BRPI0902093A2 - motor a combustão de três-tempos - Google Patents

Abstract

MOTOR A COMBUSTãO DE TRéS-TEMPOS baixa rotação, alto volume deslocado, concepção compacta, com um inovador virabrequim multifuncional (1) que aciona válvulas de admissão invertidas (7), compressores (25), sopradores de ar fresco (21) bombas a vácuo Ventury (26) que possibilitam uma permuta eficiente de gases quentes queimados por ar novo fresco e combustível pulverizado, e sistemas de autopartida (28) que possibilitam partida para frente em tráfego congestionado ou em marcha à ré por reversãode rotação. Em versões por ignição por centelha elétrica aplicáveis em veículos leves (automóveis e utilitários) com combustíveis líquidos como: gasolina, álcool, querosene, metanol, ou combustíveis gasosos como: gás natural, metano, propano, butano e aviões, com ignição elétrica por centelha ou para uso em veículos pesados: ónibus, caminhões, tratores, locomotivas, rebocadores, com óleo diesel ou biodeiesel.

Description

"MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS"

Campo da Invenção

A presente patente de invenção está relacionada a uma novaconcepção de um "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS",criado para produzir e liberar potência mecânica em regimes derotação máxima bem abaixo dos atuais motores a combustão internaOtto e Diesel de quatro-tempos, com significativa simplificaçãoconstrutiva e redução de componentes, peso, ruído, vibrações, edimensões externas.

O novo motor três-tempos converte mais energia química emcombustão para energia mecânica, em decorrência de sua originalconcepção mecânica, que reduz engrenagens, eixos, comandos,válvulas de descarga de gases, volantes, rolamentos, retentores erecupera parte do calor queimado e desperdiçado pelos motores acombustão atuais, diminuindo a emissão de gases poluentes, como oCO2. e de calor para a atmosfera, sendo concebido para substituir osatuais motores Otto e Diesel de quatro-tempos inventados a mais deum século, e que já foram intensamente aprimorados até hoje, paramover pessoas e cargas em automóveis, utilitários leves,motocicletas, caminhões, ônibus, tratores, embarcações e aviões depequeno e médio porte com mais eficiência e vantagens técnicas.

Estado da Técnica

Não há muito mais o que ser melhorado nos antigos motoresOtto e Diesel, todos os fabricantes hoje já produzem motoresequivalentes que ficaram basicamente iguais, como ocorre atualmentecom os motores elétricos, onde todos fabricantes os produzem comeficiência de conversão de energia elétrica para mecânica acima de90%. No entanto, atualmente, os melhores motores a combustão Ottoconvertem apenas 28% da energia química em mecânica e osmelhores motores Diesel convertem apenas 38%. A diferença vai paraa atmosfera em forma de CÜ2, vapor d'água superaquecido e de arquente que sai pelos radiadores.

A melhoria só virá aplicando novas concepções que reduzamsignificativamente os desperdícios, uma vez que o petróleo é um bemfinito e está acabando, não podemos mais seguir desperdiçando destaforma, o CO2 gera o efeito estufa e o calor dos gases e darefrigeração também ajudam a modificar o clima.

Em um século e meio, graças a Nicolaus A. Otto (1832 - 1891) eRudolf Diesel (1858 - 1913) inventores dos motores de quatro-temposOtto e Diesel, a humanidade se moveu da era dos cavalos, carroças,diligências e charretes, para a era dos motores de combustão interna,promovendo novas atividades econômicas e gerando prosperidade.

Na corrida por motores melhores, a literatura técnica de motoresregistra outros tipos de motores menos eficientes, que competiram nomercado: São eles, os motores Otto e Diesel de quatro-temposrefrigerados à ar produzidos por Deutz, Hartz1 Volkswagen BMW naAlemanha, Honda no Japão; o motor Wankel, produzido pela NSU naAlemanha, pela Mazda e Suzuki no Japão e, dois tipos de motoresdois-tempos: por ignição a faísca e diesel, produzidos por Auto Union(DKW), BMW na Alemanha, Iso na Itália, Suzuki e Yamaha no Japão,e Johnson, Evinrude e Mercury nos EUA, equipando pequenosveículos, motocicletas, motores de popa, além de motoserras,roçadeiras, pulverizadores e bicicletas motorizadas em diversospaises e, finalmente, os motores dois-tempos GM Diesel Uniflow.Todos eles foram considerados menos eficientes e foramabandonados nos países desenvolvidos, no uso veicular e transportede carga.A tabela 1, elaborada pelo Professor John Heywood1 Diretor doSloan Automotive Laboratory1 em conjunto com Khovarkh, Sitkei1Burke e outros, num dos mais completos e renomados laboratórios depesquisa de motores automotivos, no MIT - Massachussets Instituteof Technology, e publicada na obra de referência "Internai CombustionEngines Fundamentais" McGraII Hill. reporta a eficiência mecânicados melhores motores atuais: os Otto e Diesel quatro-tempos,refrigerados à água.

Tabela 1. Diagrama de fluxo de energia em motores a combustãointerna de quatro tempos refrigerados a água.

