ES2249741T3 - Compresor tipo gerotor y expansor tipo gerotor. - Google Patents

Compresor tipo gerotor y expansor tipo gerotor.

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ES2249741T3
ES2249741T3 ES04003555T ES04003555T ES2249741T3 ES 2249741 T3 ES2249741 T3 ES 2249741T3 ES 04003555 T ES04003555 T ES 04003555T ES 04003555 T ES04003555 T ES 04003555T ES 2249741 T3 ES2249741 T3 ES 2249741T3
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Mark T. Holtzapple
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Abstract

Un compresor del tipo gerotor que comprende: un gerotor interior; un gerotor exterior en el que dicho gerotor interior es accionado por primer engranaje y dicho gerotor exterior es accionado por un segundo engranaje, y en el que dicho compresor de gerotores es un compresor del tipo gerotor de flujo axial; una primera disposición de cojinete adaptada para soportar dicho gerotor interior, en el que dicha primera disposición de cojinete sólo está situada en una primera cara de una placa de selladura; y una segunda disposición de cojinete adaptada para soportar dicho gerotor exterior, en el que al menos una porción de dicha segunda disposición de cojinete está situada en una segunda cara de dicha placa de selladura.

Description

Compresor tipo gerotor y expansor tipo gerotor.
La invención se refiere a un compresor o expansor de tipo gerotor (comparar con el documento FR-A-2 720 788).
Para aplicaciones móviles, tal como un automóvil o camión, es generalmente deseable usar un motor térmico que tiene las características siguientes:
\bullet
Combustión interna para reducir la necesidad de intercambiadores de calor;
\bullet
Expansión completa para rendimiento mejorado;
\bullet
Compresión y expansión isotérmicas;
\bullet
Gran potencia por unidad de volumen;
\bullet
Expansión a temperatura alta para gran rendimiento;
\bullet
Capacidad para regular eficientemente el motor por estrangulador para estados de carga parcial;
\bullet
Relación alta de reducción (o sea, la capacidad de funcionar a velocidades y pares motores que varían ampliamente);
\bullet
Polución reducida;
\bullet
Usa componentes estándar con los que es familiar la industria automotriz;
\bullet
Capacidad de carburantes múltiples; y
\bullet
Frenado regenerativo.
Actualmente hay varios tipos de motores térmicos, cada uno con sus propias características y ciclos. Estos motores térmicos incluyen el motor de ciclo Otto, el motor de ciclo Diesel, el motor de ciclo Rankine, el motor de ciclo Stirling, el motor de ciclo Erickson, el motor de ciclo Carnot y el motor de ciclo Brayton. A continuación se proporciona una descripción breve de cada motor.
El motor de ciclo Otto es un motor barato de combustión interna, compresión baja con un rendimiento bastante reducido. Este motor es usado ampliamente para accionar automóviles.
El motor de ciclo Diesel es un motor moderadamente caro de combustión interna, compresión alta con un rendimiento elevado que es usado ampliamente para accionar camiones y trenes.
El motor de ciclo Rankine es un motor de combustión externa que es usado generalmente en centrales de energía eléctrica. El agua es el fluido de funcionamiento más corriente.
El motor de ciclo Erickson usa compresión y expansión isotérmicas con transmisión calorífica a presión constante. Puede ser realizado como un ciclo de combustión externa o interna. En la práctica, un ciclo Erickson perfecto es difícil de conseguir porque la expansión y la compresión isotérmicas no son conseguidas fácilmente en equipos industriales grandes.
El motor de ciclo Carnot usa compresión isotérmica y compresión y expansión adiabáticas. El ciclo Carnot puede ser realizado como un ciclo de combustión externa o interna. Presente potencia baja por unidad de volumen, complejidad mecánica, y compresor y expansor a temperatura constante difíciles de conseguir.
El motor de ciclo Stirling usa compresión y expansión isotérmicas con transmisión calorífica a volumen constante. Es realizado casi siempre como un ciclo de combustión externa. Tiene una potencia por unidad de volumen mayor que el ciclo Carnot pero el intercambio de calor es difícil de realizar y es difícil de conseguir la compresión y expansión a temperatura constante.
Los ciclos Stirling, Erickson y Carnot son tan eficientes como lo permite la naturaleza porque el calor es suministrado a una temperatura T_{caliente} uniformemente alta, durante la expansión isotérmica, y rechazado a una temperatura T_{fría} uniformemente baja durante la compresión isotérmica. El rendimiento máximo \eta_{max} de estos tres ciclos es:
\eta_{max}=1-\frac{T_{fría}}{T_{caliente}}
Este rendimiento es alcanzable sólo si el motor es "reversible", significando que el motor no tiene rozamiento y que no hay gradientes de temperatura o presión. En la práctica, los motores reales tienen "irreversibilidades" o pérdidas asociadas con el rozamiento y los gradientes de temperatura/presión.
El motor de ciclo Brayton es un motor de combustión interna que es realizado generalmente con turbinas y es usado generalmente para accionar aviones y alimentar algunas centrales de energía eléctrica. El ciclo Brayton presenta potencia muy alta por densidad de volumen, normalmente no usa un intercambiador de calor y tiene un rendimiento menor que los otros ciclos. Sin embargo, cuando un regenerador se añade al ciclo Brayton, el rendimiento del ciclo es incrementado. Tradicionalmente, el ciclo Brayton es realizado usando compresores y expansores multietapa de flujo axial. Estos dispositivos son generalmente adecuados para aviación en la que el avión funciona a velocidades bastante constantes; generalmente, no son adecuados para la mayoría de las aplicaciones de transporte, tales como automóviles, autobuses, camiones y trenes, que deben funcionar con velocidades que varían ampliamente.
El ciclo Otto, el ciclo Diesel, el ciclo Brayton y el ciclo Rankine tienen todos rendimientos menores que el máximo porque no usan pasos de compresión y expansión isotérmicas. Además, los motores de ciclos Otto y Diesel pierden rendimiento porque no expanden completamente los gases a presión alta y regulan (estrangulan) simplemente la descarga de gases de desecho a la atmósfera.
Por tanto, ha surgido una necesidad de un dispositivo que satisfaga las características antes mencionadas y otras tanto para motores móviles como fijos.
También ha surgido una necesidad de un dispositivo que supere estas y otras deficiencias.
