ES2612271T3

ES2612271T3 - Motor térmico con fuente de calor externa

Info

Publication number: ES2612271T3
Application number: ES07848218.9T
Authority: ES
Inventors: Frédéric THEVENOD
Original assignee: H2P Systems SAS
Current assignee: H2P Systems SAS
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-09-11
Publication date: 2017-05-16
Anticipated expiration: 2027-09-11
Also published as: CA2695696C; US20110041491A1; JP5126623B2; WO2008031939A2; US9046054B2; JP2010502897A; WO2008031939A3; EP2064431B1; FR2905728B1; EP2064431A2; FR2905728A1; CA2695696A1

Abstract

Motor térmico (55) con una fuente externa de calor (32) en el cual el motor posee al menos una cámara de trabajo (22) con un volumen variable para un gas de trabajo, y una distribución (29, 31) que permite comunicar esta cámara (22) con una entrada fría de un trayecto receptor de calorías (33) durante una fase de transferencia de salida y con una salida caliente del trayecto receptor de calorías (33) durante una fase de transferencia de entrada, estando destinado el trayecto receptor de calorías (33) a calentar el gas de trabajo en el exterior de la cámara de trabajo (22) al contacto con la fuente externa de calor (32), en donde la distribución está ajustada de tal manera que mantenga una presión en el trayecto receptor de calorías (33), caracterizado por poner en comunicación durante el funcionamiento establecido la cámara de trabajo (22) con la entrada fría del trayecto receptor de calorías (33) cuando la presión en la cámara de trabajo (22) es inferior a la presión en el trayecto receptor de calorías (33).

Description

DESCRIPCION

Motor termico con fuente de calor externa

El presente invento se refiere a un motor termico con una fuente de calor externa especialmente con recuperacion del calor de escape para las aplicaciones en vehnculos de toda naturaleza, ya sean terrestres, mantimos o aereos.

5 El funcionamiento de los motores termicos clasicos con una fuente externa de calor es eficaz sobre todo para temperaturas elevadas de la fuente de calor. Sus prestaciones se degradan sin embargo cuando la temperatura de la citada fuente externa de calor permanece moderada, como es el caso de los gases de escape de los motores de combustion interna.

FR2673979A1 describe un motor termico con una fuente de calor externa, conforme con el preambulo de la 10 reivindicacion independiente 1.

Los motores de combustion interna tienen un rendimiento energetico relativamente modesto. Esto es debido en gran parte a la energfa termica que estos motores echan al medio ambiente por su sistema de refrigeracion y sobre todo por su escape.

En particular, para las aplicaciones en un vehnculo, en los cuales el peso, el tamano y el coste del motor juegan un 15 papel importante, la energfa desperdiciada ha sido poco explotada hasta ahora. Por ejemplo, la energfa del escape se presenta bajo la forma de un gas a poca presion y a temperatura relativamente moderada. La transformacion de esta energfa desperdiciada en energfa mecanica por medios usuales se traduce en una maquinaria pesada, molesta y costosa que tiene una eficacia discutible.

Soluciones tales como las descritas en las patentes US 3 180 078 A, US 4 121 423 A, DE 101 43 342 A1, JP 2004 20 270625 A y US 4 754 606 A proponen en todos los casos soluciones con un motor hnbrido termico-de combustion

interna. Pero ninguna de estas soluciones es capaz de soslayar conjuntamente estos inconvenientes de peso, tamano, costes y sobre todo eficacia. La mayor parte de estas tecnicas anteriores preven comprimir el gas de trabajo, y a continuacion volverlo a calentar con el calor de recuperacion antes de descomprimirlo. Pero como el calor de recuperacion esta disponible a una temperatura que no es nada mas que un poco superior a la temperatura 25 del gas de trabajo al final de la compresion, el rendimiento del proceso es bajo.

El objetivo del presente invento es asf el de proponer un motor termico, capaz de transformar eficazmente en energfa mecanica una energfa termica procedente de una fuente templada, tfpicamente energfa residual desperdiciada en la salida de un proceso de combustion interna, en particular de manera compatible con los imperativos usuales de las aplicaciones en los vehnculos.

30 Segun el invento, el motor termico con una fuente externa de calor en el cual el motor posee al menos una camara de trabajo de volumen variable para un gas de trabajo, y una distribucion que comunica esta camara con una entrada fna en un trayecto receptor de calonas durante una fase de transferencia de salida y con una salida de calor en el trayecto receptor de calonas durante una fase de transferencia de entrada, estando destinado el trayecto receptor de calonas a recalentar el gas de trabajo en el exterior de la camara al contacto con la fuente externa de 35 calor, esta caracterizado porque la distribucion esta ajustada para:

- mantener una presion en el trayecto receptor de calonas;

- poner en comunicacion durante el funcionamiento establecido la camara de trabajo con la entrada fna del trayecto receptor de calonas cuando la presion en la camara es inferior a la presion en el trayecto receptor de calonas.