(porcentagem do valor de aquecimento do combustível)

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Na Tabela 1, (Pb) expressa a energia mecânica retirada de ummotor a combustão Otto ou Diesel refrigerados à água para locomoverpessoas e cargas, (Qcooi + Qmisc) são as porcentagens de calorretirados pelos radiadores e superfícies quentes do motor, que saemna forma de ar quente, aquecendo a atmosfera do Planeta e (He, ic +Mhe.s) representam as percentagens de calor que saem de gasesquentes pelos escapamentos, em forma de vapor de águasuperaquecido e gás CO2 quente, que afeta a atmosfera duplamente:alem de aquecer, provoca também o efeito estufa; contudo, a ciênciaatual aponta 'apenas' que o efeito estufa e a velocidade doderretimento do gelo e neve constatadas estão 'acima' das projeçõescientíficas.

Em 140 anos, graças aos esforços dos engenheiros efabricantes, os motores produzidos atualmente são mais potentes,tem menos ruído, vibração e possuem uma eficiência térmica maiorque os 14% obtidos nos primeiros motores Otto à gasolina, inventadosem 1867. Nos dias atuais, a eficiência de conversão atingiu, conformea Tabela 1, 28% nos melhores motores Otto à ignição e 38% nosmelhores motores Diesel, na conversão de energia química doscombustíveis para energia mecânica por combustão.

O motor Diesel é mais eficiente que o Otto devido àspropriedades químicas: o óleo leve do tipo diesel ou biodiesel temmaior poder calorífico que os combustíveis mais leves como agasolina e o álcool, e não explode, mas queima devagar, o quepossibilita aplicação de taxas de compressão mais elevadas quegeram energia mecânica de forma mais eficiente.

Após mais de um século queimando gasolina e óleo diesel, emcentenas de milhões de veículos motorizados, era previsível que opetróleo e o gás natural entrassem num período de rápidoesgotamento, e que a presença do gás CO2 aumentasse na atmosferae a temperatura do ar elevasse, não apenas devido ao efeito estufa,mas devido ao calor liberado pelos motores e a destruição dasflorestas.

Agora, tornou-se necessário que uma nova geração deinventores descubra novas tecnologias que retirem mais energia docombustível, desperdiçando menos que os atuais 60% a 70% doscombustíveis queimados e liberados para a atmosfera com atecnologia atual dos motores quatro tempos à combustão interna Ottoe Diesel.

A Tabela 2 representa, em uma de suas colunas, uma visãogeral das rotações máximas típicas dos motores quatro tempos Otto,Diesel e das turbinas aeronáuticas; e na outra coluna, a dospropulsores efetivos que utilizam a energia mecânica obtida nasrotações necessárias para aplicá-la com máxima eficiência prática.Tabela 2. Motores atuais e rotações típicas vs. rotação necessária:

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Somente na industria naval, projetaram-se e fabricaram-semotores de navios e de rebocadores que giram na rotação necessáriadas hélices, de 200rpm a 400rpm, evitando os redutores. Contudo, osmotores ficaram pesados e enormes e, então, baixa rotação empropulsão virou sinônimo de maior peso e volume, alta rotação virousinônimo de tecnologia mais leve e avançada, como se fosseimpossível obter baixa rotação em motores mais leves e compactos.

Desta forma, duas perdas adicionais de energia fora do motorsão reconhecidas na engenharia mecânica, e reduzem ainda mais os28% obtidos por Otto e os 38% obtidos por Diesel: a primeira perdaacontece na transmissão e na redução de velocidade (engrenagens,câmbios, eixos, rolamentos, retentores), para liberar a potênciamotora na rotação necessária nos pneus e hélices que movemveículos terrestres e os aviões; a segunda perda acontece com aqueima de combustível num veículo quando está parado com o motorfuncionando em marcha lenta, sem produzir nenhuma locomoção noscongestionamentos.

Nas crises, os conceitos e produtos tradicionalmente aceitosnecessitam ser rapidamente reformulados para gerar oportunidadesde recuperar a produção e vender produtos de nova geração, comvantagens tais que promovam a rápida substituição pelos própriosusuários da frota atual de automóveis, caminhões, ônibus emotocicletas como ocorreu na substituição de carroças e cavalos nopassado.

O novo motor três-tempos pode ajudar a prolongar a duraçãodas reservas petrolíferas até a substituição gradativa e planejada porcombustíveis alternativos como o álcool, metanol, biodiesel e o gásmetano e talvez do hidrogênio médio prazo.

Uma concepção mecânica inédita, que reduza o porte do motore o número de componentes do motor e da transmissão, e recupereparte do calor desperdiçado (Qcooi + CWc) e (He, ic + Mhe.s),convertendo mais energia química em energia mecânica.

Um embasamento científico sólido é essencial para aprovarrapidamente o novo conceito de nossa patente "MOTOR ACOMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS". O primeiro passo é entender aessência das teorias atualmente aceitas nos "Fundamentos dosMotores a Combustão Interna", obtidas com base em experimentos emedições confiáveis, e na experiência pessoal acumulada obtidaanalisando-se e refletindo-se os sucessos e fracassos do passado,que nos estimulam à busca de novas idéias fundamentais paraespecular e realizar uma concepção inovadora.

