BRPI0803417A2 - motor de combustão interna com contra-pistão, operando em um ciclo de trabalho exclusivamente positivo - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a um motor com contra-pistão (1), que em sua modalidade preferida, apresenta dois pistões (1,3) contrapostos trabalhando no mesmo cilindro (5). O pistão principal (3) é acionado por uma árvore de manivelas (4) convencional e o outro, um contra-pistão (1), instalado no mesmo cilindro (5) e em posição contrária ao pistão principal (3), é acionado por cames (6a) e (6b) para comandar seu movimento alternativo, sendo que o dito came (6a) é dotado de um perfil que é invertido em relação ao perfil do dito came (6b), em que o came superior (6a) é responsável pela descida e o came inferior (6b) é responsável pela subida do contra-pistão (1), o qual garante a precisão do movimento de subida e de descida do dito contra-pistão (1).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para: "MOTORDE COMBUSTÃO INTERNA COM CONTRA-PISTÃO, OPERANDO EM UMCICLO DE TRABALHO EXCLUSIVAMENTE POSITIVO".

Campo da Invenção

A presente invenção se refere a um motor compreendidopor um contra-pistão para a geração de potência através dacombustão de fluidos combustíveis, para uso em usinastermoelétricas, navios, caminhões, ônibus, automóveis,moto-bombas, geradores, máquinas agrícolas, entre outros.Particularmente, esse motor compreende um segundo pistãodentro do mesmo cilindro, responsável pela obtenção de umataxa de compressão ideal que será alcançada em um momentoposterior ao momento da taxa de compressão alcançada em ummotor cuja técnica já é conhecida.

Desta forma, a queima de combustível no interior docilindro, entre os dois pistões, se inicia também em ummomento posterior e o impulso produzido pela dita queima éconseqüentemente retardado. Logo, quando o impulso aoconjunto é promovido pela dita queima, a posição angular daárvore de manivelas se encontra em uma posição que propiciaum braço maior de alavanca da biela sobre o eixo de rotaçãoda árvore de manivelas, proporcionando um torque maior aoconjunto. Para que o dito conjunto funcione de modo aalcançar o resultado supracitado, torna-se necessário autilização de um sistema de carnes que possuem perfisinvertidos, em que um é responsável pelo movimento desubida, e o outro é responsável pelo movimento de descidado referido contra-pistão, controlando dessa forma avelocidade e o movimento alternativo do mesmo.

Pelo fato de retardar a compressão e a queima docombustível e, ainda, conseguir uma combustão com taxa decompressão ideal, o motor perde menos energia para realizartrabalho e gera menos gases poluentes, proporcionando,assim, um rendimento maior.

Antecedentes da Invenção

Os motores a combustão interna, basicamente, sãodivididos em turbinas, motores com massas rotativas como omotor do tipo "Wankel", que apresenta baixo uso comercialpor causa do excessivo desgaste de seus componentes, altoconsumo de combustível e maior emissão de monóxido decarbono e, por fim, os motores com massas alternativas,como os motores com pistão.

A presente invenção tratará de motores com massasalternativas por utilizar um motor com pistão.

Os motores com massas alternativas trabalham com pelomenos um pistão inserido em um cilindro, conectado a umaárvore de manivelas através de uma biela e, na parte opostaao conjunto biela/árvore de manivelas encontra-se ocabeçote. 0 pistão oscila, em seu movimento alternativo,entre seu ponto mais próximo ao cabeçote, denominado pontomorto superior (PMS), e o ponto mais distante do cabeçote,denominado ponto morto inferior (PMI).

Também são conhecidos os motores com dois pistõesopostos no mesmo cilindro e cada pistão conectado a umaárvore de manivelas, como os motores Napier Deltic,Fairbanks-Morse, Junkers Jumo, que não possuem cabeçote.

