CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se relaciona con motores de combustión interna, en particular, consiste en un motor de combustión interna de tipo híbrido entre un motor Wankel y un motor Otto o Diesel, que simplifica su funcionamiento eliminando el uso de elementos móviles, tales como cigüeñal, eje de levas, engranajes, correa de distribución y distribuidor entre otras.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la actualidad los motores de combustión interna requieren para su funcionamiento elementos móviles que sincronizan los sistemas de admisión de combustible y escape de gases con el movimiento de los pistones. Estos sistemas actualmente presentan diferentes perfeccionamientos que permiten optimizar el uso del combustible y el control sobre el motor pero se sigue manteniendo el uso de un gran número de piezas móviles, lo cual sin duda requiere de un consumo de energía considerable. Un motor que presenta una solución al problema que aquí se plantea es el motor de combustión interna tipo Wankel el cual no ha sido utilizado por las dificultades de durabilidad que presenta.

Por ejemplo, la patente GB1 109374 expone un motor de combustión interna con pistón rotativo, de tipo Wankel, que comprende una carcasa que posee una superficie periférica interior y un pistón giratorio de tres lados el cual se desplaza secuencialmente entre tres cámaras de trabajo de volumen variable, quienes definen las fases de admisión, compresión, expansión y escape; donde dicho motor incluye además un pasaje de transferencia que posee la forma de una hendidura, controlando la transferencia por una corredera. Momentos antes del término de la fase de expansión en la primera cámara, algo de los gases calientes de la combustión pasan a la segunda cámara, comenzando la etapa de compresión en donde se aumenta la tasa de compresión más allá de aquél determinado por las dimensiones del motor. Los gases calientes transferidos complementan el calor de la compresión para permitir la ignición y la combustión del combustible inyectado a través de un inyector al funcionar bajo ciclo diesel. La cantidad retroali mentada de gas para una sección transversal de la hendidura es dependiente de la velocidad del motor. Así, mientras más alta es la velocidad menor es el tiempo en que la hendidura está abierta y por lo tanto una menor cantidad de gas se retroali menta. Para contrarrestar esto de manera que la cantidad de gas retroali mentada sea substancial mente constante en forma independiente de la velocidad de motor, la corredera es controlada por un regulador de velocidad de modo que para velocidades bajas la hendidura se reduce y para altas velocidades se incrementa. Si el motor funciona con ignición por chispa en un ciclo de Otto la corredera puede ser completamente movida al interior o un miembro de llenado puede ser insertado en la hendidura.

El motor Wankel como el que se describe en la patente GB1 109374 presenta ventajas importantes con respecto al motor Otto, como por ejemplo la utilización de menos piezas móviles, lo cual redunda en una mayor fiabilidad. Además, este motor posee una mayor suavidad de marcha, debido a que la entrega de potencia se desarrolla en forma más progresiva. Por último, este tipo de motores poseen un menor peso, debido al menor número de piezas que forman el motor en comparación con los de pistones.

Sin embargo, tal como se mencionó, un motor Wankel, tal como el motor de la patente GB1 109374 presenta dificultades de durabilidad entre otros problemas, motivos por los cuales dicho motor no ha llegado a tener una difusión masiva en la industria. Algunos de estos problemas son los siguientes:

• Emisiones: este motor posee altos niveles de emisiones, lo que hace difícil ajustarse a las normas de emisiones contaminantes, producto de la geometría de sus cámaras de combustión.

• Consumo: la eficiencia termodinámica se ve reducida por la forma alargada de las cámaras de combustión y la baja relación de compresión.

• Difícil estanqueidad: resulta muy difícil aislar cada una de las 3 secciones del cilindro en rotación, que deben ser impermeables unas de otras para un buen funcionamiento. Además, se hace necesario cambiar el sistema de estanqueidad cada 6 años aproximadamente, por su fuerte desgaste.

De esta manera, si bien las soluciones existentes en el estado del arte pretenden presentar mejoras a dichos motores, haciéndolos más eficientes y económicos, no existe hasta el momento una solución capaz de contrarrestar de manera sustancial los problemas anteriormente mencionados con respecto a ambos motores.