Os motores 'bons' e 'ruins' para a poluição da atmosfera: De1890 a 1990, ou seja, por um século os fabricantes desenvolveramlivremente, diferentes conceitos construtivos do motor Otto e Dieselquatro-tempos, dois-tempos, motores refrigerados a ar e a água,monocilíndricos e multicilíndricos, com os cilindros em linha, em V,em 'boxer', em radial ou estrela nos aviões, nos motores rotativosWankel e nas turbinas aeronáuticas. Os usuários escolhiamlivremente o que lhes agradava, engenheiros aplicavam ospropulsores disponíveis em seus projetos; sendo que o consumoelevado de combustível, a poluição e o aquecimento causado eramfatores irrelevantes.

A partir de 1990, as autoridades do meio ambiente na Califórniaestabelecerem padrões de qualidade do gás de escape nos motores à5 combustão, permitindo que somente os motores mais eficientes emqualidade dos gases de escape fossem vendidos nos EUA. Estamedida foi aplicada em outros estados e nos demais paísesdesenvolvidos, que culmina na retirada do mercado os motoresineficientes como o Wankel, os dois-tempos, os quatro-temposrefrigerados a ar, sendo que todos eles foram aposentados.

Sobraram os motores Otto e Diesel de quatro temposrefrigerados a água, que foram ainda mais aperfeiçoados, deixaramde ferver nas serras, de bater pinos, travar válvulas de escape,equipados com catalisadores e permanecem, por enquanto, como os'melhores e mais eficientes motores' atuais, os únicos 'aprovados'pelas autoridades ambientais, que agora exigem uma redução de 30%na emissão de CO2 para a atmosfera. Os motores Otto de 4 cilindrosem linha, até 120 HPs e de 6 cilindros em "V" até cerca de 200 HPs, erotação máxima de 5.000 rpm refrigerados à água estão entre os'aprovados'. Os motores Diesel 'aprovados' são produzidos com 4cilindros em linha até 180 HPs e os maiores tem 6 de cilindros emlinha, chegando a cerca de 380 HPs, são refrigerados à água, e giramem rotações máximas de 2.000 rpm.

Em aviões com motores Otto, restaram apenas os motoreshomologados para uso aeronáutico, de 4 e 6 cilindros opostos do tipo'boxer' refrigerados a ar, de 370 HPs a 2.700 rpm, que atingem 740HPs nos pequenos aviões bimotores. Os motores maiores, radiais de9 e 18 cilindros até 2.500 HPs foram aposentados e substituídos pelasturbinas em versões turbo hélices e turbo fan (jato puro), a potêncianas turbinas varia hoje de 800 HPs a 4.000 HPs, na era do jato.

O calcanhar de Aquiles nos motores a combustão interna estáem inventar motores térmicos que transformem mais energia químicaem energia mecânica. Numa visão teórica preliminar, é óbvio,termodinamicamente, que queimando um combustível em um motorque gira uma revolução no virabrequim ou em motor que gira duasrevoluções para transformar calor em trabalho, estes motores nãodiferem teoricamente, a diferença fica puramente na concepçãomecânica destes motores.

A maior vantagem em queimar o combustível em uma revoluçãoem vez de duas revoluções, pelo menos teoricamente, é que elenecessita metade do volume de ar deslocado do pistão, em cadarevolução para uma dada potência, isto significa um motor com ametade do peso, um volante com a metade do peso, para o mesmonúmero de cursos efetivos que produzem trabalho, gerando umaeficiência maior na concepção mecânica, conclui o Prof. V.L.Malev naobra 'Internal-Combustion Engines' Mc Graw Hilll quando compara omotor dois-tempos e o motor quatro-tempos. Esta afirmação sevisualiza na prática ao consumidor leigo, em seu automóvel de 100HPs quatro tempos tem um motor maior e mais pesado que um motorde popa dois tempos com a mesma potência, e ambos giram a cercade 5.000 rpm na rotação máxima.

Na termodinâmica e na cinética físico-química das reações decombustão entre o ar comprimido e o combustível pressurizado,queimado por explosão através de ignição elétrica ou em queima lentado óleo diesel por injeção no ar comprimido aquecido, é hoje umateoria clara e um processo completamente entendido.Assim, enquanto o motor quatro tempos Otto e Diesel gastamduas revoluções para produzir energia mecânica, onde a transferênciaefetiva de energia acontece em meia revolução de 0o a 180°, o motordois tempos realiza a mesma tarefa com uma revolução completanum processo muito mal concebido, que mistura gases queimadoscom ar fresco mais combustível pulverizado e ainda os mistura comóleo lubrificante que não queima, gerando menor eficiência térmica deconversão de energia química em calor para produzir energiamecânica, de forma ineficiente e com gases de escape poluídos comóleo lubrificante.