El ajuste de la distribucion segun el invento es sorprendente pues permite al gas de trabajo que se encuentra ya en 40 el trayecto de intercambio retroceder a la camara de trabajo, despues de que este gas de trabajo que ha retrocedido y el que viene de ser comprimido deban ser expulsados los dos en el trayecto de intercambio. En consecuencia, se consigue a primera vista un aumento del trabajo negativo del ciclo. Sin embargo, el gas de trabajo que estaba poco comprimido antes de entrar en comunicacion la camara con la entrada fna del trayecto de intercambio se encuentra pues a una temperatura relativamente baja. Gracias a esta baja temperatura, el gas de trabajo que viene de ser 45 (relativamente poco) comprimido es apto para recoger una relativamente grande cantidad de energfa termica de parte de los gases de escape del motor de combustion interna, a pesar de la temperatura relativamente baja de estos ultimos. Se puede de esta manera casi multiplicar por dos la temperatura absoluta del gas de trabajo en el trayecto de intercambio, por lo tanto multiplicar por dos el volumen de gas al principio de la descompresion con respecto al volumen al final de la compresion, para una misma masa de gas de trabajo. El invento permite de esta 50 manera realizar en el motor termico un ciclo termodinamico que tenga un area relativamente grande, produciendo por lo tanto una potencia mecanica sustancial.

Ademas, el gas de trabajo al final de la descompresion puede presentar una temperatura superior al gas de trabajo al final de la compresion y al principio del trayecto de intercambio. Este fenomeno permite utilizar el gas de trabajo impulsado por el piston del motor termico como fuente externa de calor en una primera etapa de la fuente externa de 55 calor, en paralelo o mezclado con los gases de escape del motor termico.

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Gracias a esta solucion simple y poco costosa, el motor termico es capaz de unas prestaciones nominales mejoradas permitiendo al mismo tiempo un peso y un tamano reducido. Es por lo tanto compatible al mismo tiempo con los imperativos usuales de las aplicaciones en los veldculos, y puede estar asociado con el motor de combustion interna del veldculo para formar un motor tubrido.

Esta asociacion es realizable segun una arquitectura privilegiada del motor tubrido en la cual el motor de combustion interna comprende unos pistones acoplados a un eje del motor tubrido, y el motor termico posee al menos un piston acoplado al eje del motor tubrido. La fuente de calor del motor termico es alimentada entonces de energfa calonfica por el escape del motor de combustion interna.

Gracias a esta arquitectura, la estructura general de un motor tubrido es un poco diferente a la de un motor de combustion interna clasico, por ejemplo del tipo de bielas y manivelas.

El tamano, el peso y el coste del conjunto son compatibles con las exigencias actuales, mientras que el consumo espedfico del motor Idbrido (cantidad de carburante consumido por unidad de potencia y unidad de tiempo) se encuentra particularmente disminuido.

En particular, el motor de combustion interna y el motor termico pueden poseer un bloque-motor comun en el cual estan formados cilindros de dimensiones identicas, en los cuales los pitones efectuan unas carreras de longitud identica. Se puede considerar igualmente que el diametro de los cilindros del motor termico, y/o la carreara de los pistones, difieran ligeramente de los del motor de combustion interna, incluso si el motor termico y el motor de combustion interna poseen un bloque-motor comun.

Se puede considerar por ejemplo un motor con tres cilindros en el cual dos cilindros pertenezcan al motor de combustion interna y un cilindro pertenezca al motor termico recuperando y explotando la energfa de escape de los dos cilindros del motor de combustion interna.

De una manera general, el motor termico puede funcionar con una masa de gas apropiada para absorber la energfa termica recuperable en el escape del motor de combustion interna. Esta masa de gas de trabajo es regulable mediante una sobrealimentacion apropiada y/o por la eleccion de un ciclo de dos tiempos, incluso si el motor de combustion interna funciona segun un ciclo de cuatro tiempos, y/o por una cilindrada espedfica para el motor termico.

En una version preferida, el motor termico comprende:

- una camara de trabajo delimitada por el piston del motor termico, el cual provoca alternativamente tiempos de aumento y de disminucion del volumen de la camara;

- un trayecto de intercambio termico para recalentar un gas de trabajo en el exterior de la camara, al contacto con la fuente externa de calor;

- una distribucion para, selectivamente, cerrar la camara de trabajo y respectivamente hacer comunicar de una manera selectiva la camara de trabajo con una admision del gas de trabajo, con una impulsion del gas de trabajo, con una entrada fna del trayecto de intercambio y con una salida caliente del trayecto de intercambio.

Los gases de escape del motor de combustion interna y/o el gas de trabajo retrocedido por el motor termico pasan a continuacion, preferentemente, por la turbina de un turbocompresor. El compresor de este turbocompresor alimenta la admision del motor termico y/o la admision del motor de combustion interna.

El motor de combustion interna funciona tfpicamente segun el ciclo Otto o segun el ciclo Diesel.