La invención es definida por las características de las reivindicaciones.
Se describe un motor que comprende un compresor, una cámara de combustión y un expansor. El compresor comprime aire ambiente. La cámara de combustión quema el aire comprimido y produce gases de escape. El expansor recibe los gases de escape procedentes de la cámara de combustión y expande los gases de escape. El compresor puede ser un compresor del tipo gerotor o un compresor de émbolo que tiene control de volumen muerto variable. El expansor puede ser un expansor de gerotores o un expansor de émbolo que tiene control de volumen muerto variable.
En otra realización, un motor comprende un compresor de émbolo, una cámara de combustión, un expansor de émbolo y un depósito a presión. El compresor de émbolo comprime el aire ambiente. La cámara de combustión quema el aire comprimido y produce gases de escape. El expansor de émbolo recibe los gases de escape procedentes de la cámara de combustión y expande los gases de escape. El depósito a presión recibe y almacena el aire comprimido procedente del compresor.
En otra realización, un compresor del tipo gerotor comprende un gerotor interior y un gerotor exterior. El gerotor interior y el gerotor exterior son accionados de modo que no se tocan. Los gerotores pueden estar en voladizo o no en voladizo.
En otra realización, un expansor de gerotores comprende un gerotor interior y un gerotor exterior. El gerotor interior y el gerotor exterior son accionados de modo que no se tocan. Los gerotores pueden estar en voladizo o no en voladizo.
El motor tiene muchas aplicaciones motrices móviles posibles incluyendo el uso en locomotoras, la industria naval, tractores/remolques, autobuses y automóviles. El motor de la presente invención también tiene muchas aplicaciones motrices fijas posibles incluyendo, entre otras, generador de electricidad y potencia motriz para equipo industrial.
Una ventaja técnica de la presente invención es que el compresor y el expansor tienen movimiento rotatorio lo que evita el coste, la complejidad, el peso y el tamaño asociados con transformar el movimiento lineal de émbolos/cilindros convencionales en movimiento rotatorio.
Otra ventaja técnica de la presente invención es que el compresor y el expansor tienen una "relación de reducción" alta, lo que significa que pueden funcionar eficientemente tanto a velocidades altas como bajas.
Otra ventaja técnica más de la presente invención es que el compresor y el expansor son dispositivos de desplazamiento positivo, lo que les permite funcionar a velocidades bajas en aplicaciones de potencia reducida.
Otra ventaja técnica de la presente invención es que el compresor y el expansor del tipo gerotor están equilibrados perfectamente, lo que elimina prácticamente las vibraciones.
Otra ventaja técnica es que el motor es muy sensible y acelera rápidamente, muy parecido a un motor Wankel, debido a su tamaño pequeño y peso reducido.
Otra ventaja técnica es que el compresor del tipo gerotor es robusto, permitiendo que el agua líquida sea pulverizada para refrigeración durante la compresión.
Otra ventaja técnica es que, en aplicaciones móviles, el expansor puede ser desacoplado independientemente del tren de accionamiento, permitiendo el frenado regenerativo haciendo funcionar el compresor a partir de la energía cinética en el vehículo.
Otra ventaja técnica más es que, en aplicaciones móviles, el compresor puede ser desacoplado independientemente del tren de accionamiento, permitiendo que el expansor dedique toda su potencia a acelerar el vehículo, proporcionando al vehículo un incremento de potencia durante la puesta en marcha.
Otra ventaja técnica es que hay poca polución emitida debido al gran rendimiento de la cámara de combustión tubular.
Otra ventaja técnica es que la cámara de combustión tubular puede quemar casi cualquier carburante.
Otra ventaja técnica es que un motor de arranque eléctrico no es necesario porque el aire comprimido almacenado puede ser usado para arrancar el motor.
Otra ventaja técnica es que el motor es silencioso porque los gases salen del expansor a 1 atmósfera (101,325 kPa) aproximadamente. No debería ser necesario un silenciador.
Otra ventaja técnica es que el lubricante del motor, tal como aceite, debería durar mucho tiempo porque no hay fuga de productos quemados incompletamente.
Otra ventaja técnica es que hay muy pocas partes móviles, lo que debería permitir que el motor sea muy fiable con una vida prolongada.
Otra ventaja técnica es que el motor es extremadamente eficiente; se aproxima al ciclo Erickson, un motor reversible que es eficiente termodinámicamente (según Carnot).
Otras ventajas técnicas resultarán evidentes para las personas de cualificación ordinaria en la técnica en vista de la descripción detallada siguiente de realizaciones preferidas y de los dibujos adjuntos. Algunas de las ventajas son conseguidas con las características según las reivindicaciones independientes.
Algunas de las ventajas son conseguidas con las características según las reivindicaciones independientes.
Para una compresión más completa de la presente invención, las necesidades satisfechas por ella y sus características y ventajas, ahora se hace referencia a las descripciones siguientes consideradas en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 representa un esquema de bloques de un motor de ciclo Brayton casi isotérmico;
la Figura 2 representa un esquema de un motor de ciclo Brayton casi isotérmico realizado en un sistema de transporte;
las Figuras 3a-3l ilustran el funcionamiento de un compresor del tipo gerotor según una realización de la presente invención;
la Figura 4 representa un corte transversal esquemático de un compresor del tipo gerotor según una realización de la presente invención;
la Figura 5 es un esquema de un compresor del tipo gerotor no en voladizo según una realización de la presente invención;
las Figuras 6a-6g representan varias vistas en corte del compresor del tipo gerotor no en voladizo de la Figura 5;
la Figura 7 es un esquema de un compresor del tipo gerotor no en voladizo según otra realización de la presente invención;
la Figura 8 representa un esquema de un regenerador de rueda giratoria;
la Figura 9 representa un corte transversal esquemático de una cámara de combustión tubular cerámica;
la Figura 10 es un gráfico de perfiles de temperaturas medidas a lo largo del eje de una cámara de combustión tubular;
la Figura 11 es un gráfico de la concentración de NO_{x} en función de la relación de equivalencia;
las Figuras 12a y 12b muestran las dimensiones aproximadas del compresor y el expansor para un motor de 100 kW;
la Figura 13 muestra las dimensiones aproximadas de un intercambiador de calor; y
la Figura 14 muestra las dimensiones aproximadas de los depósitos de aire comprimido usados para el frenado regenerativo.