Nos motores dois tempos, as válvulas de admissão e descarganos cabeçotes, usadas por Otto e por Diesel foram substituídas porjanelas de exaustão e transferência nas camisas dos cilindros, e aomesmo tempo, o bloco do motor e a parte traseira do pistão passarama funcionar como uma bomba de aspiração de ar fresco e combustívelpulverizado, aspirada pelo bloco, esta mistura é transferida para ocilindro pelas janelas de transferência. Esta concepção mecânica geraretorno de fluxo na transferência, misturando os gases queimadoscom o ar fresco e combustível pulverizado ainda não queimado, fatorque reduz na prática a eficiência esperada na teoria.

Muitos modelos de janelas de transferência e descarga nascamisas de cilindros e formas nas cabeças de pistão foram testadaspor décadas para tentar melhorar a eficiência da transferência elavagem dos gases: mas é extremamente difícil obter na pratica umaboa lavagem de gases quentes queimados, empurrando-os com umamistura de ar e combustível pulverizado no cilindro em alta rotação.

O dobro de queimas por rotação produz um aquecimentoexcessivo na cabeça do pistão, provocando derretimento e furo nacabeça do pistão, reduz a confiabilidade operacional, fundamental emaplicações aeronáuticas e veiculares.

O maior problema do motor dois tempos, é a dificuldade paraobter uma boa lavagem do cilindro. Este fator foi melhorado noprocesso Uniflow da GM Diesel entre 1928 a 1980, no entanto, apesardo grande excesso de ar enviado por sopradores sofisticados,melhores que as janelas de transferência, as soluções mecânicastentadas, tiveram outros problemas e não alcânçaram os resultadosteoricamente esperados,

A engenharia aeronáutica estuda de forma sistemática ascausas de uma falha ou acidente. Revisamos os motores dois temposà gasolina e o motor GM dois tempos diesel por este prisma: os 2.000rpm dos motores Diesel convencionais de quatro tempos, realizam1.000 queimas por minuto, e os 4.000 rpm nos motores compactosUniflow GM Diesel dois-tempos, realizavam 4.000 queimas porminuto. Com quatro vezes mais queimas pistões e válvulas de escapesuperaqueciam comprometendo a vida útil do itiotor. A GM aposentaseu motor diesel dois tempos compacto e rápido nos anos 80.

Objetivos, Breve Descrição e Vantagens da Invenção

A presente invenção "MOTOR A COMBUSTÃO TRÊS-TEMPOS" é um novo conceito de motor a combustão, que por suaconcepção inovadora, possui dimensões externas mais compactasque os atuais motores convencionais de quatro tempos hoje aplicadosem veículos automotores de passageiros, utilitários leves e aeronavespequenas ou médias com hélices (motor Otto), ou veículos de carga,ônibus, caminhões, tratores, embarcações qüe operam hoje commotores Diesel quatro tempos, para os substituir com vantagenstécnicas, nas versões: motor três-tempos a ignição e motor três-tempos a óleo diesel.Para melhor ilustrar os conceitos desta Patente "MOTOR ACOMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" expomos abaixo sete figurascomplementares, com os números de componentes idênticos nasfiguras: em parte das exposições é necessária a vista e análisesimultânea de diversas figuras para entender a nova tecnologia.

A Figura 1 apresenta um gráfico que demonstra o fluxo deenergia térmica total num motor a combustão e que parte destaenergia se converte em energia mecânica nos motores atuais Otto eDiesel de quatro tempos, elaborada pelo Prof. Heywoodl do MIT em"Internai Combustion Engines Fundamentais";

A Figura 2 apresenta o gráfico de Carnot e o diagrama angulardo motor de três tempos destacando tecnicamente as três funçõesangulares básicas: expansão, permuta de gases (Exchange) ecompressão do motor.

A Figura 3 apresenta uma vista esquemática comparativa entreum motor quatro tempos de alta rotação e dó novo motor três tempospor revolução, de baixa rotação e mais compacto;

A Figura 4 apresenta uma vista esquemática em corte frontal donovo motor com o pistão (3) na posição do ponto morto inferior (9), umvirabrequim volante (1) com carnes acionadores de válvulas, bombasdiversas, um soprador (21) para enviar ar novo ao cilindro (4), umescapamento (20) com uma bomba de sucção ventury (26) e umsistema de partida do motor;

A Figura 5 apresenta em perspectiva, o novo motor 3 temposexposto em versão com 2 cilindros em linha, sistema de ignição porvela, com válvula de admissão invertida de acionamento direto por umvirabrequim especial multifuncional;

A Figura 6 apresenta em visão esquemática em corte frontal elateral do novo motor em versão diesel / biodiesel de três cilindros emlinha, e mostra o funcionamento do virabrequim multifuncional emdetalhes, acionando bombas de combustível, lubrificante de ar(compressor) e de partida.

A Figura 7 apresenta em perspectiva uma vista global do novoconjunto motopropulsor três tempos com 6 cilindros opostos em Box1hélices e um soprador alimentador de ar de admissão e umescapamento do gás de exaustão acionado por ar comprimido numabomba ventury para propiciar a permuta de gases aprimorada pelosistema push -pull.