Es ventajoso que el ajuste de la distribucion sea regulable en particular para permitir un hinchado inicial del trayecto de intercambio. Para ello es necesario que la masa de gas enviada al trayecto de intercambio durante la transferencia de salida sea superior a la masa de gas retirada en el trayecto de intercambio durante la transferencia de entrada hasta que el trayecto de intercambio alcance la presion deseada. El ajuste de la distribucion puede formar parte igualmente de un sistema de regulacion, por ejemplo de una regulacion de la presion en el trayecto de intercambio.

El motor termico puede funcionar segun un ciclo de dos tiempos en el cual la fase de impulsion, la fase de compresion y la fase de transferencia de salida se sucedan a lo largo de una misma carrera de disminucion del volumen de la camara. La admision en la camara de trabajo puede realizarse entonces bajo una presion relativamente elevada entre la fase de impulsion y la fase de compresion, gracias a una sobrealimentacion que produce una presion relativamente elevada.

El motor termico puede funcionar igualmente segun un ciclo de cuatro tiempos. En este caso, en lugar de corresponder a una breve fase entre la impulsion y la compresion, la admision del gas de trabajo puede ocupar un tiempo completo de aumento de volumen de la camara. Durante el tiempo siguiente, de disminucion del volumen de la camara, la fase de compresion es seguida por la fase de transferencia de salida.

En el transcurso del tiempo siguiente, la fase de transferencia de entrada es seguida por la fase de descompresion, mientras que el cuarto tiempo corresponde a la impulsion del gas de trabajo fuera de la camara.

Otras particularidades y ventajas del invento surgiran de la descripcion que sigue , relativa a ejemplos no limitativos.

En los dibujos anexos:

5 - la figura 1 es un esquema de principios de un motor tnbrido segun el invento, con un motor termico de 1 cilindro, de

dos tiempos;

- la figura 2 es una vista esquematica de un corte longitudinal del motor de la figura 1;

- la figura 3 es una vista en el extremo del ciguenal del motor de las figuras 1 y 2;

- la figura 4 es un diagrama que ilustra un ciclo de dos tiempos del motor termico de un motor tnbrido segun el 10 invento;

- la figura 5 es una vista axial, esquematica, del cilindro de un motor termico;

- la figura 5A es una vista de un corte vertical del motor termico de un motor tnbrido segun el invento, en el plano A-A de la figura 5, pasando por los orificios de transferencia de salida y de transferencia de entrada del motor termico, durante la fase de impulsion;

15 - la figura 5B es una vista analoga a la de la figura 5A pero estando efectuado el corte vertical en el plano B-B de la

figura 5, pasando por los orificios de transferencia de salida y de transferencia de entrada del motor termico, siempre durante la fase de impulsion del ciclo;

- las figuras 6A a 10D son todas de cortes longitudinales del motor termico, en el plano A-A de la figura 5 cuando la figura lleva un numero seguido de a letra A, y respectivamente a traves del plano B-B de la figura 5 cuando la figura

20 lleva un numero seguido de la letra B, y esto durante las siguientes fases del ciclo:

- figuras 6A y 6B: fase de admision y de barrido;

- figuras 7A y 7B: fase de compresion;

- figuras 8A y 8B: fase de transferencia de salida;

- figuras 9A y 9B: fase de transferencia de entrada;

25 - figuras 10A y 10B: fase de descompresion.

- la figura 11 es un diagrama analogo al de la figura 4 pero visualizando un ciclo de cuatro tiempos del motor termico del invento;

- la figura 12 es una vista parcial en corte vertical desde arriba del motor de combustion interna del invento;

- la figura 13 es una vista en corte segun XIM-XIM de la figura 12; y

30 - las figuras 14 a 17 son esquemas de cuatro configuraciones posibles de motores tnbridos segun el invento.

El ejemplo del motor tnbrido segun el invento representado en las figuras 1 a 3 de manera extremadamente esquematica comprende un bloque-motor comun 1 en el cual estan formados tres mandrinados cilmdricos paralelos 2c, 2t segun una disposicion llamada “en lmea”, es decir que los ejes de estos mandrinados son coplanarios. Segun la terminologfa usual, los mandrinados cilindricos 2c, 2t son llamados “cilindros”. En su region inferior, el bloque- 35 motor lleva unos palieres 3 alineados segun un eje 7, que soportan un ciguenal 4 que es comun para el conjunto de los cilindros 2c, 2t. El ciguenal 4 comprende un brazo de manivela 6 frente a cada uno de los cilindros 2c, 2t. Como muestra la figura 3, en este ejemplo de tres cilindros, los brazos de manivela 6 estan repartidos angularmente a 120° unos de otros, es decir regularmente, alrededor del eje de rotacion 7 del ciguenal.

Segun el invento, el motor tnbrido reagrupa un motor de combustion interna al cual, en este ejemplo, estan 40 afectados los dos cilindros 2c situados en los extremos, y un motor llamado “termico” segun el invento al cual esta afectado el cilindro central 2t.

En cada uno de los cilindros 2c del motor de combustion interna esta montado un piston corredero 8c. En el cilindro 2t del motor termico, esta montado un piston corredero 8t. Cada piston 8c, 8t esta unido al brazo de manivela 6 correspondiente por una biela 9 articulada por una parte al piston y por otra parte al brazo de manivela.