Independentemente do combustível a ser utilizado em ummotor a combustão interna com pistão, ou se operar em umciclo de dois ou quatro tempos, o principio defuncionamento desse tipo de motor é basicamente o mesmo. Ouseja, é liberada uma grande quantidade de energia na câmarade combustão, através da queima do combustível e, com isso,haverá uma rápida expansão dos gases contidos na mesma, deforma que o aumento de pressão dentro da câmara empurrará opistão para baixo até o PMI, transmitindo o movimentolinear do pistão, através da biela, para a árvore demanivelas, transformando o movimento linear em movimentorotativo e gerando potência disponível na árvore demanivelas para ser utilizada.

Conforme conhecido no estado da técnica para um motoroperando a quatro tempos no ciclo Diesel torna-senecessário possuir um comburente, que é o ar atmosférico, eeste deve ser comprimido na câmara de combustão até queatinja uma temperatura suficiente para permitir a auto-ignição do combustível, normalmente óleo diesel oubiodiesel. 0 pistão admite o ar da atmosfera enquanto desce(tempo de admissão) e comprime o ar enquanto sobe (tempo decompressão). Quando o pistão está subindo e próximo deatingir seu PMS, dá inicio a injeção do combustível. Emgeral, muitos motores iniciam esta injeção próxima de 20°antes do ponto morto superior (APMS). Neste momento cadapartícula do combustível entrará em contato com umapartícula de ar que está aquecida pela compressão e aqueima se inicia. Enquanto o pistão continua subindo até oPMS, a injeção de combustível também continua e a queimavai ficando mais intensa. Cada partícula que se queimaaumenta ainda mais a pressão dentro da câmara de combustão.

É importante ressaltar que a pressão aumenta por doismotivos: a) pela diminuição do volume, pois o pistão aindaestá subindo, portanto comprimindo ainda mais o aradmitido, e b) pela queima do combustível com o arcomprimido que gera uma expansão dos gases pelo rápidoaumento da temperatura.

No entanto, todo esse aumento de pressão APMS édesperdiçado, gerando esforços no sentido contrário aonecessário, pois ao invés dessas forças contribuírem paraempurrar o pistão e gerar energia na árvore de manivelas,as ditas forças empurram o pistão para baixo enquanto eleainda se encontra em movimento de subida em seu tempo decompressão, impedindo ou dificultando, assim, a subida domesmo e gerando trabalho negativo. Como depois do pontomorto superior (DPMS) a pressão ainda continua aumentandodemasiadamente, o resultado de energia continua semprepositivo, mas toda a energia gerada APMS será desperdiçada.

0 mesmo raciocínio se aplica aos motores que operam nociclo Otto e utilizam gasolina, álcool ou gás comocombustível. A diferença está que, neste ciclo, o ar já éadmitido com o combustível e o inicio da combustão éincentivado por uma vela de ignição que emite uma faiscapara iniciar a queima. Porém, o momento do inicio da queimatambém ocorre antes do ponto morto superior, ou seja, APMS.

De forma semelhante nos motores de dois ou quatrotempos, o inicio da queima sempre é APMS. Da mesma forma,os motores com dois pistões opostos no mesmo cilindro, ondecada pistão é conectado a uma árvore de manivelas tambémpossui a mesma desvantagem e não consegue aproveitar todaenergia gerada na queima do combustível, pois pelo menos umdos dois pistões terá que iniciar a combustão APMS.

Toda pressão gerada APMS, além de não produzirtrabalho útil, ainda produz efeito contrário, empurrando opistão para baixo, dificultando o movimento da árvore demanivelas, desperdiçando energia e gerando maior quantidadede gases poluentes.

De forma a solucionar o problema enfrentado peloestado da técnica, o documento JP 2006177333, de MasayukiAndo, publicado em 06 de julho de 2006, refere-se a ummotor de quatro tempos com dois pistões. Este motor possuias duas válvulas (escape e admissão) instaladas no meio docilindro de modo que, quando ocorre a abertura dasreferidas válvulas, as mesmas penetram no volume interno docilindro, impedindo o curso do pistão neste instante.

