CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a una maquina térmica de alta eficiencia, que reúne varias características orientadas a reducir el consumo. A estas ventajas se une un equilibrado de primer y segundo orden y una mayor longevidad de los cilindros y pistones.

Debido a sus características técnicas su campo de aplicación es muy amplio.

1) Presenta un máximo interés en el campo de la automoción, debido a su gran eficiencia y su adaptabilidad para funcionar de forma óptima en diferentes condiciones de trabajo.

2) Aplicándolo a máquinas estáticas, el interés se centra en la ausencia de vibraciones, buen rendimiento y poco desgaste del conjunto pistón -cilindro.

3) Debido a la ausencia de rozamientos entre pistón y cilindro, es de máximo interés para los compresores de refrigeración, pudiendo utilizar gases refrigerantes sin lubricantes. La relación de compresión variable, se utiliza para optimizar y regular dichos ciclos termodinámicos.

DESCRIPCIÓN DE LA TÉCNICA RELACIONADA

Con el fin de reducir los rozamientos laterales entre pistón y cilindro se han ideado, a lo largo de la historia, gran cantidad de configuraciones que consiguen un movimiento lineal del pistón sin necesidad de ser guiado por los cilindros. Estos esfuerzos comienzan en la época de las máquinas de vapor y para ello se utilizaron cadenas cinemáticas complicadas o deslizaderas.

Una configuración interesante, consiste en un sistema de corona de dientes interiores y planetario que permite fijar la biela en un punto cuya trayectoria es una línea recta, lo cual convierte el movimiento de la biela en un movimiento de translación. Al evitar que la biela se incline, desaparecen las tuerzas que hace el cilindro sobre el pistón y los rozamientos asociados.

Este concepto, que se conoce desde las primeras maquinas de vapor, se encuentra muy elaborado en una patente de 1914: N ⁰ 271755 Klosse 46 ^a Gruppe 30

La idea se ha intentado patentar muchas otras veces debido al desconocimiento de los trabajos anteriores.

La presente invención, utiliza dicha configuración, sustituyendo el pistón, que va unido al planetario, por dos eslabones cinemáticos que constituyen la cabeza del pistón y su pie, y tienen movimiento relativo entre si, consiguiendo una diferencia de altura en el punto muerto superior y modificando de este modo la relación de compresión.

Con el fin de poder conseguir una gran variación en la carrera efectiva de la admisión y compresión, necesaria para realizar un ciclo Atkinson, se recurre a una válvula de admisión rotativa, cuyo cierre se puede desfasar, y que opera en serie con una segunda válvula, de diseño convencional.

EXPLICACIÓN

Se pretende realizar un motor de alta eficiencia, utilizando un ciclo termodinámico asimétrico tipo Atkinson, en el que la carrera de trabajo del motor es mas larga que la carrera de admisión y compresión. Procediendo así, se aprovecha mas la presión de los gases que existe en el punto muerto inferior, pero que se debe eliminar abriendo la válvula de escape, para favorecer la subida del pistón. Para conseguir esta asimetría, se disminuye la carrera efectiva de la admisión haciendo que el llenado sea parcial. Esta solución, no es óptima en un motor tradicional debido a que se desaprovecha parte del recorrido del pistón el cual lleva asociado un rozamiento con el cilindro. Para resolver esta dificultad, se sustituye el sistema biela manivela por un mecanismo planetario que elimina la oscilación de la biela y consigue desplazar el pistón sin que se apoye sobre el cilindro. Al no estar penalizado por los rozamientos, "desperdiciar" parte del recorrido del pistón, no incide en la eficiencia. Otros beneficios adicionales de dicha configuración es la ausencia de vibraciones y que el movimiento del pistón es senoidal puro, estando más tiempo en la zona del punto muerto superior, mejorándose la combustión.

Un inconveniente del ciclo Atkinson, es que la potencia especifica que se consigue, es inferior a la de un motor tradicional. En automoción, aparte de las consideraciones comerciales, la falta de una reserva de potencia incide en la seguridad activa. (Adelantamientos, incorporación a una vía rápida por el carril de aceleración, etc..)