45 En el ejemplo particular que se ha descrito, los cilindros 2c y 2t tienen diametros de mandrinado identicos y sus carreras de trabajo tienen longitudes (iguales a dos veces el radio de excentricidad de los brazos de manivela 6) identicas. Las cilindradas unitarias (volumen barrido por cada piston en su cilindro) son pues iguales entre st

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Preferentemente, se procura que las bielas 9 sean identicas y los pistones 8c y 8t tengan una masa igual de tal manera que el motor hforido no plantee ningun problema particular de equilibrado dinamico.

El bloque-motor 1 esta coronado por una culata 11 que no esta representada nada mas que muy esquematicamente en la figura 2. La culata 11 comprende unos conductos de admision 12 y de escape 13 para cada uno de los cilindros 2c del motor de combustion interna, asf como un conducto de admision 14, un conducto de impulsion 16, un conducto de transferencia de salida 17 y un conducto de transferencia de entrada 18 para el cilindro 2t del motor termico.

El motor de combustion interna funciona tfpicamente segun un ciclo clasico Otto o Diesel y, en el ejemplo representado, cada cilindro del motor de combustion interna esta asociado a dos orificios de admision 19 y a dos orificios de escape 21, equipado cada uno con una valvula 20, de admision o de escape respectivamente.

Cada uno de los conductos 14, 16, 17, 18 del motor termico esta asociado a un orificio 24, 26, 27, 28 que desemboca el conducto correspondiente en la camara de trabajo 22 del motor termico, definido entre la cara de presion 23 del piston 8t, la pared del mandrinado 2t y la cara inferior de la culata 11. Cada orificio 24, 26, 27, 28 esta equipado con una valvula 29. Cuando las cuatro valvulas 29 (solo estan representadas 2 en la figura) estan cerradas, es decir cierran el orificio que les esta respectivamente asociado, la camara de trabajo 22 esta hermeticamente cerrada.

En el ejemplo representado, las valvulas 20 y 29 estan globalmente alineadas en dos filas de tal manera que estan comandadas por dos arboles de levas 31, uno de los cuales esta representado en la figura 2 y cuya posicion esta simbolizada simplemente en la figura 1. Por medios clasicos, los arboles de levas 31 estan acoplados al ciguenal 4 de tal manera que giran dos veces menos rapido que el ciguenal 4 en este ejemplo en el que el motor de combustion interna funciona segun un ciclo de cuatro tiempos.

El motor termico, correspondiente al cilindro central 2t, esta asociado a una fuente externa de calor 32 (figura 1) constituida por un intercambiador de calor gas-gas que comprende un trayecto receptor de calonas 33 recorrido por el gas, en general aire, previamente comprimido en la camara de trabajo 22 del motor termico, y un trayecto suministrador de calonas 34 recorrido principalmente por los gases de escape del motor de combustion interna, , que provienen pues directa o indirectamente de los conductos de escape 13 y de los orificios de escape 21 asociados a los mandrinados 2c del motor de combustion interna. El intercambiador que constituye la fuente de calor 32 es del tipo contra-corriente, es decir que el gas que proviene del mandrinado 2t del motor termico atraviesa el intercambiador en sentido inverso al del gas de escape del motor de combustion interna, como esta ilustrado con las flechas en la figura 1. La entrada del trayecto 33 receptor de calonas, conectada al orificio de transferencia de salida 27, esta en contacto termico con la salida fna del trayecto 34. La salida del trayecto 33 receptor de calonas, conectada al orificio de transferencia de entrada 28, esta en contacto termico con la entrada caliente del trayecto que aporta calonas 34.

En el ejemplo ilustrado mas particularmente en la figura 1, el motor de combustion interna aspira aire atmosferico y su escape esta conectado con la parte de turbina 36 de un turbocompresor 37. En la salida de la turbina 36 los gases de escape del motor de combustion interna pasan por un catalizador 41 antes de alcanzar a continuacion el trayecto que aporta las calonas 34 de la fuente caliente 32. En la salida de la fuente de calor 32, los gases de escape del motor de combustion interna escapan a la atmosfera como esta ilustrado con la flecha 42, en general por un sistema de silenciadores no representado.

La parte de compresor 38 del turbocompresor 37 aspira aire de la atmosfera y envfa el aire comprimido a un orificio de admision 24 del motor termico, por intermedio de un refrigerador del aire de sobrealimentacion 43.

Se va ahora a describir con referencia a la figura 4 el ciclo termodinamico del motor termico en el ejemplo de un ciclo de dos tiempos.

La figura 4 representa, en ordenadas la presion P en la camara de trabajo 22 y en abcisas el volumen V de la camara de trabajo tal como esta definida de manera variable por el piston 8t.