Outro ponto a ser analisado é que no uso de um simplescarne de perfil circular excêntrico, conforme disposto noreferido documento Japonês, não é possível atingir a taxade compressão ideal para iniciar a combustão DPMS pois opistão inferior desce com velocidade maior que a imprimidapelo carne excêntrico ao pistão superior, fazendo o pistãoinferior se afastar do pistão superior, diminuindo a taxade compressão após o PMS e diminuindo assim o rendimento dacombustão. Para que isso não aconteça, é necessário o usode um carne de perfil variado e não um excêntrico comoobservado no documento Japonês, além de não ser possível ofuncionamento do motor com as válvulas invadindo o espaço interno do cilindro.O documento EP 1437482A1, de Domenico Capossela et al,publicado em 14 de julho de 2004, refere-se a umaalternativa para motor com pistões opostos, onde os pistõesse movem linearmente, sincronizados dentro de um mesmocilindro interno. Este cilindro possui um movimento derotação, e é equipado com orifícios ao longo de suasuperfície, além de um cilindro externo também provido deorifícios que permitem a admissão de combustível eescapamento dos produtos de combustão. O motor descritonesta patente tem como principal característica o movimentorotatório do cilindro do motor, com o propósito de eliminaras válvulas e responsável pela abertura dos controles paraadmissão e ignição do combustível, bem como a exaustão dosgases, fato que em nada contribui para gerar trabalho em umciclo exclusivamente positivo. Desta forma, o mesmo nãoresulta em um motor com a mesma eficiência e os propósitosda invenção que por ora é reivindicada.

Sumário da Invenção

A presente invenção supera os inconvenientes geradospelos motores tradicionais, na medida em que prove um motormais eficiente, onde a combustão tem seu início a váriosgraus DPMS, de modo que toda a pressão gerada pelacombustão contribua para o movimento da árvore de manivelasna geração de trabalho útil, eliminando, assim, o trabalhonegativo. Além disso, devido ao ângulo formado pela forçaaplicada pela biela sobre a árvore, o torque é muito maiordo que o gerado nos motores do estado da técnica, gerando,assim, mais potência efetiva no dito motor.

A presente invenção tem como seu objetivo a obtençãode um motor que opera em um ciclo de trabalhoexclusivamente positivo, o qual compreende um motor com umataxa de compressão ideal com menor perda de pressão, paraque, desta forma, resulte em uma eficiência térmica evolumétrica maior, pois há menos perdas de pressão porvazamentos entre pistão, anéis e cilindro, o qual é obtidopelos dois carnes que possuem perfis invertidos, em que um éresponsável pelo movimento de subida, e o outro éresponsável pelo movimento de descida do referido contra-pistão.

A presente invenção compreende um motor com contra-pistão, em que dois pistões são contrapostos, trabalhandoem um mesmo cilindro, sendo o contra-pistão acionado pelosditos dois carnes, os quais possibilitam, desta forma, oinicio da combustão com uma taxa de compressão ideal quandoo pistão principal já está DPMS e, por conseguinte, obtermáxima pressão de combustão após vários graus DPMS.

Um outro objetivo da presente invenção é aumentar ovolume aspirado na câmara de combustão devido ao fato docarne inferior apresentar um perfil de raio crescentedurante o tempo de admissão.

Dessa forma a presente invenção prove um motor quefuncione tanto em um ciclo de combustão de dois temposquanto em ciclo de quatro tempos.

Breve Descrição dos Desenhos

As modalidades preferidas de realização da presenteinvenção serão descritas a seguir com referência aosdesenhos anexos, em que:

A figura 1 é uma vista lateral do motor com contra-pistão.

A figura 2 é um gráfico comparativo da pressão nacâmara de combustão em função do ângulo da árvore demanivelas, no tempo de compressão e expansão, do ciclomotor, entre um motor convencional e o motor com contra-pistão.