Realizaciones de la presente invención y sus ventajas técnicas pueden ser comprendidas mejor refiriéndose a las Figuras 1 a 14, con números iguales refiriéndose a partes iguales y correspondientes de los diversos dibujos.
Refiriéndose a la Figura 1, se describe un esquema de bloques general del motor 100 de ciclo Brayton casi isotérmico según una realización de la presente invención. El aire ambiente 102 es recibido y comprimido en el compresor 106 y después es calentado a contracorriente en el regenerador 108 usando la energía térmica procedente de los gases de escape. En la cámara 112 de combustión, el carburante 110 es introducido dentro del aire precalentado y es encendido. Los gases de combustión a presión alta circulan al interior del expansor 114 donde es producido el trabajo W_{salida}.
Después de que el aire se expande en el expansor 114, el aire caliente circula a través del regenerador 108, precalentando el aire que circula desde el compresor 106 a la cámara 112 de combustión. El aire sale del regenerador 108 como gas 116 de escape.
Para hacer mínimas las exigencias de trabajo para el compresor 106, agua líquida atomizada 104 puede ser pulverizada dentro del aire ambiente 102, refrigerando el aire ambiente 102 durante la compresión en el compresor 106. La temperatura de salida del compresor 106 es casi igual que la temperatura de entrada, así que se considera que la compresión es "casi isotérmica".
La Figura 2 representa un esquema de un motor de ciclo Brayton casi isotérmico realizado en un sistema de transporte. El funcionamiento del motor 200 será descrito durante el estado permanente, el frenado y la puesta en marcha.
Durante el funcionamiento en estado permanente, niebla 104 de agua es pulverizada dentro del aire ambiente 102 del compresor 106. Esto produce que la temperatura del aire de salida sea casi igual que la temperatura del aire de entrada, haciendo que la compresión sea "casi isotérmica".
Para conseguir los beneficios del compresor casi isotérmico, puede ser necesario que el agua sea atomizada. En una realización, el agua es atomizada tan finamente que se vaporiza completamente durante los pocos milisegundos que permanece en el compresor.
Agua sin sal será inyectada preferiblemente dentro del compresor de modo que no haya depósitos de sal en el expansor o en el intercambiador de calor. El agua sin sal es considerablemente más barata que el carburante, así que hay los beneficios económicos de ahorrar carburante por medio de la inyección de agua. Sin embargo, puede haber algunas limitaciones logísticas para obtener agua sin sal en todas partes. En otra realización, podría usarse agua corriente del grifo. En esta realización, agua en exceso es inyectada dentro del compresor. La salida del compresor haría contacto con un eliminador de niebla para eliminar cualquier agua en exceso. Esta agua en exceso tendrá una concentración de sal mayor que la del agua inicial porque mucha agua se evapora en el compresor.
El compresor 106 comprime el aire ambiente a una presión alta. En una realización, el aire ambiente puede ser comprimido a una presión de unas 10 atmósferas (1.013,25 kPa). También pueden ser usadas otras presiones para el aire comprimido.
En una realización el compresor 106 incluye el dispositivo 238 de volumen muerto variable que consta de un émbolo pequeño 239 dentro de un cilindro. La posición del émbolo dentro del cilindro es dispuesta por un actuador (no mostrado) tal como un servomotor eléctrico. Como se representa en la figura, si el émbolo 239 es situado a la derecha, aumenta el volumen muerto 237 en la cámara 109. Cuando el émbolo principal 107 se mueve hacia arriba, el volumen muerto extra impide que la presión se haga alta. Inversamente, cuando el émbolo pequeño 239 es situado a la izquierda, ello reduce el volumen muerto 237 en la cámara 109. Cuando el émbolo principal 107 se mueve hacia arriba, el volumen muerto pequeño permite que la presión se haga alta. Regular la relación de compresión de esta manera permite que la potencia de salida del motor sea ajustada sin producir irreversibilidades significativas.
En otra realización, el compresor 106 es un compresor del tipo gerotor. Tal compresor será descrito con más detalle a continuación.
Las Figuras 3a y 3b representan los elementos básicos del compresor 300 del tipo gerotor. Refiriéndose a la Figura 3a, el compresor 300 del tipo gerotor comprende el gerotor interior 302 y el gerotor exterior 304. El gerotor interior 302 tiene un diente menos que el gerotor exterior 304, produciendo una pluralidad de huecos tal como el hueco 306. El gerotor exterior 304 también gira más rápidamente que el gerotor interior 302.
Refiriéndose a la Figura 3b, el compresor del tipo gerotor incluye la placa 308 de válvula. La placa 308 de válvula tiene al menos dos aberturas: al menos una entrada 312 de gas y al menos una salida 310 de gas. En la Figura 3b sólo se muestran dos aberturas; debería comprenderse que la forma y el tamaño de las aberturas pueden ser cambiados para hacer óptimos el rendimiento y el funcionamiento del compresor.
Mientras los gerotores 302 y 304 giran, el hueco 306 se abre, aspirando gas, tal como aire, a través de la entrada 312 de la placa 308 de válvula. Una vez que el hueco 306 ha alcanzado su volumen completo, la placa 308 de válvula sella el hueco 306, atrapando el gas. Mientras los gerotores 302 y 304 continúan girando, el volumen del hueco 306 disminuye, comprimiendo el gas atrapado. Finalmente, el gas comprimido es movido a la salida 310 de la placa 308 de válvula y es expulsado. Este proceso es continuo y ocurre en una pluralidad de huecos formados entre los gerotores 302 y 304, como se representa en las Figuras 3c-3l.
La Figura 4 es un corte transversal esquemático del compresor 400 del tipo gerotor. El gerotor interior 402 está en voladizo (o sea, tiene un saliente de soporte extendido desde su base) y está soportado por los cojinetes 404 del gerotor interior. El gerotor exterior 406 también está en voladizo y está soportado por los cojinetes 408 del gerotor exterior. Los dientes de los gerotores 402 y 406 tienen una tolerancia muy pequeña para impedir la fuga de los gases, pero no hacen contacto entre sí para evitar problemas de lubricación y desgaste.