El ciclo es de dos tiempos pues el conjunto de las fases del ciclo son efectuadas en un solo giro del ciguenal 4 y en consecuencia por una sola ida y venida del piston 8t. El sentido de recorrido del ciclo esta indicado por las flechas en la curva cerrada que ilustra este ciclo en la figura 4. Partiendo de la situacion en la que la camara de trabajo 22 tiene su volumen maximo VM (posicion representada en la figura 2 con el piston 8t alejado al maximo de la culata 11), la primera fase P1 del ciclo es una fase de impulsion, ilustrada en las figuras 5A y 5B, en las cuales el orificio de admision 26 esta abierto por la valvula 29 correspondiente, mientras que los otros orificios 24, 27, 28 estan cerrados por sus valvulas 29 respectivas. El gas (aire) contenido en la camara de trabajo 22 es impulsado en el conducto de impulsion 16 por la subida del piston 8t. Como muestra la figura 1, el conducto 16 puede conectarse con la salida de escape 42 del motor de combustion interna. En una variante preferida, el conducto 16 esta conectado con un ramal 44 que desemboca en el trayecto que aporta las calonas 34 de la fuente de calor 32. La temperatura de los gases de escape decrece progresivamente a lo largo del trayecto 34, desde su entrada hasta su salida. El ramal 44 es una entrada “tibia” posicionada en una zona en la que la temperatura de los gases de escape es intermedia entre la de la

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entrada y la de la salida del trayecto 34, y sensiblemente igual a aquella a la que el gas es impulsado del motor termico.

De una manera mas particular, la temperatura a la entrada del trayecto que aporta las calonas 34 puede ser de 800° C, y puede ser del orden de 200° C a la salida de este trayecto. A lo largo del trayecto 34, la temperatura de los gases de escape es por lo tanto progresivamente decreciente de 800° C a 200° C. Si los gases impulsados por el motor termico tienen una temperatura del orden de 300° C, se hace desembocar el ramal 44 en la zona del trayecto 34 en la que los gases de escape tienen una temperatura de 300° C.

Dado que los arboles de levas 31 giran dos veces menos rapido que el ciguenal 4 del motor mientras que el motor termico funciona en este ejemplo segun un ciclo de dos tiempos correspondiente a un solo giro del ciguenal, un ciclo completo del motor termico se corresponde con una medio-giro de los arboles de levas. Es por esto por lo que, como muestran las figuras 5A y 5B, las levas 44 soportadas por los arboles de levas 31 y asociadas al motor termico son de un tipo con dos perfiles diametralmente opuestos para realizar dos ciclos de funcionamiento por giro.

La fase de impulsion P1 es seguida por una fase de admision y barrido P2 en la cual, como esta representado en las figuras 6A y 6b, los orificios de admision 24 y de impulsion 26 estan abiertos simultaneamente por sus valvulas 29 respectivamente de tal manera que el aire producido en la parte del compresor 38 del turbocompresor 37 penetra en la camara de trabajo 32 y coge de esta los gases de impulsion que se encuentran allf todavfa. Durante este tiempo, los dos orificios de transferencia 27 y 28 estan siempre cerrados por sus valvulas 29 correspondientes.

La fase P2 es seguida por una fase de compresion adiabatica P3 (figuras 7A y 7B) en la cual el piston 8t continua su carrera en direccion a la culata 11, reduciendo el volumen de la camara de trabajo 22. Durante esta fase de compresion, los cuatro orificios 24, 26, 27 y 28 estan cerrados por sus respectivas valvulas 29 y la camara de trabajo 22 esta hermeticamente cerrada.

Cuando la camara de trabajo 22 alcanza un volumen Vs mas grande que su volumen mmimo Vm, el orificio de transferencia de salida 27 (figura 8B) es abierto por la valvula 29 correspondiente, mientras que los otros orificios permanecen cerrados. Resulta de ello una fase de reflujo P4 en el transcurso de la cual el gas a presion contenido en el trayecto receptor de calonas 33 de la fuente de calor 32 refluye en la camara de trabajo 22 haciendo aumentar la presion en la camara de trabajo 22. El volumen en el trayecto receptor de calonas 33 es mucho mayor que el de la camara de trabajo 22 en el momento de la fase de reflujo. En consecuencia, el reflujo se efectua sin ninguna baja sensible de la presion en el trayecto receptor de calonas 33. La temperatura del gas que se encuentra en el trayecto 33 en las proximidades del orificio de transferencia de salida 27 es una temperatura cercana a la que se encuentra el gas que llena la camara de trabajo 22 al final de la compresion P3. En consecuencia, el aumento de la presion en el transcurso de la fase de reflujo P4 corresponde esencialmente con una transferencia de masa sin gran incidencia termica para el gas.

La fase de reflujo P4 es seguida por una fase de transferencia de salida P5 en el transcurso de la cual el piston 8t prosigue su carrera hasta que la camara de trabajo 22 tenga su volumen mmimo Vm, mientras que el gas presente en la camara de trabajo 22 es expulsado por el extremo frio del trayecto receptor de calonas 33. En esta ocasion, la presion en la camara de trabajo 22 aumenta ligeramente, por una parte para propulsar el gas, por otra parte para asegurar la ligera compresion volumetrica sufrida por el gas en el volumen total de la camara de trabajo 22 y en el trayecto receptor de calonas 33 puesto que este volumen total es globalmente comprimido por el movimiento del piston 8t.