En este diseño, para hacer compatible eficiencia y potencia, se incorpora la posibilidad de disminuir el efecto del ciclo Atkinson e incluso hacer que el motor pueda funcionar con carácter deportivo, siendo esta transición continua. Para abarcar estas situaciones extremas, se necesita poder adelantar o retrasar considerablemente el momento del cierre de la válvula de admisión. Se recurre a utilizar una válvula adicional, rotativa, anterior a la tradicional y montada en serie con esta. El momento del cierre de la válvula tradicional es invariable y se diseña retrasado, optimizado para conseguir mucha potencia a alto régimen. (En este caso extremo, el cierre de la válvula rotativa anterior, coincide con el de la segunda válvula). Cuando se dosifica potencias inferiores, se recurre a desfasar el cierre de la válvula rotativa, haciendo que se produzca antes. Este sistema, que parece complicado, es racional, pues no utiliza la válvula tradicional (diseñada para combatir presiones superiores a 50 bares) para cerrar presiones inferiores a un bar. Al no necesitar cerrarse rápidamente, se mejora su cinemática. Cerrar la válvula rotativa antes que la tradicional también sirve para conseguir más potencia cuando el motor funciona a bajo régimen evitando que el gas admitido retroceda (debido al retraso del cierre de la válvula tradicional ) . El movimiento de la válvula rotativa es muy sencillo, y consume poca potencia. Dicha válvula gira sincronizada con el cigüeñal, haciéndolo a su misma velocidad o dos veces mas lenta, y se desfasa según la potencia que se pida al motor. Se elimina la necesidad de estrangular el aire para decelerar, eliminando estas pérdidas de carga (perdidas de "bombeo" ).

La configuración anterior necesita completarse, para establecer el ciclo Atkinson óptimo en todas las circunstancias, con un sistema de compresión variable que permita aproximarse al punto de la auto-detonación: Esto se realiza mediante un mecanismo que modifica la longitud del pie del pistón, variando de este modo el punto muerto superior.

Resumiendo, con el fin de mejorar la eficiencia de los motores, se actúa en los siguientes frentes:

1) Se elimina el rozamiento entre pistón y cilindro característicos de todos los motores constituidos por bielas que se inclinan, lo que origina una fuerza de rozamiento. Dicha fuerza origina grandes perdidas mecánicas.

2) Se utiliza un sistema de compresión variable que mejora el ciclo termodinámico para cualquier demanda de potencia.

3) Con el fin de combinar bajo consumo, utilizando el ciclo asimétrico Atkinson, con grandes picos de potencia, se recurre a un control de la carrera efectiva de admisión, gracias a una válvula rotativa de desfase variable, que trabaja en serie con otra válvula de arquitectura convencional. Esta segunda válvula, tiene su cierre retrasado y se encarga de cerrar las altas presiones.

4) Se aumenta la estancia del pistón en la zona de combustión utilizando un movimiento senoidal puro.

El sistema de la presente patente de invención consta básicamente de uno o varios conjuntos constituidos por: 1) Un cigüeñal Fig. (1), cuya manivela (distancia entre su eje de rotación y el eje de la muflequilla) se designara por: m

2) Un eslabón cinemático que une el cigüeñal con el pistón o pistones Fig. (2), equivalente a la biela en los motores tradicionales, cuya particularidad esencial es que tiene una velocidad angular de mismo módulo que la del cigüeñal y signo contrario. Se designará por biela rotativa Fig. (2). Consta de uno o dos piñones que tienen como eje de rotación la muñequilla del cigüeñal y cuyo radio primitivo es (m). Las articulaciones que unen esta pieza al pistón, o los pistones, están formadas por uno o dos discos descentrados respecto al eje de los piñones un valor igual a (m).

3) Una o varias coronas dentadas interiormente Fig. (4) de radio primitivo dos veces mayor que la manivela del cigüeñal ( 2m ), solidarias a la bancada.

4) La bancada Fig. (6), base sobre la que se articula el cigüeñal y donde va dispuesto el, o los, cilindros de forma que sus ejes de simetría sean perpendiculares al eje de rotación del cigüeñal y lo corten.

5) Dos eslabones cinemáticos, la cabeza del pistón Fig. (8), que consta de un disco con una protuberancia con estrías exteriores y con un taladro roscado, y, el pie del pistón, Fig. (7) con un extremo roscado exteriormente, complementario con la rosca interna de la protuberancia de la cabeza del pistón.

6) Una guía de la protuberancia de la cabeza del pistón Fig. (11) y Fig. (13). formada por un piñón cónico y un taladro con estrías .