Descrição Detalhada da Invenção

Nas figuras de 1 a 7 denominamos com as letras A acompressão do primeiro tempo, B a expansão do segundo tempo, Ça permuta de gases do terceiro tempo. A primeira dezena nosnúmeros indicadores das figuras indicam as peças fundamentais domotor: virabrequim multifuncional (1), biela (2), pistão (3), camisa dopistão (4), ponto de abertura e fechamento das janelas de descargade gases quentes de escape do cilindro (5), e o ponto as janelas dedescarga de gases queimados (6), o conjunto válvula de descargainvertida (7), o ponto morto superior PMS a 0o = 360°(8), o pontomorto inferior PMI a 180° (9). Na primeira dezena indicamos osfluidos líquidos e gasosos e os instantes de ação elétrica, de injeção,de abertura de válvulas, bicos injetores etc., ar fresco (10), rotaçãopara frente (11), rotação para trás (12), início e fim da injeção decombustível (13), combustível pulverizado (14), gás queimado (15), arcomprimido de partida (16), faísca da vela (17), ponto de faísca davela em operação (18), recuperador de calor em espiral (19). Nasegunda dezena, indicamos componentes e conjuntos acessórios:escapamento (20), soprador de ar fresco (21), bico injetor decombustível (22), vela de ignição (23), coletor de ar fresco (24),compressor (25), bomba de vácuo de gás quente Ventury (26),reservatório de ar comprimido (27), bico injetor de ar comprimido departida (28), caixa múltipla de bombas de lubrificação, combustível,vácuo-ar auxiliares na operação (29).

Para maior facilidade de compreensão, explicamos, inicialmente,o motor três-tempos a explosão por ignição elétrica, e somente no fim,exporemos a versão do motor que opera com óleo diesel. Naexposição percorrermos todas as Figuras de 1 a 7.

A Figura 1 esquemática deve ser analisada em conjunto com aTabela 1 que se encontra no texto, mostrando o balanço térmico daenergia química inicial (mtQivh= 100%) transformada parcialmente empotência mecânica (Pb), e o saldo em calor perdido na refrigeração emiscelâneas (Qcooi + Qmisc), e em gases quentes de exaustão (Hejc +Mhe.s).

A Figura 2 mostra as características básicas do motor de trêstempos por rotação, dispostos em cartas técnicas padrão, aplicadosna engenharia mecânica dos motores a combustão alternativos: ográfico do ciclo de Carnot e o diagrama angular, onde caracterizamosos três-tempos do novo motor: A. compressão, B expansão, e Çpermuta (Exchange) a retirada de um gás queimado e sua reposiçãopor nova mistura de ar fresco (10) e combustível (14) pulverizado nointerior do cilindro (4) ou no coletor de admissão (24). O trecho dacompressão A que inicia no ponto (5) de fechamento da janela dedescarga (6) com o inicio de compressão A pelo movimentoascendente do pistão (3) da mistura de ar fresco (10) e combustívelpulverizado (14) que foi abastecida durante o ciclo da permuta C. Coma mistura comprimida até o ponto (17), ocorre a emissão da faísca deignição (17) num ângulo (18) antes do ponto morto superior (8).Ocorre ai, a explosão da mistura comprimida, com súbita elevação dapressão, que coincide com o inicio da expansão B, do gás quente (15)gerado na explosão da mistura ar fresco (10) mais combustívelpulverizado (14), gerando energia mecânica, que desloca o pistão (3)até o ponto (5) onde se inicia a descarga do gás quente (15) deexaustão que seguirá para o escapamento (20) do motor.

Pelo diagrama angular na Figura 2. o tempo de permuta(Exchange) no novo motor três-tempos é realizada entre os pontos (5)de abertura e (5) de fechamento da janela de descarga gasesqueimados (6) passando pelo ponto morto inferior (9) até ofechamento da janela (6) no mesmo ponto (5) com o pistão já emcurso ascendente. Durante a passagem da biela (2) no trecho do ciclode permuta C, a biela (2) não consegue transmitir com eficiência nestetempo, o movimento de translação do pistão (3) para rotação novirabrequim (1). Aproveitamos justamente o trecho C para realizar ociclo de permuta de gases (Exchange) a partir do ponto (5).

A Figura 3 demonstra a vantagem obtida comparando, asdimensões básicas dos motores Otto de quatro-tempos a cada duasrevoluções e no novo motor três-tempos por revolução desta patente.Como o quatro tempos Otto ou Diesel necessitam de uma revoluçãocompleta para realizar a permuta de gases (Exchange) no cilindro euma segunda revolução completa para realizar a Compressão e aExpansão no motor convencional, eles giram uma volta e meia semproduzir trabalho, que é realizado em menos de meia volta, entre ospontos (8) e (5) no novo motor.