Cuando el piston 8t alcanza su punto mas alto (la posicion mas proxima a la culata 11), el orificio de transferencia de salida 27 se cierra y el orificio de transferencia de entrada 28 se abre, por un movimiento correspondiente de las valvulas 29 (figura 9B). Durante este tiempo los orificios de admision 26 y de impulsion 24 estan cerrados. El gas a presion que proviene del extremo caliente del trayecto receptor de calonas 33 penetra en la camara de trabajo 22 a traves del orificio 28 en el transcurso de una fase de transferencia de entrada P6 hasta que el piston 8t alcance una posicion correspondiente para la camara de trabajo 22 con un volumen Ve mayor que el volumen Vs para el cual habfan comenzado la fase de reflujo y de transferencia de salida P4, P5.

El volumen Ve es elegido de tal manera que la masa de gas que penetra en la camara de trabajo 22 en el transcurso de la fase P6 sea igual al de la masa expulsada en el transcurso de la fase de transferencia de salida P5. Como el gas que entra esta mucho mas caliente que el gas que sale, esta masa igual se corresponde con un volumen Ve mayor que el volumen Vs.

Es importante observar que el ciclo descrito y representado en la figura 4 es teorico. En la practica, los mandos de las valvulas pueden estar desfasados para optimizar el ciclo real en funcion de los retrasos en la puesta en movimiento de los gases y la inevitable progresividad de las aperturas y cierres de las valvulas. Por ejemplo, en la realidad, puede ser necesario arrancar la fase de reflujo P4 y de transferencia P5 de una manera mas precoz en el ciclo para tener en cuenta la inercia de los gases en el transcurso de estos movimientos en un sentido y en otro. De esta manera es posible que en la practica el punto de apertura del orificio de transferencia de salida, identificado con Vs en la figura 4 se aproxime al punto de cierre del orificio de transferencia de entrada, identificado con Ve en la figura 4, o incluso vaya a coincidir con Ve, o incluso precederle. En efecto, una de las originalidades del invento

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consiste sobretodo en abrir el orificio de transferencia de salida cuando el gas contenido en la camara de trabajo 22 no ha sido comprimido todav^a a un valor correspondiente al del trayecto receptor de calonas 33. De esta manera, el gas inyectado en el extremo frio de este trayecto esta a una temperature notablemente baja. Esto permite recuperar mas calonas provenientes del motor de combustion interna, y permite incluso, como ya se ha visto anteriormente gracias al ramal 44 (figura 1), recuperar las calonas provenientes de la impulsion del motor termico.

Es igualmente posible que durante breves instantes, los orificios de transferencia de salida 27 y de transferencia de entrada 28 esten abiertos simultaneamente para realizar lo que se llama “cruce de valvulas” (bien conocido en los motores de combustion interna de cuatro tiempos al final del tiempo de escape y al principio del tiempo de admision).

La fase de transferencia de entrada P6 es seguida por una fase de descompresion adiabatica P7, en el transcurso de la cual el piston 8t se aleja de la culata 11 hasta alcanzar su posicion correspondiente al volumen VM maximo de la camara de trabajo 22. Como esta representado en las figuras 10A y 10B los cuatro orificios estan entonces cerrados y el gas sufre una descompresion adiabatica. El diagrama de la figura 4 muestra claramente que la ase de transferencia de entrada P6 y la fase de descompresion P7 proporcionan juntas mas energfa mecanica al piston 8t que este no consume para efectuar las fase P1, P2, P3, P4 y P5 en el transcurso de las cuales el reduce el volumen de la camara de trabajo 22 a pesar de la presion contraria reinante en la camara de trabajo 22 durante cada una de estas fases. Como ya conoce el experto, este sobrante de energfa es visible por el hecho de que el diagrama presion/volumen de la figura 4 esta recorrido en el sentido de las agujas de un reloj.

En el diagrama teorico de la figura 4, se supone que el orificio de impulsion 26 se abre cuando el volumen de la camara de trabajo 22 alcanza su valor maximo VM (punto muerto bajo del piston 8t). En la practica, como es usual en las maquinas termicas con piston en general, la aperture del orificio de escape puede intervenir en un estado mas precoz para dar a la presion tiempo para decrecer al menos parcialmente por lo menos antes de que el piston comience su carrera de subida hacia la culata.

La figura 11 representa un ciclo de cuatro tiempos para la maquina termica del motor hnbrido segun el invento. En este caso, el ciclo necesita dos idas y venidas sucesivas del piston 8t. Una carrera completa del piston 8t en direccion a la culata 11 esta destinada al escape (fase P1), la carrera completa siguiente esta destinada a la admision (fase P2) hasta que el piston alcance su punto muerto bajo (volumen VM). En el transcurso de la fase de admision (P2), el orificio de impulsion esta cerrado. En el ejemplo representado en la figura 11, la admision se efectua a la presion atmosferica. Es posible igualmente e incluso preferible realizar la admision con presion gracias a un turbocompresor tal como el 37 de la figura 1, en cuyo caso la admision P2 se situara por encima de la fase de impulsion P1 de la figura 11.