7) Una válvula rotativa formada por una placa que gira dentro de una ranura Fig. (18) y (19) , o bien, mediante un eje giratorio con un taladro transversal que corte el flujo del gas. Otra alternativa es utilizar un tubo con una o varias lumbreras y admitir el gas axialmente. Fig. (20)

Las piezas anteriormente descritas tienen la siguiente funcionalidad:

Este diseño consigue que la articulación o articulaciones ¡de la biela rotativa que se unen a los pies de los pistones, describan una línea recta (en prolongación al eje de simetría del cilindro), incluso antes de haber montado los pistones: Esto significa que, al girar el cigüeñal, y sin haber montado todavía los pistones, el punto de anclaje del pistón (que es una disco descentrado perteneciente a la biela rotativa) tendrá un movimiento totalmente definido, describiendo su centro un diámetro de la corona fija, que esta superpuesto a la continuación del eje del cilindro.

Se consigue de la siguiente forma:

El rotor Fig. (2). está formado por uno o varios engranajes cuyo eje de giro será la mufiequilla del cigüeñal Fig. (3). Estos engranajes son solidarios a uno o varios discos descentrados y que están situados en planos distintos Fig. (2). La medida en entre el centro de estos discos y el eje de los engranajes es m. Estos discos servirán como articulaciones de los pistones.

Esta pieza conecta cigüeñal y pistón y hace, por lo tanto, el papel de la biela en un motor tradicional.

Con el fin de que esta biela rotativa quede totalmente posicionada para un ángulo prefijado del cigüeñal, incluso antes de haber montado el pistón, es necesario que su posición angular quede determinada. Esto se consigue debido a que sus piñones engranan con las coronas fijas de dientes interiores Fig. (4), que son solidarias a la bancada y concéntricas con el cigüeñal Fig. (5) y Fig. (6).

Debido a que la relación escogida entre engranaje y corona interior es 1/2, la corona tiene el doble de número de dientes que el engranaje, y la velocidad angular absoluta de éste engranaje es la misma que la del cigüeñal y con sentido contrario.

Los dientes que constituyen el engranaje del piñón rotativo y de la corona no son normalizados, superando la altura de cabeza del diente del piñón mas de dos veces la altura del pie del diente, consiguiendo realizar de este modo un conjunto funcional con dientes sobredimensionados. Se puede utilizar dientes, para el piñón rotativo y la corona, helicoidales, siendo cada pareja simétrica de forma que se anulen los esfuerzos axiales.

Esto conduce a la situación mostrada en las figuras (15),(16) y (17). Deduciéndose que la posición del pistón respecto a un eje de coordenadas horizontal X pasando por el centro del eje principal del cigüeñal es:

Px = m . eos (w.t) - m\ eos (w.t) = (m - m') . eos (w.t) Como m = m' => Px = 0 Demostrándose que se fuerza al pistón a realizar un movimiento de traslación puro a lo largo del eje Y que coincide con el eje de simetría del pistón: No se necesita utilizar una biela que se incline y desaparecen las fuerzas laterales entre cilindro y pistón.

La posición del pistón en función del tiempo será, respecto a un eje de coordenadas vertical Y : Py= m . sen (w.t) + m\ sen (w.t) = (m + m') . sen (w.t)

Como m = m'=> Py = 2 . m . sen (w.t)

Siendo Py la distancia que recorre el pistón

El movimiento del pistón, senoidal puro, permite un equilibrado total (frente al equilibrado solamente de primer orden de la mayoría de los motores), y mejora notablemente el ciclo termodinámico (El pistón está mas tiempo en la zona correspondiente a la combustión). Con la configuración en V la energía cinética es constante, necesitando el volante de inercia solo para regularizar las explosiones. A todas estas ventajas, se une la gran mejora del rendimiento, άι haberse eliminado los rozamientos mecánicos y una mayor longevidad de los pistones, cilindros y segmentos.

Para evitar interferencias geométricas, la unión entre el pistón y el rotor se hace a través de uno disco descentrado sobredimensionado para que, a lo largo de un giro completo, se salve la mufiequilla del cigüeñal.

La cabeza del pistón Fig. (8) que consta de un disco con una protuberancia con estrías exteriores y con un taladro roscado, permite que el pie del pistón, Fig. (7) cuya extremidad esta roscada y hace de tornillo, al enroscarse, modifique la longitud total del conjunto, variando de este modo la altura máxima alcanzada y modificándose la compresión.