Desta forma, nosso novo motor de três tempos por revolução,pode realizar a mesma tarefa com apenas dois cilindros que fariam omesmo trabalho dos quatro cilindros de um motor quatro tempos namesma rotação. Para conseguir neste motor de dois cilindros amesma potência na metade da rotação, .dobramos o volumedeslocado de 0,5 litro para 1,0 litro em cada pistão, para manter omesmo volume deslocado de 2 litros, o que se consegue na prática,aumentando em 26% o diâmetro Deo curso S do pistão (3) quepassa de 86mm para 108mm conforme exposto na Figura 3.

Assim, temos um motor três-tempos de dois cilindros de 1,0litros, que totaliza um volume deslocado útil de dois litros, com metadeda rotação e mesma potência. A válvula de aspiração invertida (7)diretamente acionada pelo virabrequim multifuncional (1) fez o novomotor três-tempos deste exemplo, ficar com a mesma altura do motorao quatro tempos, 22mm mais largo, e cerca de 120 mm mais curtono comprimento, ou cerca de 25% mais compacto em volume, maisleve, pois a massa rotativa do volante que pode ser reduzido àmetade está incorporado no virabrequim multifuncional (1), com maiseficiência mecânica por reduzirmos atritos, rotações e recuperarmoscalor na obtenção de energia mecânica, tornando-se menos poluentee com menor numero de componentes numa concepção geral maissimples, conforme a Figura 3.

A Figura 4 mostra em vista frontal esquemática nosso novomotor três-tempos refrigerado a líquido, onde o eixo virabrequim (1)está girando no sentido horário, acoplado ao pistão (3) através dabiela (2). No primeiro ciclo. o pistão (3) se desloca em cursodescendente, do ponto morto inferior PMI (9) a 180° até o ponto mortosuperior PMS (8) a 360° = 0o. Por esta Figura 4 e os gráficos daFigura 2 descrevemos os detalhes do funcionamento do ciclo C depermuta (Exchange) de gases. Temos à direita, o soprador (21) quecapta e envia ar fresco (10) que fica pressurizado e é enviado para ocilindro (4) através da válvula de admissão invertida (7) o ar fresco(10) ajuda a 'empurrar' os gases queimados (15) que estão sendoexpelidos através das janelas de descarga (6)" para o escapamento-silenciador (20) equipado com uma bomba Ventury1 aspiradora degases quentes (26), acionada por ar comprimido produzido pelocompressor (25) que sopra o ar comprimido no ventury (26). O arproduzido pelo compressor (25) é aquecido pelo recuperador de calorem espiral (19), disposto no escapamento (20), que recupera calordos gases de escape quentes (15), aumentando a eficiência daexaustão no sistema de Venturi (26) e diminuindo a temperaturadestes gases. Com o ar fresco limpando duplamente todo o volumedeslocado do cilindro (4), inicia-se a pulverização do combustível (14)através do bico injetor (22) por um tempo (13) ajustado conforme anecessidade de potência mecânica. A faísca (17) da vela de ignição(23) acontece no ponto (18) com retardo regulável, antes do pontomorto superior PMS (8), que determina a rotação desejada do motor.

As Figuras 2, 4 e 5 em conjunto, mostram o volume útildeslocado durante o movimento descendente do ponto morto superiorPMS (8) até o ponto de abertura (5) das janelas de descarga (6) otrecho que produz o trabalho mecânico útil a cada rotação, nossomotor de três-tempos girando a metade do numero de rotações de ummotor Otto de quatro tempos e quatro cilindros com, por exemplo, 2litros de volume total deslocado, que tendo 0,5 litros em cada pistão(3) num total de quatro peças, tem um diâmetro de D de 86mm e umcurso S de 86mm para produzir a mesma energia mecânica commetade das rotações em nosso novo motor de três-tempos porrotação, queimando o mesmo combustível.Na Figura 5 em conjunto com as figuras anteriores, examinamoso novo motor girando, nos ciclos A (compressão), B Expansão) e C(Permuta). O ciclo A, começa no ponto (5) de fechamento na janela dedescarga (6) com a mistura de ar e combustível já abastecida, ovirabrequim (1) girando no sentido horário' e o pistão (3) emmovimento ascendente comprimindo a mistura ar (10) combustívelpulverizado (14) pelo bico injetor (22) instalado próximo à válvula deadmissão (7). Ao fim da compressão a vela de ignição (23) dispara afaísca (17) provocando a explosão da mistura de ar fresco (10) ecombustível pulverizado (14) comprimidos, que explode, aumentandoseu volume, pressão e temperatura, formando os gases queimados(15), que iniciam o ciclo B de expansão e produção de energiamecânica que inicia no ponto morto superior (8) e termina no ponto deabertura (5) das janelas de troca (6) do cilindro (4) os ciclos AeB sãoconvencionais.

O calcanhar de Aquiles citado começa no ciclo C que inicia noponto (5) de abertura da janela de descarga (6) e na permuta degases (Exchange) expulsa os gases queimados, 'puxados' pelaaspiração da bomba ventury (26) instalada no escapamento (20) e'empurrada' pelo ar fresco (10) pressurizado pelo soprador (21) quealimenta o cilindro (4) através da válvula de admissão (7) enviando umvolume de ar soprado que ultrapassa o volume de gás queimado, deforma a eliminar todo o gás queimado.