La fase de admision P2 es seguida por una fase P23 de subida del piston 8t sin compresion. Este efecto puede obtenerse ya sea no cerrando el orificio de admision nada mas que al final de la fase P23, ya sea por el contrario antes del final de la fase P2, para que al final la fase P2 y la fase P23 constituyan juntas una ida-venida neutralizada, situada a ambos lados del punto muerto bajo. La fase P23 es seguida por unas fases de compresion adiabatica P3, de reflujo P4, de transferencia de salida P5, de transferencia de entrada P6 y de descompresion P7 que son sensiblemente las mismas que en el ciclo de dos tiempos ilustrado en la figura 4.

De una manera no representada, las levas 45 asociadas al motor termico pueden ser regulables angularmente para regular la presion en el trayecto receptor de calonas 33. Por ejemplo, si la presion el trayecto 33 se hace inferior a un umbral bajo, el volumen Ve para el cual se cierra el orificio de transferencia de entrada disminuye de tal manera que puede pasar menos gas del trayecto 33 a la camara de trabajo 22.

Cuando se pone en marcha el motor tnbrido despues de una duracion dela parada suficientemente prolongada, la masa de gas presente en el trayecto 33 disminuye sensiblemente por las fugas que pasan por los orificios 24, 26, 27 y 28. En efecto, estos no son siempre perfectamente estancos a largo plazo, incluso si las cuatro valvulas 29 estan en posicion cerradas. La regulacion de la presion en el trayecto 33 asegura automaticamente la subida de presion en el trayecto 33 durante la puesta en marcha del motor hnbrido. Incluso aunque no este prevista una regulacion de la presion, se puede prever un desfase predefinido del punto de cierre del orificio de transferencia de entrada durante una fase inicial de funcionamiento del motor hnbrido despues de cada periodo de parada.

La figura 1 representa dos particularidades opcionales que permiten reducir el tiempo de subida de la presion del trayecto 33 durante la puesta en marcha del motor hnbrido Segun una primera particularidad, los dos extremos del trayecto 33 pueden estar errados por unas electrovalvulas 46 cuando el motor hnbrido esta detenido.

Segun una particularidad alternativa o complementaria, el trayecto 33 esta conectado con un acumulador de presion 47 por intermedio de una electrovalvula 48 que esta comandada por una parte para regular el nivel de presion en el acumulador 47 cuando el motor hnbrido funciona despues de un largo tiempo (despues de la puesta en presion correcta del trayecto 33) y por otra parte permite al acumulador 47 recargar rapidamente el trayecto 33 con el gas de trabajo (aire) a presion cuando la presion en el trayecto 33 es insuficiente, especialmente durante la puesta en funcionamiento del motor hnbrido despues de un periodo de parada.

Las temperaturas maximas en el motor termico son relativamente poco elevadas, del orden de 800° C, y pueden ser soportadas por los materiales adecuados, practicamente sin evacuacion de calor por un sistema de refrigeracion. De

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esta manera, para mejorar el rendimiento del motor termico segun el invento, esta previsto calorifugar al menos algunas superficies que delimitan la camara de trabajo 22. En este sentido, se ha representado en la figura 2 que la superficie de presion 23 del piston 8t esta constituida por la cara exterior de un revestimiento aislante termico 49. Tal aislante podna igualmente definir el mandrinado 2t, al menos en su parte superior adyacente a la culata 11.

En los motores de combustion interna usuales, el calor es evacuado indiferentemente por el circuito de refrigeracion, el circuito de lubricacion y el escape. Segun el invento, esta previsto privilegiar la evacuacion del calor del motor de combustion interna por el escape, para poder optimizar la recuperacion de energfa por el motor termico.

A estos efectos, como muestran las figuras 12 y 13, se han tomado disposiciones para reducir la cantidad de calor que los gases de escape del motor de combustion interna transmiten a la culata 11 y a su circuito de refrigeracion no representado. Para ello, la culata 11 presenta un ahuecamiento 51 cuyo fondo este tan proximo como sea posible del orificio de escape 21 de tal manera que se acorta al maximo el conducto de escape 13 formado en la culata 11 y que desemboca en el fondo del ahuecamiento 51. Una tubena de escape 52 va a fijarse contra el fondo del ahuecamiento 51.El conducto interior 53 de la tubena 52 prolonga el conducto 13 de la culata. La tubena 52 esta realizada por ejemplo en fundicion o incluso, preferentemente, es un conducto de acero con doble pared como esta ilustrado en la figura 13.

En las figuras 14 a 17, el motor de combustion interna designado “MCI”, y referenciado 54 o 64 , y el motor termico designado “MT” y referenciado 55 o 65, estan representados de manera simbolica, asf como sus orificios respectivos 19, 21,24, 26, 27 y 28.

La configuracion de la figura 14 es adecuada para un motor con un cilindro termico y dos o tres cilindros de combustion interna. Es parecida a la de la figura 1, excepto en que la parte de turbina 56 del turbocompresor 57 esta montada en la salida del trayecto que aporta calonas 34 de la fuente de calor 32.