A figura 3 é uma vista lateral do motor com contra-pistão no momento de admissão.

A figura 4 é uma vista lateral do motor com contra-pistão no momento de compressão.

A figura 5 é uma vista lateral do motor com contra-pistão no momento de explosão.A figura 6 é uma vista lateral do motor com contra-pistão no momento de escape dos gases após a explosão.

Descrição Detalhada da Invenção

A presente invenção se refere a um motor com contra-pistão (1), que em sua modalidade preferida, apresentabasicamente, dois pistões (1,3) posicionados de maneiracontraposta entre si e trabalhando no mesmo cilindro (5),uma válvula de escape (9), uma válvula de admissão (10) eum componente de ignição (11), que pode ser uma vela nosmotores de ciclo Otto ou um bico injetor nos motores deciclo Diesel. O pistão principal (3) é acionado por umaárvore de manivelas (4) convencional, sendo o contra-pistão(1) disposto no mesmo cilindro (5) e em posição contráriaao pistão principal (3), sendo o dito contra-pistão (1)acionado por carnes (6a) e (6b), de forma a comandar seumovimento alternativo. Os ditos carnes (6a) e (6b) sãoacionados por um sistema de transmissão convencional, talcomo, por exemplo, uma correia dentada, correntes ouengrenagens, que são acoplados à árvore de manivelas (4).

De acordo com a figura 1, a invenção em sua modalidadepreferencial, apresenta o pistão principal (3) vertical,com a cabeça para cima, conectável a uma biela (7b) , quepor sua vez, está conectável a uma árvore de manivelas (4)posicionada abaixo do dito pistão (3) . Dentro do mesmocilindro (5), que se prolonga para cima além do PMS dopistão principal (3) , está disposto um contra-pistão (1),com sua cabeça virada para baixo, contra a cabeça do pistãoprincipal (3) . Esse contra-pistão (1) é conectável a umabiela (7a) que, por sua vez, está conectável a um braço dealavanca (8), sendo articulável na sua extremidade oposta.

Em uma localização do dito braço (8), são previstos doiscarnes (6a) e (6b), posicionados um acima (6a) e outroabaixo (6b) do dito braço de alavanca (8), com perfisinvertidos, de forma que o perfil de um dos ditos carnes(6b) comanda o braço de alavanca (8) no sentido para cima eo outro dito carne (6a) comanda o braço de alavanca (8) nosentido contrário, não havendo folgas significativas entreos carnes (6a) e (6b) e o braço de alavanca (8). Conectávelao braço de alavanca (8), na extremidade oposta à suaarticulação, é previsto uma biela (7a) conectável aocontra-pistão (1), portanto, este conjunto de dois carnes(6a) e (6b) aciona o contra-pistão (1) para cima e parabaixo através da dita biela (7a) . Na etapa de admissão, ocarne inferior (6b) tem um perfil de raio crescente, ouseja, a distância do centro de giro do carne até o ponto decontato com o braço de alavanca (8) é aumentada, de forma aimprimir ao contra-pistão (1) um movimento de subida,resultando em um aumento do volume aspirado. Após o términodo tempo de admissão, inicia-se o tempo de compressão, ondeo perfil dos dois carne (6a e 6b) tem raio constante,mantendo o contra-pistão (1) parado no seu ponto mais altoaté quando o pistão (3) atingir seu ponto mais alto, ouseja, o PMS, ou muito próximo dele. 0 perfil dos carnes (6a)e (6b) é provido de forma que o corpo do dito carne (6a)empurre o contra-pistão (1) para baixo no momento em que opistão principal (3) está DPMS, na etapa de descida dopistão (3) após o tempo de admissão, até atingir o pontoideal de parada do contra-pistão (PIPCP). Nesse momento, éatingida a taxa de compressão ideal e como o pistão (3) jáestá DPMS, o conjunto está na posição ideal para acombustão.