Desta forma, com dupla ação ajudando na permuta de gases, abomba a vácuo (26) 'puxa' e o ar fresco (10) proveniente do soprador(21) 'empurra' o gás queimado realizando a permuta em regime debaixa velocidade, para obter uma permuta muito mais eficiente.Durante a admissão de ar no ciclo C, após a passagem do pontomorto inferior (9) inicia-se a injeção de combustível pulverizado (13)no duto de alimentação (24) próximo a válvula de admissão (27) atépouco antes do fechamento da janela de descarga, se conseguemisturar o combustível ao ar admitido de forma que não haja contactodo combustível novo injetado no trecho (13) com o gás queimado (15).

Que é 'empurrado' apenas com a frente de ar fresco pressurizado (10)que em contacto com o gás queimado (15) a mistura de arcombustível é produzida de forma a ficar exclusivamente ao redor davela de ignição (23).

Uma construção equivalente em resultados pode ser obtida emsegunda alternativa ao sistema 'puxa-empurra' alimentando o ventury(26) com ar soprado pelo ventilador (21) para retirar o gás queimado,a terceira alternativa é apenas 'empurrar' o ar queimado com aventoinha (21). Nas três modalidades para obter uma ótima permutano terceiro tempo, poderão ser escolhidas por cada fabricantelicenciado. No entanto, a aplicação do virabrequim multifuncional (1) eas válvulas de aspiração invertidas (7) é que possibilitam acompactação do motor três-tempos e a redução da rotação. As trêsalternativas possíveis no tempo C serão afinadas na prática por cadafabricante licenciado, que poderá afinar seu produto, o motor três-tempos conforme a necessidade e o uso do seu motor.

As melhorias obtidas: a baixa rotação e a válvula de aspiração(7) invertida eliminam uma série de problemas de concepçãomecânica dos antigos motores dois tempos: as válvulas de descargado GM Uniflow superaquecem mesmo com sódio metálico insertadona sua haste, nosso três-tempos utiliza apenas válvulas de cabeçotede aspiração, que trabalham frias. Sem o uso do volume interno nobloco e na parte traseira do pistão como bomba de ar, eliminamos alubrificação do motor por óleo dois tempos.Eliminamos a janela de transferência na camisa dos motoresdois-tempos tradicionais. A rotação mais baixa elimina o problema desuperaquecimento e o derretimento da cabeça do pistão. A ausênciade óleo dois tempos na gasolina melhora a qualidade do ar deexaustão e reduz o desperdício de óleo e diminui os problemas decarbonização das velas, pistões, anéis, escapamentos, aumenta aconfiabilidade do motor e reduz a necessidade de manutençãoperiódica causada pelo acumulo de carvão.

Mecanismo de autopartida: A figura 4 mostra também, umdispositivo de partida integrada no motor, pode acioná-lo para frenteou para trás, revertendo a rotação criando uma alternativa econômicade partida que elimina a marcha a ré em manobras do veiculo, e podeeconomizar combustível em operações de tráfego congestionado.

Parte do ar comprimido produzido pelo compressor (25), ficaarmazenado no tanque (27) e pode ser aplicado no bico injetor departida (28) que funciona como uma pistola de pintura que envia arcomprimido para mover o pistão e pode aplicar também pequenaquantidade de gasolina para partida do sistema no ponto (16) eacionar na vela de ignição (23) a faísca (17) para promover a rotaçãodo motor na direção (11). Para o motor partir em sentido de rotaçãoreverso (12), é necessário que o ponto de partida (16) esteja antes doponto morto superior PMS. Finalmente mostra a caixa bombeadora demúltipla finalidade (29) que pode bombear o combustível ao bicoinjetor, bombear óleo lubrificante para os mancais e anéis, oubombear vácuo para instrumentos, limpadores de pára-brisas etc.

As Figuras 4. e 5. detalham as funções inovadoras dovirabrequim multifuncional (1) que alem da função clássica de arvoremanivela com contrapesos, apresenta a função de volante paraabsorver e devolver energia mecânica regularizada dos picos deexplosão (8) mostrados no gráfico de Carnot na Figura 2, as funçõesdos carnes (curvas excêntricas) que evitam outras peças clássicasinternas de um motor convencional como o eixo comando, suasengrenagens acionadoras, seus mancais, balancins das válvulas,seus eixos, correias ou correntes, etc. O motor de baixa rotação podeeliminar bronzinas ou reduzir seu desgaste, elimina válvulas deescape, que necessitam de sódio metálico no .interior da haste, paraevitar travamentos.

A Figura 6. mostra em corte frontal e lateral da versãoDiesel/Biodisel, de construção mais robusta, do novo motor que podesubstituir o motor diesel tradicional de 4 ou 6 cilindros. Ele inicia seufuncionamento da mesma forma, que a versão a ignição por faíscaelétrica, tendo portanto a vela de ignição para partida (23) e o bicoinjetor diesel (22), o bico pulverizador de ar comprimido e gasolina(28). Como a partida ocorre de forma suave os níveis de compressãode ar são adequados para iniciar o funcionamento com gasolina econverter em seguida para o óleo diesel ou biodiesel.