La guía de la protuberancia de la cabeza del pistón Fig. (11) y rig. (13). formada por un pifión cónico y un taladro con estrías, además de permitir que el pistón deslice verticalmente, lo hace girar cuando se pretenda atornillarlo sobre su pie. Con el fin de evitar acufiamiento las estrías de la guía tienen una ligera curvatura. Engrana con otro pifión cónico que permite girarla desde fuera de los cilindros Fig. (13), mediante un motor eléctrico o una cadena cinemática movida por potencia fluida. Puede estar apoyada sobre varios rodamientos periféricos Fig. (11)

) La válvula rotativa formada por una placa que gira dentro de una ranura Fig. (18) y (19), corta el flujo del gas en el proceso de la admisión antes de que la segunda válvula, que tiene el cierre retrasado, este totalmente cerrada. Esta segunda válvula, similar a cualquier válvula habitual se encarga de completar el cierre de la admisión y combate las altas presiones. La placa puede moverse con un giro alternativo mandado por un sistema electromagnético o potencia fluida, pilotado por un microprocesador, o con giros sincronizados con el cigüeñal, pudiendo, en este caso, modificarse el desfase para controlar el llenado. Dependiendo de su forma geométrica, puede girar a la misma velocidad que el cigüeñal, o dos veces más lenta. Se puede utilizar la misma placa para controlar la admisión de un segundo cilindro en paralelo. La válvula rotativa también se puede realizar mediante un eje giratorio con un taladro transversal que corte el flujo del gas. Otra alternativa es utilizar un tubo con lumbreras y admitir el gas axialmente. Fig. (20)

Cuando se requiere menos potencia, en los motores multicilindros, se puede desconectar por completo la contribución de algún cilindro, eliminando su trabajo, desfasando la primera válvula de admisión rotativa, de forma que cierre completamente cuando la segunda esta abierta. Se puede completar esta técnica, añadiendo otra válvula similar en serie con la de escape, con el fin de reducir pérdidas de carga de bombeo.

En el caso que se requiera mas potencia, se puede utilizar el volumen variable que se forma debajo de los pistones, limitado por la cabeza del pistón y la guía estriada articulada sobre la corona fija, para realizar, mediante válvulas y lumbreras un compresor de desplazamiento positivo.

Esta configuración, debido a la ausencia de rozamientos, es adecuada para emplear materiales cerámicos en el entorno de la combustión con el fin de aumentar la temperatura de trabajo y mejorar el rendimiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Fig. (1) representa el cigüeñal con la manivela (distancia entre ejes) igual a m. La Fig. (2) representa el rotor, que hace el papel de biela con las distancias entre el eje del engranaje (que gira respecto a la mufiequilla) y los centros de los discos (alrededor de los cuales giran los pistones) igual a m. Siendo también el radio primitivo de los piñones igual a m. La Fig. (3) representa el cigüeñal con la biela rotativa.

La Fig. (4) representa una corona con dientes interiores cuyo radio primitivo es 2 m, que se monta concéntrica con el cigüeñal y fija a la bancada.

La Fig. (5) representa el cigüeñal con la biela rotativa, cuyo piñón engrana con la corona.

La Fig. (6) representa el conjunto montado y la bancada con un cilindro seccionado. El pistón correspondiente a este cilindro articularía con el disco del rotor que en este dibujo queda oculto por la corona.

La Fig. (7) representa el pie del pistón con una rosca para unirse con la protuberancia de la cabeza del pistón.

La Fig. (8) representa el pistón con su protuberancia estriada. En su interior, costa de un taladro roscado.

La Fig. (9) representa el conjunto formado por el pistón y su pie, pudiendo variar su tamaño según la parte enroscada.

La Fig. (10) representa el conjunto formado por el pistón con su pie, articulando sobre uno de los discos del rotor. El disco que se observa representa la articulación del pistón horizontal, no dibujado.

La Fig. (11) representa la guía estriada para la protuberancia de la cabeza del pistón. La Fig. (12) representa la guía y la protuberancia de la cabeza del pistón montadas. Las estrías complementarias permiten el deslizamiento vertical pero no, el giro relativo. La Fig. (13) representa el conjunto formado por el piñón solidario a la guía y otro con un eje que permite producir la rotación desde fuera de los cilindros. La Fig. (14) representa el conjunto anterior montado donde se observa la guía estriada apoyada sobre varios rodamientos periféricos.