Los gerotores 402 y 406 son accionados por el primer engranaje 410 y el segundo engranaje 412. El primer engranaje 410 y el segundo engranaje 412 tienen preferiblemente la misma relación que los gerotores 402 y 406. El primer engranaje 410 y el segundo engranaje 412 accionan los gerotores 402 y 406 tal que los gerotores 402 y 406 se mueven entre sí sin contacto. Una ventaja de este movimiento relativo es que no hay necesidad de lubricar los gerotores 402 y 406. En cambio, los engranajes 410 y 412 son lubricados, lo que es considerado generalmente más fácil. Esta lubricación será tratada con más detalle a continuación.
El gas entra en el compresor 400 del tipo gerotor por la entrada 422 de gas. El gas comprimido sale del compresor del tipo gerotor por la salida 424.
En una realización, los gerotores 402 y 406 pueden estar construidos de material cerámico y no precisarían refrigeración. Un inconveniente de usar material cerámico es el coste elevado del material. Por tanto, en otra realización pueden usarse metales. Para impedir daños en el metal, el metal puede ser enfriado por el refrigerante 414 que puede ser hecho circular. Como todos los gerotores giran, es necesario hacer circular el refrigerante 414 a través de los gerotores usando los anillos deslizantes 416 y 420.
En otra realización, es posible un sistema híbrido en el que el núcleo está fabricado de metal refrigerado y el exterior está revestido con un material cerámico aislante que reduce las pérdidas de calor al refrigerante 414.
El primer engranaje 410 y el segundo engranaje 412 pueden ser lubricados con un lubricante adecuado tal como aceite. Para impedir que los gases entren en el lubricante, puede emplearse la selladura frontal 418. La selladura frontal 418 puede incluir un anillo de grafito cargado por resorte que gira contra una superficie muy pulida. La rotación relativa entre el gerotor interior 402 y el gerotor exterior 406 es pequeña, así que la selladura frontal 418 no debería experimentar un desgaste significativo.
Si es necesario, el lubricante usado para lubricar el primer engranaje 410 y el segundo engranaje 412 puede ser hecho circular usando anillos deslizantes (no mostrados) que pueden ser similares a los usados para el refrigerante 414.
En realizaciones alternativas, el gerotor interior 402 y el gerotor exterior 406 pueden estar soportados sin voladizos. Refiriéndose a la Figura 5, se proporciona una vista lateral del compresor 500 del tipo gerotor no en voladizo. En el compresor del tipo gerotor no en voladizo, el gerotor interior 508 y el gerotor exterior 506 están soportados en sus extremos, respectivamente. Por tanto, no hay voladizo.
En la Figura 5, las barras fijas no rotatorias 502 y 526 están situadas en medio del compresor 500 del tipo gerotor. El "recodo" 504 define dos ejes, el gerotor exterior 506 gira alrededor de un eje y el gerotor interior 508 gira alrededor del otro eje. La barra fija 526 está unida a la placa 510 de válvula que está conectada al tubo 512 de presión alta. El tubo 512 de presión alta está unido a la envoltura 514.
El árbol rotatorio 516 está acoplado al gerotor exterior 506. El engranaje exterior 518 está unido al gerotor exterior 506 que acciona el engranaje interior 520 que está acoplado al gerotor interior 508. Los engranajes interior y exterior 520 y 518 permiten que los gerotores interior y exterior 508 y 506 giren sin tocarse, eliminando así la necesidad de lubricante en las superficies de gerotores. Los engranajes 518 y 520 pueden ser lubricados por aceite. La selladura frontal 522 se desplaza sobre una cara circular lisa rebajada dentro de la superficie del gerotor interior 508. La selladura rotatoria 524 sella contra el árbol central 526.
El gas a presión baja entra por el agujero 511 de entrada (véanse las Figuras 6c y 6d) en la placa 510 de válvula. El gas a presión baja se comprime en los gerotores, como se describió antes, y es extraído como gas a presión alta por la abertura 590 de escape.
El anillo deslizante 528 suministra aceite lubricante y agua refrigerante, que pueden ser distribuidos a los gerotores interior y exterior 508 y 506 a través de canales interiores (no mostrados) en el gerotor exterior 506, las barras 502 y 526 y el recodo 504. Los anillos deslizantes 530 permiten que los fluidos sean distribuidos al gerotor interior 508.
En las Figuras 6a-6g se muestran varias vistas en corte del compresor 500 del tipo gerotor no en voladizos.
En una realización alternativa mostrada en la Figura 7, la envoltura ha sido eliminada. En esta realización, el gerotor exterior 702 es fijo y el gerotor interior 704 gira accionado por la placa 706 de aleta rotatoria. Cuando el gerotor interior 704 gira, los engranajes 708 y 710 causan que gire en movimiento orbital.
Una persona de cualificación ordinaria en la técnica reconocerá que, aunque las realizaciones del compresor tipo gerotor y del compresor tipo gerotor no en voladizos son descritas anteriormente como compresores, funcionan igualmente bien como expansores. Cuando se usan como expansores, su funcionamiento es invertido. Por ejemplo, en un expansor, los gerotores giran en sentido contrario y el gas entra en el expansor a una presión alta, realiza trabajo (o sea, se expande) y es extraído como gas a presión baja.
Refiriéndose nuevamente a la Figura 2, el compresor 106 puede ser accionado por unos medios de accionamiento, tal como la correa 204, a través del embrague 202 de compresor de una manera que es conocida en la técnica.
El aire comprimido procedente del compresor 106 circula a través del intercambiador de calor o regenerador 108 donde es precalentado. En una realización el aire comprimido es calentado a una temperatura nominal de unos 1.039 K.
Para ahorrar peso y reducir costes, el intercambiador 108 de calor pude ser dimensionado para manejar la carga calorífica asociada con el viaje por autopista a velocidad constante (normalmente, potencia de salida de unos 15 hp = 11.185 W para un automóvil). El compresor 106 y el expansor 114 tienen capacidad para funcionar a potencias de salida mucho mayores (por ejemplo, unos 150 hp = 111.850 W) con fines de aceleración. El motor como un todo es menos eficiente durante estos incrementos bruscos de potencia pero, como los incrementos bruscos de potencia son usualmente sólo una porción pequeña del ciclo operativo, su efecto sobre el rendimiento global del sistema debería ser mínimo.