A Figura 7. mostra uma versão aeronáutica de seis cilindrosboxer (opostos) com ignição por faísca com até 4 velas de ignição(23) por cilindro, com coletor de ar fresco (24) hélices propulsoras (26)de alto rendimento que operam com rotações máximas de 1.800 rpmpentapás ou hexapás de ultima geração, vários compressores (25),refrigerados a líquido.

Este motor na configuração da Figura 7, teoricamente eqüivale aum motor aeronáutico de 12 cilindros em rotações baixas. Osantigosmotores V-12, dos anos 30 e 40, fabricados pela GM Allyson,Pakcard1 Rolls Royce, Junkers Benz, trabalhavam em rotações de5.000 giros e necessitavam de redutores para atingir a rotação ideal,nas hélices: estes redutores, suas engrenagens e seus virabrequins,rolamentos não resistiam pela ausência de volantes entre o motor e oredutor para absorver choques das explosões dos doze cilindros. Osvolantes são componentes muito pesados para serem montadas nosaviões. Nos anos 50 as turbinas em versões turbo-hélice e turbo-fan(jato puro) aposentaram os motores aeronáuticos ciclo Otto, radiais de9 e de 18 cilindros até 2.500 HPs a 2.700 rpm.

Os novos motores três-tempos alternativos compactos, podeminiciar uma nova era de aviões com hélices 'modernas, e rotaçãomáxima abaixo de 2.000 rpm, com menor consumo de combustíveiscomo gasolina, querosene, álcool, metanol, puro ou em mistura, emversões boxer de 8 cilindros opostos para aviões quadrimotores quevoem em velocidades abaixo de 700 km/h.

Claims (10)

1.- "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS", caracterizadopor operar em três tempos bem definidos, A de compressão indo doponto de fechamento (5) até o ponto morto superior (8), B de expansãoindo do ponto morto superior (8) ao ponto de abertura (5) e C de permutaindo do ponto de abertura (5), passando pelo ponto morto inferior (9) atéo ponto de fechamento (5).

2.- "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" caracterizadopor possuir a válvula de admissão invertida (7), comandada de formadireta por um virabrequim multifuncional (1).

3.- "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS", caracterizadopor possuir um virabrequim multifuncional (1) que funciona como árvoremanivela, contra-peso, volante e ao mesmo tempo eixo comando para aválvula de admissão (7), compressor (25) e bombas diversas (29).

4.- "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS", caracterizadopor admitira mistura de ar (10) com combustível pulverizado (14) atravésda válvula de admissão invertida (7) e descarregar os gases queimados(15) através de janelas de descarga de gases queimados (6) dispostasna parede do cilindro (4).

5.- "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS", caracterizadopor possuir um tempo C de permuta que se inicia no ponto de abertura(5) quando as janelas de descarga (6) se abrem, permitindo a saída dosgases queimados (15) que são empurrados para fora do cilindro (4)através das janelas de descarga (6) pela ação do soprador de ar fresco(21) e também aspirados por sistema Venturi (26) disposta no interior doescapamento (20), passando pelo morto inferior (9) quando ocombustível pulverizado (14) começa a ser injetado no interior do cilindro(4) até o término do tempo de injeção de combustível (13), e o tempo Ctermina no ponto de fechamento (5).

6. - "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" caracterizadopor possuir um sistema push-pull sendo a ação de push uma açãoconstante realizada pelo soprador de ar fresco (21) e a ação de pulltambém uma ação constante e realizada pelo sistema de sucção.

7. - "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" caracterizadopor possuir um sistema de sucção, realizando a chamada ação de pull,que aspira o gás queimado (15) do interior do cilindro (4) através dedepressão produzida no escapamento (20), sendo tal sistema compostopelo compressor (25), recuperador de calor (19) e pelo sistema deVentury (26), disposto no interior do escapamento (20).

8. - "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" caracterizadopor possuir um sistema integrado de auto-partida a ar comprimidocomposto pelo compressor (25), reservatório de ar comprimido (27), bicoinjetor de partida (28), que permite a partida do motor para o sentidohorário (11) injetando uma mistura ar/combustível no ponto (16) após oponto morto superior (8) ou no sentido anti-horário (12), injetando umamistura ar/combustível no ponto (16) antes do ponto morto superior (8).

9. - "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" caracterizadopor poder operar em duas versões: a explosão por vela de ignição (23)com combustível liquido (14) (gasolina querosene, álcool, metanol), gáscombustível (metano, etano, propano, butano e gás natural) ou emversão a óleo diesel ou biodiesel de construção mais robusta e bicoinjetor (22) e bomba de combustíveis para injeção (29).

10. - "MOTOR A COMBUSTÃO DE TRÊS-TEMPOS" caracterizadopor ser de alta cilindrada e baixa rotação em relação às rotações dosmotores da técnica, reduzindo ou eliminado componentestransmissão como eixos, engrenagens, caixas de redução e câmbio.