Con el objetivo de resolver las problemáticas planteadas previamente, se presenta un motor de combustión interna que utiliza el principio de funcionamiento del motor Wankel con cámaras de combustión como las del motor Otto o del motor Diesel. Este motor es capaz de mejorar aspectos del motor Otto y del motor Diesel con respecto a la cantidad de piezas móviles, suavidad en la marcha y peso, al utilizar el principio de funcionamiento del motor Wankel. Asimismo, el motor de la presente invención también es capaz de mejorar el nivel de emisiones de gases contaminantes, disminuir su consumo y superar los problemas de estanqueidad asociados al motor Wankel, al utilizar las cámaras de combustión de un motor Otto o de un motor Diesel.

El motor de combustión interna de la presente invención no requiere de cigüeñal, válvulas, ejes de levas, levas, correas, resortes de válvulas, sistemas de sincronización y distribución, entre otros. Además, el presente motor realiza el ciclo Otto o Diesel de cuatro tiempos en una sola revolución de su eje de potencia permitiendo la utilización de solo una bujía o inyector, dependiendo del tipo de combustible para el cual el sistema sea diseñado.

Así, se provee un motor de combustión interna que utiliza solo un giro de su eje de potencia para generar los cuatro tiempos del ciclo Otto o Diesel mediante cuatro deslizamientos lineales de un pistón, el cual puede funcionar con todo tipo de combustible y puede ser ocupado en toda clase de vehículos, maquinarias y equipos móviles y estacionarios, complementando los beneficios de un motor Wankel con la durabilidad de un motor Otto o Diesel. El motor de la presente invención está conformado básicamente por un rotor en el cual se alojan en forma radial y equidistantes entre si, la cantidad de cilindros que se requieran de acuerdo al diseño. El rotor comprende un eje de potencia, el cual descansa sobre dos medios de sujeción rotativa alojados al centro de dos extremos de una carcasa.

Los conjuntos de pistones, producto de la combustión del combustible, se desplazan en forma radial desde el centro del rotor hacia su exterior. Cada conjunto de pistón comprende una cabeza de pistón ubicada en un cilindro del rotor y en la cara externa de dicha cabeza de pistón se proyecta radial mente una barra soporte que comprende en su extremo exterior un eje de desplazamiento unido perpendicularmente a dicha barra soporte. Este eje de desplazamiento posee dos medios de desplazamiento, como por ejemplo rodamientos, uno en cada extremo, los que están en contacto con unas guías ubicadas en cada lado de la carcasa del motor. De este modo, las guías están diseñadas de tal forma que generan un ángulo respecto a la dirección de movimiento del pistón, lo cual provoca el giro del rotor cuando dicho pistón se desplaza hacia el exterior.

Además, la carcasa conecta a cada cilindro cuando corresponda a una vía de admisión y posteriormente a una o varias vías de escape a través de ranuras o ductos vaciados concéntricamente en ella.

BREVE DESCRI PCIÓN DE LAS FIGURAS

Para lograr un mejor entendimiento de la invención, esta se describirá en función de las figuras 1 , 2, 3 y 4. Las que tienen solamente un carácter ilustrativo. No limitándose el alcance de la invención a lo aquí expuesto en términos de dimensiones, características y cantidad de elementos ilustrados.

La figura 1 muestra una vista frontal en corte de un modelo del motor en el cual se utilizan cuatro cilindros.

La figura 2 muestra una vista lateral en corte del modelo de motor presentado en la figura 1 . La figura 3 muestra una vista en planta y un corte de la tapa anterior.

La figura 4 muestra una vista en planta y un corte de la tapa posterior.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Como se puede apreciar en la Figura 1 , se presenta un motor de combustión interna que comprende un rotor, el cual está constituido por un bloque (2) que cumple la función de alojar cilindros (22) donde se producirá en cada uno los cuatro tiempos del ciclo Otto o Diesel, junto con entregar la estabilidad necesaria al giro en un eje de potencia (5) debido a la inercia asociada a su masa. Dicho rotor comprende al eje de potencia (5) y al menos un conjunto de pistón (1 ), todos los cuales giran en forma solidaria, en donde cada conjunto de pistón (1 ) se ubica en forma radial con respecto al eje de potencia (5).

El motor posee además un estator, el cual comprende una carcasa (21 ), un primer y un segundo medio de sujeción rotativa (18, 19), y un primer y segundo medio de fijación (17, 23); donde dicha carcasa (21 ) posee en sus caras interiores en forma contrapuesta, dos guías (6) que delimitan una trayectoria tal que orienta el desplazamiento de un extremo del conjunto de pistón (1 ).