En una realización el intercambiador 108 de calor puede ser un intercambiador de calor a contracorriente. En otra realización el intercambiador 108 de calor puede ser un regenerador de rueda giratoria, un ejemplo del cual es mostrado en la Figura 8. La rueda giratoria 800 puede tener una malla porosa 805 de metal, material cerámico o material similar, a través de la cual circulan los gases. El separador fijo 810 permite que el gas caliente 815 sea separado del gas frío 820. Cuando el gas caliente 815 circula a través de la malla porosa 805, calienta la malla 805. Cuando la rueda giratoria 800 gira, la malla 805, que es calentada, hace contacto con el gas frío 820, causando el gas frío se caliente. Mientras la rueda giratoria 800 continúa girando, la malla 805, ahora enfriada, hace contacto nuevamente con el gas caliente 815 donde es calentada nuevamente.
El aire comprimido precalentado sale del intercambiador 108 de calor y, cuando la válvula 232 de entrada está abierta, circula a la cámara 112 de combustión donde carburante 110 es añadido y la mezcla de aire/carburante es encendida por el encendedor 218.
En la realización, la cámara 112 de combustión puede ser una cámara de combustión tubular. El concepto general de la cámara de combustión tubular, que es conocido por las personas de cualificación ordinaria en la técnica, fue desarrollado por el Profesor Stuart Churchill de la Universidad de Pennsylvania. Refiriéndose a la Figura 9, se proporciona un corte transversal esquemático de la cámara de combustión tubular 900 según una realización de la presente invención. La cámara de combustión tubular 900 incluye la pared 910 de cámara de combustión. En una realización, la pared de cámara de combustión puede ser de material cerámico, lo que permite que la temperatura dentro de la cámara de combustión tubular 900 alcance unos 2.200 K, lo que asegura la combustión completa de la mezcla de aire/carburante. También pueden usarse otros materiales adecuados tal como metal resistente a la temperatura elevada.
En funcionamiento, la mezcla de aire/carburante 912 entra en la cámara 900 de combustión por la entrada 902 y es calentada por la pared 910 de la cámara de combustión mediante radiación y convección. Una vez que el gas alcanza la temperatura de ignición, el frente 908 de llama es iniciado. Durante la puesta en marcha, el frente 908 de llama puede ser iniciado por un encendedor tal como una bujía (no mostrada). Cuando la cámara de combustión tubular 900 está fabricada de material cerámico, el frente 908 de llama es tan caliente que todo el carburante es encendido completamente, no hay hidrocarburos sin quemar que salgan de la cámara de combustión tubular 900 de material cerámico. La mezcla de aire/carburante quemada sale de la cámara 900 de combustión como gases 914 de escape por la salida 904.
La Figura 10 muestra perfiles de temperaturas medidas a lo largo del eje de la cámara de combustión tubular 900. Hay siete perfiles posibles de temperaturas en estado permanente. Mediante la investigación de Stuart Churchill, todos los siete fueron predichos por simulaciones de ordenador y posteriormente todos los siete fueron determinados experimentalmente.
Las altas temperaturas en la cámara de combustión tubular causa que monóxido de carbono sea formado inicialmente. Como hay una abundancia de aire en exceso, sin embargo, cuando los gases se enfrían, es formado dióxido de carbono. Por tanto, es posible hacer funcionar el motor de la presente invención con una concentración de monóxido de carbono de 0,5 ppm (partes por millón) aproximadamente.
Las cámaras de combustión tubulares tienen varias ventajas respecto a los quemadores convencionales. Por ejemplo, los quemadores convencionales usan la retromezcla deliberada para precalentar la mezcla de aire/carburante a su temperatura de ignición. Desgraciadamente, la retromezcla favorece la formación de NO_{x} porque incrementa el tiempo de permanencia del gas. En contraste, una cámara de combustión tubular no tiene retromezcla, el gas fluye a través de la cámara de combustión tubular de una manera de flujo tipo émbolo. El tiempo de permanencia es tan pequeño (unos 7 ms) que es posible hacer funcionar la cámara de combustión tubular con formación muy baja de NO_{x}.
La Figura 11 muestra que en relaciones de equivalencia menores que 0,6, la concentración de NO_{x} es sólo de 2 ppm aproximadamente. La relación \phi de equivalencia es definida como el carburante real añadido comparado con la adición estequiométrica requerida de carburante. Usando aire a temperatura ambiente como alimentación, con una relación de equivalencia de 0,6, la temperatura de salida de la cámara de combustión tubular es 1.300 K aproximadamente.
Con relaciones de equivalencia mayores, la temperatura de combustión aumenta, lo que incrementa el rendimiento del motor. Sin embargo, esto también incrementa la producción de NO_{x}. Así, en otra realización, un convertidor catalítico es usado para reducir la cantidad de NO_{x}. Agentes reductores posibles incluyen, entre otros, amoniaco, urea y carburante. El consumo típico de amoniaco líquido puede ser unos 2 ml/h durante la conducción en autopista.
La cámara de combustión tubular fue diseñada principalmente para producción fija de potencia bajo la hipótesis de que no experimentaría muchos ciclos de arranque/parada. Antes de la puesta en marcha, el material cerámico está frío; debe ser calentado antes del uso. Por lo tanto, en una realización, el material cerámico puede ser envuelto con un elemento calefactor por resistencia (no mostrado) para precalentar el material cerámico antes de que el carburante sea introducido. También pueden ser usados otros dispositivos y técnicas adecuados de precalentamiento.
En otra realización, la cámara de combustión tubular puede ser colocada dentro de un cilindro tal que hay un espacio anular entre la cámara de combustión tubular y el cilindro. El espacio anular puede ser llenado con un material absorbente. En una realización el material absorbente puede absorber hidrógeno y, en el proceso, desprender calor. Este sirve para precalentar la cámara de combustión tubular.
En otra realización el espacio anular es un vacío y puede ser llenado con placas muy delgadas (0,025 mm aproximadamente) de níquel en capas múltiples. En una realización, son usadas 100 capas. Las capas múltiples muy pulidas de níquel son un mal conductor y mantendrán el calor debido al funcionamiento durante un tiempo significativo. Por tanto, si el motor es hecho funcionar frecuentemente (por ejemplo, diariamente), la cámara de combustión tubular debería mantener algún calor procedente de ese funcionamiento.