Buscando uma maior eficiência, durante a descida dopistão principal (3), o contra-pistão (1) desce com umavelocidade maior do que a do pistão principal (3) , atéchegar ao PIPCP, diminuindo, assim, a distância relativaentre ambos. Desta forma, haverá menos perdas de pressãopor vazamentos entre anéis, pistão (3) e cilindro (5),visto que a maior pressão de compressão só é atingida nomomento inicial da combustão. A descida do contra-pistão(1) é controlada pelos carnes (6a) e (6b) e se dá até oPIPCP. Este é o ponto em que a taxa de compressão é ideal,e neste momento se inicia o aumento da pressão de combustãodeflagrada, por um componente de ignição (11), seja por umavela de ignição, no caso de motores do ciclo Otto ou pelainjeção de combustível por um bico injetor, se for o cicloDiesel. Essa invenção pode ser concretizada em motores de dois ou quatro tempos.

Para que sejam obtidos os resultados técnicoscomentados, em relação ao funcionamento do conjunto e opreciso movimento alternativo do contra-pistão (1), umsistema de carnes (6a) e (6b) de perfis variados deve serutilizado para movimentar o contra-pistão (1). 0 pistãoprincipal (3) tem seu movimento alternativo comandado eregido pelo sistema biela (7b) e árvore de manivela (4),sendo seu limite de curso inferior disposto no PMI, posiçãode alinhamento da biela (7b) com o braço da árvore demanivelas (4) quando a dita biela (7b) está disposta em seuponto mais baixo. Quanto ao limite de curso superior noPMS, a árvore de manivelas irá alcançá-lo quando a ditaárvore de manivelas girar 180° em relação ao PMI.

A velocidade do pistão (3) é zero no PMS e no PMI,aumentando não linearmente, em função da rotação, do ânguloda biela (7b), do comprimento da biela e da distância entrea biela (7b) e do eixo de rotação da árvore de manivelas(4).A utilização de dois carnes (6a) e (6b) com perfisvariados para o controle do acionamento do contra-pistão(1) garante a precisão do movimento de subida e de descidado dito contra-pistão (1), sendo que o dito came (6a) édotado de um perfil que é invertido em relação ao perfil dodito came (6b), em que o came superior (6a) é responsávelpela descida e o came inferior (6b) é responsável pelasubida do contra-pistão (1).

Conforme pode ser observado o gráfico, da figura 2,demonstra a pressão na câmara de combustão em função doângulo da árvore de manivelas (4), no tempo de compressão eexpansão, que apresenta curvas comparativas entre um motorconvencional (c) e o motor com contra-pistão (cp), duranteo ciclo do motor. No caso da curva do motor convencional(c), o inicio da combustão (i) se dá APMS, gerando trabalhonegativo. Já no caso da curva do motor com contra-pistão(cp), o inicio da combustão (i) se dá DPMS, o que significaque o motor opera em um ciclo de trabalho exclusivamentepositivo.

De forma a obter um maior rendimento volumétrico,durante o tempo de admissão, conforme observado na figura3, o came inferior (6b) tem um perfil de raio crescente, oqual é conferido em função da variação da distância entre oeixo de rotação do dito came (6b) e a periferia do perfilde cada carne (6a) e (6b), de maneira a prover um ressalto(2a) e (2b) , para que desta forma o ponto de contato dobraço de alavanca (8) com a periferia do perfil do carne(6b) realize o movimento de subida do contra-pistão (1),aumentando assim, o volume aspirado. Após o término dotempo de admissão, inicia-se o tempo de compressão,representado na figura 4, onde os perfis dos dois carnes (6ae 6b) possuem raios constantes, mantendo o contra-pistão(1) parado no seu ponto mais alto até o final dacompressão, ou muito perto do final da compressão. Nesteponto o perfil do carne superior (6a) passa a comandar ocontra-pistão (1) fazendo-o descer até o ponto inferior deparada do contra-pistão (1) PIPCP, posição abaixo do PMS,portanto com o pistão (3) em movimento de descida, DPMS, eposição ideal para ocorrer a combustão sem que seja geradoo trabalho negativo existente nos motores convencionais.Neste trecho entre o ponto mais alto do contra-pistão (1) eo PIPCP o carne (6a) tem perfil variado para aumentar avelocidade de descida do contra-pistão (1) até o PIPCP, semtocar o pistão (3) e atingindo o PIPCP com a taxa decompressão ideal dimensionada para esse motor, onde teráinicio a combustão.