Por otro lado, el conjunto de pistón (1 ) comprende en su extremo interior una cabeza de pistón (15) que se encuentra dentro del cilindro (22) del bloque (2) delimitando una cámara de combustión al interior de dicho bloque (2), mientras que en el extremo exterior de dicho conjunto de pistón (1 ) los medios de desplazamiento (7) se encuentran en contacto con las guías (6).

En una configuración preferida, las guías (6) marcan una trayectoria en forma de dos círculos superpuestos de centros distantes, tal como se puede apreciar en las figuras 3 y 4. Sin embargo, es importante mencionar que bien podría utilizarse otra geometría para estas guías (6), con tal de que ellas cumplan con la función de guiar el desplazamiento del conjunto de pistón (1 ) en su extremo exterior. Particularmente, en la etapa de admisión de los gases de combustión solo es necesario que el conjunto de pistón (1 ) se desplace hacia el exterior del bloque (2), lo cual puede ser realizado mediante un resorte ubicado entre dicho conjunto de pistón (1 ) y el rotor (2), reemplazando de esta manera este segmento de la guía (6).

Por otro lado, dichas guías corresponden a rebajes en la superficie, sin embargo estas bien podrían ser canales o cualquier geometría afín que cumpla con el requerimiento de direccionar la trayectoria de los pistones, provocando de esta manera el giro del rotor a través del movimiento radial de dichos pistones. Además, el ancho del rebaje de las guías corresponde al diámetro de los medios de desplazamiento (7), en donde dichos medios de desplazamiento (7) están alojados dentro de las guías (6), pudiendo desplazarse estos dentro de ellas.

Similarmente, el bloque (2) posee en una configuración preferida una forma cilindrica, sin embargo podría poseer cualquier forma que cumpla de manera adecuada con la función de alojar tantos cilindros (22) como lo requiera el diseño. Además, el bloque (2) posee en su centro una perforación sobre la cual se encuentra el eje de potencia (5), el cual se encuentra unido a este mediante una chaveta (20), tal como se muestra en la Figura 1 .

Cada conjunto de pistón (1 ) posee una cabeza de pistón (15), en contacto con la cámara de combustión, y una barra soporte (14) fijada en la cara externa de la cabeza de pistón (15) y posicionada en forma perpendicular a esta, la cual reemplaza de esta manera a la biela de los pistones convencionales. Además, en el extremo exterior de dicha barra soporte (14) se encuentra unido rígidamente y en forma perpendicular a este un eje de desplazamiento (4), el cual a la vez posee en sus extremos dos medios de desplazamiento (7), como por ejemplo rodamientos, que se encuentran en contacto con las guías (6) y que serán los encargados de posibilitar el movimiento del conjunto de pistón (1 ) por la trayectoria deseada. De esta manera, el motor podrá poseer tantos conjuntos de pistones (1 ) como sea necesario según el diseño, en donde cada conjunto de pistón estará posicionado en forma radial con respecto al eje de potencia del motor.

La carcasa corresponde en una configuración preferida a dos tapas contrapuestas (3a, 3b) unidas por un primer medio de fijación (17), en donde cada tapa (3a, 3b) posee en su cara interior las guías (6) que delimitan la trayectoria que orienta el desplazamiento de un extremo del conjunto de pistón (1 ). De esta manera, la carcasa (21 ) posee, tal como se mencionó, un primer y un segundo medio de sujeción rotativa (18,19), los cuales pueden corresponder a bujes o rodamientos según lo requiera el diseño, donde cada uno de estos se encuentra fijado en cada tapa (3a, 3b) de la carcasa (21 ) y sobre los cuales se aloja el eje de potencia (5) del rotor.

Ambas tapas (3a, 3b) van unidas entre si a través de un marco (16), sobre el cual estas se unen mediante un primer medio de fijación (17); correspondiendo dicho medio de fijación a pernos, soldadura, o cualquier tipo de dispositivo que cumpla con unir en forma adecuada ambas tapas.

Además, si bien una configuración preferida de la invención comprende dos tapas contrapuestas, la carcasa también podría comprender casquetes o cualquier tipo de piezas que cumpla con la función de alojar en forma adecuada a las guías (6) y los medios de sujeción rotativa (18, 19).