Refiriéndose nuevamente a la Figura 2, el encendedor 218 puede ser una bujía convencional. En otra realización el encendedor 218 es una bujía de "cañón sobre carril". Esta bujía de cañón sobre carril emite una "chispa de encendido" bajando por el centro de la cámara 112 de combustión para encender la mezcla de aire/carburante durante la puesta en marcha.
La magnitud, la temporización y la duración del encendido que proporciona el encendedor 218 pueden variar. En una realización, el encendedor 218 sólo precisa ser encendido una vez para iniciar el frente de llama. Una vez que la mezcla de aire/carburante es encendida inicialmente, la mezcla de aire/carburante añadida sostiene el frente de llama, eliminando la necesidad de encendidos adicionales desde el encendedor 218. En otra realización para incrementar la relación de reducción, que es definida como la velocidad máxima de combustión dividida por la velocidad mínima de combustión, el encendedor 218 continúa encendiendo después de la puesta en marcha inicial. En el caso del expansor de émbolo, la temporización puede coincidir con las expansiones periódicas de los émbolos. En el caso del expansor de gerotores, el encendido puede ser continuo.
Después de la combustión, el gas caliente a presión alta circula a través del expansor 114 que produce potencia en el eje. El expansor 114 puede comprender el manguito 220 y el tapón 222 que serán tratados con más detalle a continuación.
Al principio de la expansión, la presión es constante (por ejemplo, unas 10 atmósferas = 1.013 kPa) porque la válvula 232 de entrada está abierta. Cuando la válvula 232 de entrada se cierra, la expansión continúa adiabáticamente, enfriando así el gas mientras se produce trabajo. En una realización el manguito cerámico 220 y el tapón cerámico 222 pueden ser usados para aislar los gases respecto a la pared 236, que es enfriada. El tapón cerámico 222 no tiene contacto deslizante con la pared 236 así que no es necesario proporcionar lubricación. Tampoco es necesario tener en cuenta la dilatación térmica de el tapón 222 y la pared 236. El manguito cerámico 220 no precisa ser unido a la pared 236, permitiendo que un huelgo pequeño esté situado entre el manguito 220 y la pared 236, previendo así la dilatación térmica diferente del material cerámico y del material de pared. Como los gases circulan libremente entre el manguito cerámico 220 y la pared 236, el manguito cerámico no precisa resistir una diferencia de presiones a través de su pared.
En otra realización el expansor 114 puede incluir el dispositivo 240 de volumen muerto variable. El dispositivo 240 de volumen muerto variable funciona de modo similar que el dispositivo 238 de volumen muerto variable descrito anteriormente en conjunción con el compresor 106.
En otra realización el expansor 114 puede ser un expansor de tipo gerotor. El expansor de tipo gerotor funciona exactamente igual que el compresor tipo gerotor, antes descrito, excepto en que funciona inversamente. Por ejemplo, el gas a presión alta entra por la lumbrera pequeña 312 en la Figura 3b y sale por la lumbrera grande 310. Cuando el expansor se calienta, aumentarán las dimensiones de sus componentes. Esto puede hacerse mínimo enfriando los componentes. Para hacer mínimas las pérdidas caloríficas al refrigerante, los gerotores podrían estar revestidos con un material cerámico aislante.
En otra realización del expansor 114 mostrado en la Figura 2, el manguito cerámico 220 y el tapón cerámico 222 pueden ser eliminados a favor de un émbolo y un cilindro metálico tradicionales, pero habrá mayor pérdida calorífica a las paredes. En otra realización, un émbolo y un cilindro cerámicos pueden ser usados en lugar de los metálicos.
También pueden ser usados otros diseños de expansor adecuados tal como un expansor Wankel.
Como se muestra en la Figura 2, el expansor 114 acciona el embrague 208 de expansor que acciona la transmisión 216 y el eje impulsor 206, y finalmente se conecta a unos medios propulsores, tal como las ruedas, para mover un vehículo. Además, la potencia para hacer funcionar el compresor 106 es suministrada a través de la correa 204 u otro mecanismo impulsor adecuado.
Cuando la expansión está completa, la válvula 234 de escape es abierta, permitiendo que los gases salgan del expansor 114. Los gases que salen del expansor 114 están calientes y circulan a través del intercambiador 108 de calor, donde precalientan el gas entrante, y son descargados finalmente a la atmósfera como gases 116 de escape.
El par del motor puede ser regulado de varios modos, incluyendo el estrangulamiento y la relación variable de compresión. El método de estrangulamiento es similar a la manera en la que son controlados los motores de ciclo Otto. El motor tiene una relación fija de compresión pero, como la entrada de aire es ahogada, la entrada de compresor está en un vacío. Como el compresor empieza desde un vacío, la presión máxima obtenida por el compresor es menor, lo que reduce el par motor de salida de motor. Debido a las irreversibilidades asociadas con el estrangulador (válvula estranguladora), este método no favorece el rendimiento energético, sin embargo, es muy sencillo de realizar.
En una realización, la cantidad de carburante añadida por carrera puede ser variada. Más carburante aumenta la temperatura, lo que incrementa la presión, lo que incrementa el trabajo por carrera. La desventaja de este método es que funcionar con un par motor reducido significa que la temperatura del motor es más baja, lo que reduce el rendimiento.
El método de relación variable de compresión cambia la relación de compresión tanto del compresor como del expansor. En el caso del compresor/expansor tipo gerotor, la compresión variable puede ser conseguida variando la forma de las aberturas de las placas de válvulas. Una relación baja de compresión es conseguida aumentando la lumbrera de descarga del compresor de tipo gerotor y la lumbrera de entrada del expansor de tipo gerotor. Inversamente, una relación alta de compresión puede ser conseguida reduciendo la lumbrera de descarga del compresor de tipo gerotor y la lumbrera de entrada del expansor tipo gerotor. Mecanismos para efectuar esto son descritos en la Solicitud de Patente de EE.UU. no de serie 09/126.325, de Holtzapple y otros, titulada "Sistema y componentes de acondicionamiento de aire de evaporación con compresión de vapor", presentada el 31 de julio de 1.998, cuya descripción es incorporada por referencia en su totalidad.
Con relaciones de compresión más bajas, el motor produce menos par motor y con relaciones de compresión más altas, el motor produce más par motor. A diferencia de los ciclos Brayton convencionales, el rendimiento energético del motor de ciclo Brayton casi isotérmico no depende de la relación de compresión, así que este es un modo muy eficiente de variar el par de salida del motor.
