezcla puede ser pobre o rica en combustible.
Durante el funcionamiento, en la cámara de combustión del motor de combustión interna, independientemente de la riqueza o pobreza de la mezcla siempre estarán presentes en el escape productos tales como: CO, H2, HC y carbonilla, especies estas que indican que realmente el proceso de combustión es incompleto. La cantidad de estos componentes es pequeña cuando el motor trabaja con mezclas pobres, pero para los casos de combustión con mezclas ricas sus porcentajes son mayores debido a la insuficiencia de oxígeno, causando esto un mayor deterioro en el aprovechamiento de energía.
Cuando la relación de la mezcla es muy rica el rendimiento del motor decae, en los motores de encendido por chispa es más dramático este decaimiento, aumentando el consumo de combustible y la contaminación. Aun cuando son varios los factores que tienen que ver con el resultado de la potencia y rendimiento del motor, según FIGUERO S. y ARAQUE J. "Los resultados experimentales revelan que durante el funcionamiento del motor el mayor efecto se debe a la variación de la riqueza de la mezcla aunque los otros factores pueden afectar el trabajo cuando ocurren cambios repentinos" en El proceso de combustión en motores de combustión interna, 2005.
Cuando el motor trabaja a altas revoluciones tiene menos tiempo para la combustión y lograr un llenado y vaciado óptimo del cilindro. Entonces, el rendimiento depende principalmente del tiempo que tarda la mezcla en combustionar y a la eficiencia del llenado y evacuado de los gases a la cámara de combustión, por lo tanto es importante la capacidad de los canales por donde circulan los gases.
Entre los principales avances podemos observar, en el caso de motores de encendido por chispa, que la mayoría tiene sistema con inyección multipunto con un inyector electrónico de combustible independiente para cada cilindro. La inyección electrónica es controlada por una computadora que calcula el momento para inyectar el combustible de acuerdo a los datos que obtiene de los distintos sensores, logrando mejorar la potencia del motor y reduce las emisiones a la atmósfera.
También existen sistemas que permiten controlar la apertura de las válvulas dado que se ha podido constatar que adelantar la apertura de la válvula mejora el llenado del cilindro así como el largo de apertura. Entre los más destacados están Valvetronic y WTI. El sistema Valvetronic permite controlar el largo de la carrera de la válvula o apertura de válvula que pretende controlar el llenado de los cilindros del motor por medio de una carrera de las válvulas variable. De acuerdo a BMW, "El motor funcionará de forma más eficiente e inmediata gracias a la eliminación de las pérdidas de bombeo y de las perturbaciones del flujo de aire que causa la válvula de mariposa convencional. Con este sistema, el aire circula libremente por el colector de admisión y el sistema VALVETRONIC regula con precisión la cantidad de aire que entra en los cilindros."
En tanto el sistema DUAL WT-i regula el momento de apertura de las válvulas de admisión y el momento de cierre de las válvulas de escape, para obtener un cruce o solape de válvulas conveniente de acuerdo a las condiciones exigencias del motor, aceleración, temperatura del motor y varios datos más analizados por la computadora. El objetivo es aprovechar la velocidad de los gases entrantes en altas revoluciones, lo cual ayuda a introducir una cantidad adicional de la mezcla de aire y combustible en el cilindro aun cuando la válvula permanece abierta cuando el pistón ha iniciado la carrera de vuelta.
Breve Descripción de las figuras
La figura 1 : Es una representación gráfica de la invención, su ubicación respecto al motor de combustión interna y algunos de sus componentes.
La figura 2 Es una representación gráfica de la invención donde se observan los componentes de la cámara de intercambio de gases.
La figura 3 representa el tiempo de admisión en un motor utilizando la presente invención.
La figura 4 representa el tiempo de compresión en un motor utilizando la presente invención.
La figura 5 representa el tiempo de explosión en un motor utilizando la presente invención.
La figura 6 representa el tiempo de escape en un motor utilizando la presente invención. Descripción detallada de la invención
La presente invención permite la admisión y escape de los gases a la cámara de combustión a través del mismo conjunto de válvulas, haciendo más eficiente tanto el llenado como el vaciado del cilindro ya que es mayor el canal por donde circulan los gases sin depender de la velocidad de los gases de entrada a regímenes de altas revoluciones. Además, hay menos perturbaciones y pérdidas de bombeo provocados por la mariposa del sistema de admisión convencional ya que se puede controlar electrónicamente el accionar de las válvulas y por lo tanto el flujo de los gases al cámara de combustión.
Básicamente, es un sistema que consiste en una culata de motor con un diseño especial, que tiene una cámara de intercambio de gases en el circuito de los gases previo a la entrada y salida de éstos a la cámara de combustión. La cámara de intercambio de gases tiene una válvula de admisión, una de escape y otra serie "principal" de admisión - escape (SISTEMA DE VÁLVULA PRINCIPAL) hacia el cilindro que puede comprender canales de conexión en todo el círculo o superficie del área superior de éste.
El circuito de los gases es el siguiente: Desde el sistema de admisión de gases (conducto de admisión) la mezcla de aire y combustible entran a la cámara de intercambio de gases y de ahí ingresan a la cámara de combustión a través de un conjunto de válvulas o "sistema de válvula principal" que conecta directamente a ésta última con la cámara de combustión donde participan del proceso de combustión; luego los gases salen por el mismo sistema de válvula principal hacia la cámara de intercambio de gases y luego salen por el conducto de escape.
El funcionamiento, de acuerdo a los 4 tiempos es el siguiente:
En la admisión está abierto el sistema de válvula principal y se abre la válvula de admisión de la cámara de intercambio de gases permitiendo la entrada de mezcla de aire hasta la cámara de combustión, luego del llenado del cilindro se cierran el sistema de válvula principal y la de admisión.