A figura 5 apresenta a configuração do motor, durantea combustão, o contra-pistão (1) permanece parado nestaposição PIPCP até o pistão (3) atingir o PMI ou muito pertodele, onde o tempo de expansão está terminado e a válvulade escape (9) já está sendo aberta. No tempo de exaustão,entre o PMI e o PMS o carne inferior (6b) é o responsável emcomandar a subida do contra-pistão (1) para que quando opistão (3) atinja o PMS o contra-pistão (1) esteja muitopróximo dele, sem permitir que se toquem, mas com a menorfolga possivel, para que desta forma permita a melhorexaustão dos gases, de acordo com a figura 6. Como estafolga pode ser menor que a folga entre cabeçote fixo epistão dos motores convencionais, pois no motorconvencional esta folga é a responsável pela obtenção dataxa de compressão, então conseguimos também uma melhorexaustão dos gases de escape, propiciando melhor lavagemque conseqüentemente irá melhorar o desempenho do motor.

Por ter sido descrito um exemplo de concretizaçãopreferido, deve ser compreendido que o escopo da presenteinvenção abrange outras variações, sendo limitado tãosomente pelo teor de suas reivindicações, incluindo aspossíveis formas de realização equivalentes, que sefundamentam neste relatório.

Claims (6)

1.) Motor com contra-pistão (1) operando em um ciclode trabalho exclusivamente positivo, que compreende: umaválvula de admissão (10), uma válvula de escape (9), umcomponente de ignição (11), um pistão principal (3) e umcontra-pistão (1), ambos contrapostos dentro do mesmocilindro (5) , sendo o dito pistão principal (3)conectável a uma biela (7b) e acionável por uma árvore demanivela (4), em que o contra-pistão (1) está conectávela uma biela (7a) , caracterizado pelo fato de que a ditabiela (7a) está conectável a um braço de alavanca (8),que por sua vez está disposto entre dois carnes (6a) e(6b), sendo que o dito carne (6a), posicionado acima dodito braço (8) é dotado de um perfil que é invertido emrelação ao perfil do dito carne (6b), posicionado abaixodo dito braço (8) e cada perfil, dos respectivos carnes(6a) e (6b), possuem em seu corpo variações de distânciaentre o eixo de rotação e a periferia do próprio perfil,de maneira a formar ressaltos (2a) e (2b) na periferia doperfil de cada dito carne (6a) e (6b).

2.) Motor com contra-pistão (1), de acordo com areivindicação 1, caracterizado pelo fato de que no tempo deadmissão o carne inferior (6b) apresenta um perfil quecomanda o contra-pistão (1) para cima, de forma a aumentaro volume aspirado na câmara de combustão.

3.) Motor com contra-pistão (1), de acordo com areivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o ditomotor opera em um ciclo de trabalho exclusivamentepositivo.

4.) Motor com contra-pistão (1), de acordo com areivindicação 1, 2 ou 3 caracterizado pelo fato de que oinicio da combustão no interior do cilindro (5) ocorresomente quando o pistão principal (3) está DPMS.

5.) Motor com contra-pistão (1), de acordo com qualqueruma das reivindicações, caracterizado pelo fato de o ditomotor obter uma pressão máxima de combustão, vários grausDPMS.

6.) Motor com contra-pistão (1), de acordo com qualqueruma das reivindicações, caracterizado pelo fato da ditainvenção ser utilizável em motor operando no ciclo de doistempos quanto em motor operando no ciclo de quatro tempos.