En el caso del compresor/expansor de émbolo, una relación variable de compresión puede ser conseguida usando los dispositivos 238 y 240 de volumen muerto variable tanto en el compresor 106 como el expansor 114. Incrementar el volumen muerto del compresor 106 reduce la presión de salida, lo que reduce el par del motor. Inversamente, reducir el volumen muerto del compresor 106 incrementa la presión de salida, lo que aumenta el par del motor. Cuando la presión del compresor 106 es baja, el expansor 114 necesita una relación más baja de expansión, así que es empleado más volumen muerto. Cuando la presión del compresor 106 es alta, el expansor 114 necesita una relación más alta de expansión, así que es usado menos volumen muerto.
El sistema de la presente invención puede emplear el frenado regenerativo. Refiriéndose a la Figura 2, una realización usa las válvulas 210, 211 y 212, el depósito 214 a presión y los embragues 208 y 202 que pueden ser cualquier embrague adecuado conocido en la técnica. El depósito 214 a presión puede tener muchas formas posibles tales como formas esféricas y cilíndricas. Puede estar compuesto por materiales metálicos o materiales compuestos tal como fibra de grafito incrustada en polímero. Puede tener cualquier tamaño adecuado.
Durante el funcionamiento en estado permanente, la válvula 212 es cerrada y las válvulas 210 y 211 están abiertas, permitiendo que aire comprimido vaya directamente desde el compresor 106 a la cámara 112 de combustión. Durante el frenado, el embrague 208 de expansor es desembragado pero el embrague 202 de compresor permanece embragado. La válvula 211 es cerrada mientras que las válvulas 210 y 212 permanecen abiertas, permitiendo que el aire descargado desde el compresor 106 sea almacenado en el depósito 214 a presión. Durante el frenado normal, la energía cinética del vehículo es almacenada como aire comprimido en el depósito 214 a presión, que puede ser recuperado para uso posterior. En el caso de paradas rápidas, los frenos de fricción (no mostrados), que son conocidos en la técnica, pueden ser aplicados, disipando la energía cinética del vehículo como calor.
Cuando el vehículo se pone en marcha desde una parada, el embrague 202 de compresor es desembragado y el embrague 208 de expansor es embragado. La válvula 210 es cerrada mientras que las válvulas 211 y 212 permanecen abiertas. El aire a presión alta almacenado en el depósito 214 a presión circula a través del intercambiador 108 de calor a contracorriente donde es precalentado, entra en la cámara 112 de combustión, circula a través del expansor 114 y sale a través del intercambiador 108 de calor a contracorriente. Durante la puesta en marcha, la energía almacenada como gas comprimido es liberada, permitiendo que el vehículo acelere. Como la carga de compresor es suprimida durante la puesta en marcha, toda la potencia en el eje procedente del expansor 114 puede ser suministrada al eje impulsor. Esto puede proporcionar un incremento de potencia significativo (por ejemplo, el 30% aproximadamente).
Aire a presión alta está almacenado en el depósito 214 a presión, así que puede no ser necesario usar potencia externa para arrancar el motor. Durante la puesta en marcha, tanto el embrague 202 de compresor como el embrague 208 de expansor son desembragados. Las válvulas 211 y 212 están abiertas y la válvula 210 es cerrada. Una vez que la cámara 112 de combustión está caliente y el expansor 114 está en velocidad, las válvulas y los embragues estarían dispuestos para el funcionamiento en estado permanente.
En otra realización el depósito 214 a presión no está provisto y una fuente externa de potencia es usada para arrancar el motor.
El motor de la presente invención tiene muchas aplicaciones posibles. Por ejemplo, el motor de la presente invención puede ser usado en locomotoras. Debido al gran consumo de energía de las locomotoras, todas las características de rendimiento energético (frenado regenerativo, intercambiador de calor a contracorriente, inyección de agua, control de relación variable de compresión) están justificadas. El depósito de aire comprimido puede ser un vagón de depósito de presión alta situado próximo detrás de la locomotora. Los estudios económicos muestran que una tren que hace más de cinco paradas diarias puede justificar el gasto de tal depósito de aire.
En la industria naval, los barcos y buques no precisan frenado regenerativo. Sin embargo, otras características de rendimiento energético (intercambiador de calor a contracorriente, inyección de agua, control de relación variable de compresión) pueden estar justificadas.
El motor puede ser usado con tractores/remolques. Debido al gran consumo de energía de los tractores/remolques, todas las características de rendimiento energético (frenado regenerativo, intercambiador de calor a contracorriente, inyección de agua, control de relación variable de compresión) pueden estar justificadas. El depósito de aire comprimido puede estar situado debajo del remolque.
El motor podría ser usado en autobuses. Debido al gran consumo de energía de los autobuses, todas las características de rendimiento energético (frenado regenerativo, intercambiador de calor a contracorriente, inyección de agua, control de relación variable de compresión) pueden estar justificadas. El depósito de aire comprimido puede estar situado debajo del autobús. Debido a sus paradas frecuentes, el mantenimiento del freno de fricción es uno de los gastos mayores para autobuses urbanos; el sistema de frenado regenerativo reduciría drásticamente este gasto.
En automóviles, el espacio está muy solicitado y la seguridad es una gran preocupación. Algunos diseñadores de automóviles podrían resistirse a poner depósitos de aire a presión alta en el vehículo, así que el frenado regenerativo podría no ser incluido en automóviles. Sin embargo, otras características de rendimiento energético (intercambiador de calor a contracorriente, inyección de agua) podrían ser usadas sin mucha penalización. Por sencillez, el control del motor puede ser conseguido usando estrangulamiento mejor que relación variable de compresión.
El motor de ciclo Brayton casi isotérmico también puede ser usado en aplicaciones motrices fijas tales como generación de electricidad o hacer funcionar maquinaria industrial, tales como bombas, compresores, máquinas sopladoras, etc. En este caso, pueden ser usadas todas las características de rendimiento energético distintas que el frenado regenerativo, tales como intercambiador de calor a contracorriente, inyección de agua y control de relación variable de compresión.
Ejemplo
Para facilitar una comprensión más completa de la invención, un Ejemplo es proporcionado a continuación. Sin embargo, el alcance de la invención no está limitado a las realizaciones especificadas descritas en este Ejemplo, que es sólo para fines de ilustración.