En el tiempo siguiente el pistón comienza su carrera de vuelta y comprime la mezcla, al llegar cerca del punto muerto superior o tope del recorrido salta una chispa que permite la explosión de la mezcla y genera la fuerza para empujar al pistón al punto muerto inferior. El tiempo de escape empieza con la apertura del sistema de válvula principal de la cámara de combustión y la apertura de la válvula de escape de la cámara de intercambio de gases para expulsar los gases producto de la combustión, al finalizar el tiempo se cierra sólo la válvula de escape.
El sistema de válvula principal puede ser accionado mediante un sistema electrónico de alta frecuencia que le permitirá control computacional del momento y duración (respecto la carrera del pistón al interior del cilindro) de la apertura del juego de válvulas que abren paso a la cámara de combustión.
Para usar este sistema en un motor de combustión interna se requiere instalar un sensor de posición del pistón conectado al volante del cigüeñal para que una computadora detecte la ubicación del pistón en cada cilindro, así la computadora controla la apertura y cierre del sistema de válvula principal. El control de las válvulas de admisión y válvulas de escape de la cámara de intercambio de gases puede ser por activación mecánica mediante árbol de levas (también puede usarse otros medios de activación).
Para comprender mejor la invención, se la describirá en base dibujos que tienen solamente un carácter ilustrativo, no limitándose el alcance de la invención ni a las dimensiones, ni a la cantidad de elementos ilustrados, ni al sistema accionamiento del sistema de válvula principal que también puede ser mecánico, en este sentido tampoco está incorporado la ubicación de la bujía que genera la chispa al interior de la cámara de combustión.
Descripción con apoyo gráfico
La invención es un sistema de admisión y escape de gases que tiene la mayoría de sus elementos en la culata del motor. Las representaciones gráficas se hacen en referencia a corte transversal de un cilindro de un motor. La cámara de intercambio de gases (1) está ubicada sobre la parte principal del motor (7). Al interior de la cámara de intercambio de gases (1) una válvula de admisión (9) para la entrada de la mezcla de aire y combustible (12) al sistema, un sistema de válvula principal (11) que permite el paso de gases entre la cámara de intercambio de gases (1) y la cámara de combustión (14), y una válvula de escape (10) que permite la salida de los gases quemados (13) del sistema. Las válvulas de admisión (9) y escape (10) pueden ser accionadas mecánicamente por sistema de levas (3). Para abrir el sistema de válvula principal (11) hay una computadora (4) que recibe información de posición los pistones (8) en cada cilindro del motor desde un sensor de posición (5) desde el volante del eje cigüeñal del motor (6) y que acciona al sistema eléctrico o solenoide (2). En la admisión está abierto el sistema de válvula principal (11) y se abre la válvula de admisión (9) de la cámara de intercambio de gases permitiendo la entrada de mezcla de aire (12) hasta la cámara de combustión (14), luego del llenado del cilindro se cierran el sistema de válvula principal y la de admisión.
En el tiempo siguiente el pistón (8) comienza su carrera de vuelta y comprime la mezcla, al llegar cerca del punto muerto superior o tope del recorrido, en el tiempo de explosión la bujía (15) genera una chispa que permite la explosión de la mezcla y genera la fuerza para empujar al pistón (8) al punto muerto inferior.
El tiempo de escape empieza con la apertura del sistema de válvula principal (1 1) de la cámara de combustión y la apertura de la válvula de escape (10) de la cámara de intercambio de gases para expulsar los gases producto de la combustión (13), al finalizar el tiempo se cierra sólo la válvula de escape.

Claims

PLIEGO DE REIVINDICACIONES
1. - Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con las funciones de admisión y escape; y que pueden ser accionadas electrónicamente CARACTERIZADO por estar constituido principalmente por:
a) Una cámara de intercambio de gases que conecta el conducto de admisión de aire, el conducto de escape de gases quemados con la cámara de combustión.
b) Un conjunto de válvulas principal o sistema de válvula principal que permiten y controlan el paso de gases entre la cámara de intercambio de gases y la cámara de combustión interna.
c) Un conjunto de válvulas que permite y controlan el paso de gases entre la cámara de intercambios de gases y el conducto de admisión de aire. d) Un conjunto de válvulas que permite y controlan el paso de gases entre la cámara de intercambios de gases y el conducto de escape de gases. e) Un sistema electrónico de control computacional de accionamiento de conjunto de válvula principal.
2. Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con las funciones de admisión y escape, de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el sistema de válvula principal puede comprender canales de conexión entre la cámara de intercambio de gases y la cámara de combustión en todo el círculo que comprende el borde superior del cilindro.
3. Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con las funciones de admisión y escape, de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el conjunto de válvulas que permiten y controlan el paso de gases entre la cámara de intercambio de gases y el sistema de admisión de aire puede ser accionado por medios mecánicos sincronizados con el movimiento del pistón.
4. Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con las funciones de admisión y escape, de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el conjunto de válvulas que controlan y permiten el paso de los gases entre la cámara de intercambio de gases y el sistema de admisión de aire puede ser accionado por medios eléctricos y electrónicos.
5. Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con las funciones de admisión y escape, de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el sistema de válvula principal puede ser accionado electrónicamente por un sistema eléctrico y controlado por un computador para calcular los momentos de apertura y cierre de acuerdo a la demanda de potencia.
6. Sistema de admisión y escape de gases al cilindro del motor de combustión interna con una cámara de intercambio de gases que permite a las válvulas del cilindro actuar con las funciones de admisión y escape, de acuerdo a la reivindicación 1 , CARACTERIZADO porque el sistema de válvula principal puede ser accionado mecánicamente en para los momentos de apertura y cierre del sistema.
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