La tapa anterior (3a) comprende dos ductos que conectan fluidamente la cámara de combustión con el exterior, los cuales poseen la forma de secciones de arcos concéntricos, donde estos abarcan cada uno un ángulo un poco menor a 90 ^Q , constituyendo cada uno de ellos la vía de admisión y de escape de cada cilindro. De esta forma, dicho ángulo determina junto a la velocidad de giro del rotor, el tiempo que la cámara de combustión se encontrará en contacto directo con el ambiente, ya sea para la admisión o escape de gases. Además, dicha tapa (3a) posee otra perforación que aloja la bujía o el inyector, dependiendo de si el combustible utilizado será gasolina o diesel, donde dicha perforación se encuentra sobre el eje central (Α-Α'), en la parte superior de la misma, justo al inicio de la carrera de trabajo de los pistones.

Por otro lado, de acuerdo con la figura 4, la tapa posterior posee cuatro perforaciones equidistantes del centro de esta, destinadas a alojar al segundo medio de fijación (23). Dicho medio corresponde, en una configuración preferida, a un conjunto compuesto por cuatro pernos (13), una brida (1 1 ) y un resorte (12); en donde la brida cumple con la función de comprimir al resorte (12) con su cara interior presionando de este modo al segundo medio de sujeción rotativa (18), manteniendo posicionado a dicho medio y entregando de esta forma la presión requerida para generar el hermetismo necesario entre el rotor (2) y la tapa posterior (3b).

De esta manera, de acuerdo con la figura 1 , se muestra un motor que para este caso es de cuatro cilindros, en donde los pistones se encuentran en las etapas que se indican a continuación:

• Pistón 1 a: al inicio de la etapa de ignición (I);

• Pistón 1 b: al inicio de la etapa de escape (E);

• Pistón 1 c: al inicio de la etapa de admisión (A); y

• Pistón 1 d: al inicio de la etapa de compresión (C).

De acuerdo a lo indicado, vemos que basta un pequeño giro en la dirección horaria junto con la generación de la chispa o la inyección de combustible (dependiendo si el motor funcionará con gasolina o diesel), para así dar inicio a la combustión en el cilindro 1 a. La presión generada en el interior de la cámara impulsa al pistón 1 a radial mente hacia el exterior de la cámara. El pistón posee en el extremo exterior dos medios de desplazamiento (7) que se encuentran en contacto con la guías (6) que transforma la fuerza radial en circular. Según la siguiente ecuación trigonométrica:

F _x = F _y ^* tan α

Donde:

F _x : es la fuerza en sentido paralelo a la dirección de la guía en el punto de

contacto del medio de desplazamiento (7) con la guía (6).

F _y : es la fuerza en sentido radial (generada por la combustión).

a: es el ángulo generado entre la horizontal y la tangente a la guía (6) en el punto de contacto con el medio de desplazamiento (7).

El movimiento así generado se transmite desde el pistón al rotor. Al llegar el pistón 1 a a su máxima posición exterior (posición B), el rotor ha girado 90 ^Q en sentido horario. En este punto se inicia la etapa de escape de los gases, el cual se logra a través de la vía de escape (10) existente en la tapa respectiva que conecta la cámara de combustión con el exterior, esta etapa dura otros 90 ^Q . El pistón al llegar a la posición C ha liberado los gases al ser este empujado hacia el interior de la cámara por la guía (6). En este punto se inicia la etapa de admisión, el combustible llega a la cámara de combustión a través de la vía de admisión (9) existente en la tapa respectiva (3a). El pistón es desplazado hacia el exterior de la cámara por la guía (6) hasta la posición D. Aquí la vía de admisión se termina quedando la cámara del cilindro sellada, permitiendo con esto que los gases existentes en la cámara puedan ser comprimidos por el pistón el cual es obligado a desplazarse hacia el interior de la cámara, por la guía (6) hasta llegar nuevamente a la posición A, en donde se inicia un nuevo ciclo.

Según lo descrito podemos observar que el motor de combustión interna aquí presentado no requiere de cigüeñal, válvulas, ejes de levas, levas, correas, resortes de válvulas, sistemas de sincronización y distribución ya que todos los cilindros cumplen el ciclo de cuatro tiempos en una sola revolución permitiendo la utilización de solo una bujía o inyector, dependiendo del tipo de combustible para el cual el sistema sea diseñado.

Los cambios, modificaciones y alteraciones que puedan ser aplicadas a la base del presente invento pueden ser muchos. Razón por la cual, se debe entender que lo expuesto en el texto y en las figuras es solo en sentido ilustrativo y no limitativo. Por lo tanto, el ámbito del invento debe ser determinado de acuerdo a lo que se indica en el formulario de reivindicaciones.