Rendimiento energético
La Tabla 1 siguiente resume los resultados de un análisis de rendimiento de una realización del motor de la presente invención. Fueron considerados tres intercambiadores de calor a contracorriente: de acero inoxidable, de metal hiperaleado y de material cerámico. Fueron consideradas dos temperaturas de aproximación (50 K y 100 K), ambas de las cuales son obtenidas fácilmente. Asimismo, fueron considerados dos rendimientos de compresor/expansor: 0,7 y 0,8. (Nota: el rendimiento del compresor es calculado como la potencia reversible teórica necesaria, suponiendo vaporización perfecta del agua, dividida por la potencia real necesaria. El rendimiento de expansor es calculado como la producción real de potencia dividida por la potencia reversible teórica producida por un expansor adiabático). Dependiendo de las hipótesis, los rendimientos del motor varían de 0,44 a 0,64.
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TABLA 1
Rendimiento del motor en función de la temperatura de la cámara de combustión, la temperatura de aproximación del
intercambiador de calor y el rendimiento del compresor/expansor
Intercambiador de calor Temperatura de Temperatura de Rendimiento Rendimiento Concentración
descarga desde aproximación de compresor del ciclo aproximada
la cámara de (K) o expansor NO_{x} (ppm)
combustión
tubular (K)
Acero inoxidable (900 K*) 1.502 100 0,7 0,440 25
0,8 0,549
50 0,7 0,470
0,8 0,584
Metal hiperaleado (1.050 K*) 1.752 100 0,7 0,481 50
0,8 0,604
50 0,7 0,509
0,8 0,587
Material cerámico (1.200 K*) 2.002 100 0,7 0,506 >100
0,8 0,619
50 0,7 0,532
0,8 0,635
* Temperatura máxima en el intercambiador de calor
Dimensiones
Las Figuras 12a y 12b muestran las dimensiones aproximadas del compresor y del expansor de tipo gerotor, respectivamente, para un motor de 100 kW en dos velocidades de rotación: 3.000 rpm y 10.000 rpm según una realización de la presente invención. Debería observarse que, en ambas velocidades, las dimensiones son muy reducidas.
La Figura 13 muestra las dimensiones aproximadas del intercambiador de calor a contracorriente según una realización de la presente invención. En un caso, el intercambiador de calor está dimensionado para transferir el calor para el motor funcionando con carga plena (100 kW). Aquí, se supone que el motor será controlado usando el método de relación variable de compresión. Con esta estrategia de control, con una velocidad de rotación dada, el flujo de aire a través del motor es igual con independencia del par motor de salida; así que el intercambiador de calor debe ser dimensionado para la potencia máxima de salida. En otro caso, el motor debería ser regulado por estrangulador para reducir la potencia del motor. Esto reduce el flujo másico a través del motor lo que reduce la magnitud de la transferencia calorífica a contracorriente. La Figura 13 muestra las dimensiones correspondientes al flujo másico regulado por estrangulador requerido para producir 10 kW de potencia.
La Figura 14 muestra las dimensiones aproximadas de los depósitos de aire comprimido usados para frenado regenerativo según una realización de la presente invención. Estas dimensiones son para una masa de vehículo de 1.364 kg. Se muestran dos opciones de frenado regenerativo: 72.4 km/h a 0 km/h y 96,6 km/h a 0 km/h. Como el frenado a velocidad alta es menos común, la velocidad más baja sería suficiente. En un concepto, los depósitos de aire están unidos como una balsa de madera que estaría situada debajo del coche. Potencialmente, estos depósitos podrían ser una parte integral de la estructura del automóvil. Alternativamente, el aire comprimido podría ser almacenado en cilindros o esferas.
El compresor casi isotérmico requiere sólo 1,4% más potencia que un compresor isotérmico verdadero, así que se aproxima mucho a un compresor isotérmico. Requiere 22% menos energía que un compresor adiabático, así que sus ahorros de energía son sustanciales. Debido a las exigencias energéticas menores del compresor, el motor de ciclo Brayton casi isotérmico usa 22% menos carburante que un motor de ciclo Brayton tradicional con regenerador. Conseguir este rendimiento energético requiere unos dos litros de agua por litro de carburante pero, como el motor es unas tres veces más eficiente que los motores de ciclo Otto, la cantidad total de fluidos que debe ser transportada en el vehículo es casi igual que la que transportan actualmente los vehículos convencionales.
El motor de ciclo Brayton casi isotérmico ofrece una alternativa a los otros métodos de motores. Promete características de polución y rendimiento típicas de células de combustible pero, debido a su sencillez, el coste financiero debería ser comparable al de los motores Otto y Diesel convencionales.

Claims (4)

1. Un compresor del tipo gerotor que comprende:
un gerotor interior;
un gerotor exterior en el que dicho gerotor interior es accionado por primer engranaje y dicho gerotor exterior es accionado por un segundo engranaje, y en el que dicho compresor de gerotores es un compresor del tipo gerotor de flujo axial;
una primera disposición de cojinete adaptada para soportar dicho gerotor interior, en el que dicha primera disposición de cojinete sólo está situada en una primera cara de una placa de selladura; y
una segunda disposición de cojinete adaptada para soportar dicho gerotor exterior, en el que al menos una porción de dicha segunda disposición de cojinete está situada en una segunda cara de dicha placa de selladura.
2. El compresor del tipo gerotor de la reivindicación 1, en el que dicho gerotor interior y dicho gerotor exterior no se tocan.
3. Un expansor del tipo gerotor que comprende:
un gerotor interior;
un gerotor exterior en el que dicho gerotor interior es accionado por un primer engranaje y dicho gerotor exterior es accionado por un segundo engranaje, y en el que dicho expansor del tipo gerotor es un expansor del tipo gerotor de flujo axial;
una primera disposición de cojinete adaptada para soportar dicho gerotor interior, en el que dicha primera disposición de cojinete sólo está situada en una primera cara de una placa de selladura; y
una segunda disposición de cojinete adaptada para soportar dicho gerotor exterior, en el que al menos una porción de dicha segunda disposición de cojinete está situada en una segunda cara de dicha placa de selladura.
4. El expansor del tipo gerotor de la reivindicación 3, en el que dicho gerotor interior y dicho gerotor exterior no se tocan.
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