La Fig. (15) representa mediante una línea gruesa, la manivela del cigüeñal esquematizada.

La Fig. (16) representa mediante líneas gruesas, la manivela del cigüeñal de medida (m), y la biela constituida por el rotor, de medida (m). Se omite el disco del rotor del pistón horizontal y la corona fija superior.

La Fig. (17) representa la figura 16 donde se omite también el cigüeñal. La Fig. (18) y la Fig. (19) representan una válvula rotativa formada por una placa que gira dentro de una ranura, pudiendo de este modo cortar el flujo del gas en el proceso de la admisión.

La Fig. (20) representa una válvula rotativa formada por un tubo que recibe el gas axialmente y lo distribuye mediante unas lumbreras.

La Fig. (21) muestra un corte del motor sin los pistones en la que solo se representa la muñequilla del cigüeñal que es el eje de giro de la biela planetaria. La corona dentada se ha representado seccionada.

La Fig. (22) muestra una vista general del motor seccionado y sin todas las piezas montadas. La corona dentada se ha representado seccionada.

La Fig. (23) muestra una vista general del motor, sombreada, seccionado y sin todas las piezas montadas. La corona dentada se ha representado seccionada.

DESCRIPCIÓN DE LA REALIZACIÓN REFERIDA

Con referencia a los dibujos y primeramente a las Fig. (1) a (8), la presente invención trata de un motor o compresor que está compuesto esencialmente de los miembros cuyas partes se muestran en las Fig. (l),(2),(3),(6),(7),(8),(13),(18)y (20). El sistema aquí descrito Fig. (22) consta de dos cilindros en V con:

Un cigüeñal Fig. (1), cuya distancia m entre su eje principal y muñequilla se designará por manivela.

Una pieza de unión entre cigüeñal y pistón Fig. (2). Las articulaciones que unen dicha biela rotativa al cigüeñal y a los dos pistones están separadas por una distancia (m) que mide lo mismo que la manivela del cigüeñal. Fig. (2).

Dos conjuntos pistón-pie formados cada uno de ellos por:

Dos eslabones cinemáticos, la cabeza del pistón Fig. (8) que consta de un disco con una protuberancia con estrías exteriores y con un taladro roscado, y, el pie Fig. (7), que hace de tornillo y une todo el conjunto con la biela rotativa.

Una guía de la protuberancia de la cabeza del pistón Fig. (11) a Fig. (13). formada por un piñón cónico y un taladro con estrías que, además de guiar el pistón verticalmente, tiene la misión de hacerlo girar, atornillándose sobre su pie, cuando se pretenda variar la compresión. Esta guía engrana con otro piñón cónico que permite producir el giro desde fuera de los cilindros Fig. (13). Esta guía se apoya sobre varios rodamientos periféricos. Fig. (14)

Una válvula rotativa formada por una placa que gira dentro de una ranura. Fig. (18) y Fig. (19), pudiendo de este modo cortar el flujo del gas en el proceso de la admisión.

Una válvula rotativa formada por un tubo con una lumbrera. Fig. (20) pudiendo de este modo cortar el flujo del gas en el proceso de la admisión.

Dos coronas dentadas interiormente, Fig. (4), de radio primitivo igual a 2 m dos veces mayor que la manivela del cigüeñal (igual a m), solidarias a la bancada Fig. (21)

La bancada, base sobre la que articula el cigüeñal y donde van dispuestos, formando un ángulo de 90 grados, los cilindros, de manera que sus ejes de simetría son perpendiculares al eje de rotación del cigüeñal y lo cortan. Fig. (21) Estas piezas están ensambladas de la siguiente forma:

El rotor Fig. (2) gira alrededor de la muñequilla del cigüeñal Fig. (1), situación representada por la figura (3). - La posición relativa de las coronas dentadas interiores Fig. (4) y el conjunto Fig.

(3), queda representada por la figura Fig. (5).

Dichas coronas están centradas respecto al eje del cigüeñal y se montarán ancladas sin posibilidad de giro a la bancada Fig. (6).

El conjunto cabeza de pistón-pie se aloja en la bancada Fig. (10). posicionando las coronas dentadas de tal forma que las articulaciones de los pies de los pistones, describan, cuando se inicie el movimiento, líneas rectas en prolongación a los ejes de simetría de los cilindros Fig. (22)