De una manera general, conociendo la cantidad de calor recuperable en el escape del motor de combustion interna, se propone segun el invento elegir la cilindrada y la presion de sobrealimentacion del motor termico para que la masa de gas tratada por este motor termico en cada ciclo corresponda sensiblemente a la necesaria para absorber el calor recuperable del escape del motor de combustion interna. Caso por caso, la optimizacion puede consistir en adaptar la presion de sobrealimentacion del motor termico, en elegir un numero de cilindros apropiado, en elegir el ciclo de dos tiempos o el ciclo de cuatro tiempos, o incluso en elegir para el motor termico una cilindrada unitaria diferente de la de los cilindros del motor de combustion interna.

En la configuracion representada en la figura 15, que es adecuada para un motor hubrido que comprende un motor de combustion interna 64 de dos o tres cilindros y un motor termico 65 de tres cilindros, la parte de turbina 66 del turbocompresor 67 esta situada entre el orificio de impulsion 26 del motor termico y el ramal 44 de esta impulsion en el trayecto que aporta calonas 34 de la fuente de calor 32. Se tiene de esta manera la ventaja de liberar el escape del motor de combustion interna, es decir de no frenar este escape por la presencia del turbocompresor. Esta solucion es mas facil de realizar cuando el motor termico es policilmdrico pues entonces la presion en su impulsion esta menos fuertemente impulsada y permite de esta manera un mejor funcionamiento del turbocompresor.

La figura 16 representa una configuracion que se adapta a un motor tubrido de seis cilindros que comprende un motor de combustion interna de tres cilindros y un motor termico de tres cilindros. Esta configuracion va a ser descrita en lo que se refiere a sus diferencias con respecto a la configuracion de la figura 14. El turbocompresor 57 comprende una parte de compresor 58 que esta alimentada no por aire atmosferico sino por el aire que ha sufrido ya una primera compresion en la parte de compresor 78 de un primer turbocompresor 77. La parte de turbina 76 del turbocompresor 77 esta instalada entre el orificio de escape 21 del motor de combustion interna y el catalizador 41. EL aire de sobrealimentacion producido por la parte de compresor 78 atraviesa un refrigerador del aire de sobrealimentacion 73 y despues alcanza una bifurcacion 69 en la que una parte de este aire comprimido va a la parte de compresor 58 del turbocompresor 57 por un ramal 71, y otra parte es enviada a la admision 19 del motor de combustion interna 54 por un ramal del conducto 72.

La configuracion de la figura 17 se adapta a un motor tubrido de seis cilindros que comprende un motor de combustion interna de tres cilindros y un motor termico de tres cilindros. Esta configuracion va a ser descrita en lo que se refiere a sus diferencias con respecto a la configuracion de la figura 15. El turbocompresor 67 comprende una parte de compresor 58 que esta alimentada no por aire atmosferico sino por el aire que ya ha sufrido una primera compresion en la parte de compresor 88 de un primer turbocompresor 87. La parte de turbina 86 del turbocompresor 87 esta instalada entre el orificio de escape del motor de combustion interna y el catalizador 41. El aire de sobrealimentacion producido por la parte de compresor 88 atraviesa un refrigerador del aire de sobrealimentacion 83 y despues alcanza una bifurcacion 79 en donde una parte de este aire comprimido va a la parte de compresor 68 del turbocompresor 67 por un ramal 81, y otra parte es enviada a la admision 19 del motor de combustion interna 64 por un ramal del conducto 82.

De esta manera, en cada una de las realizaciones de las figuras 16 y 17, el aire que alimenta al motor de combustion interna es comprimido una vez para presentar una presion efectiva de por ejemplo 0,2 MPa (2 bares)

mientras que el aire enviado a la admision 24 del motor termico es comprimido dos veces para alcanzar una prsion efectiva de por ejemplo 0,6 MPa (6 bares).

Bien entendido, el invento no esta limitado a los ejemplos de realizacion que acaban de ser descritos.

El invento se refiere a cualquier tipo de motorizacion termica, y no esta restringida a una fuente de calor procedente 5 de un motor de combustion interna.

En el caso de un motor tnbrido, el motor de combustion interna y el motor termico pueden tener los bloques motores separados. El motor termico pude estar previsto como una entidad independiente que puede ser adaptada a motores de combustion interna pre-existentes, o a otra fuente de calor moderada.

El invento es aplicable a cualquier tipo de motorizacion de combustion interna, incluso para motores con un gran 10 numero de cilindros. En particular, el invento es particularmente ventajoso en las motorizaciones de vetnculos pesados, los navfos, y igualmente en las motorizaciones fijas cuando el calor desprendido por un motor de combustion interna no es recuperable o no es totalmente recuperable nada mas que para otros usos distintos que la motorizacion.

El rendimiento del motor tnbrido segun el invento esta fuertemente mejorado con respecto al rendimiento de un 15 motor de combustion interna clasico. El suplemento de peso, de costes y la disminucion de la potencia espedfica (potencia por dedmetro cubico de cilindrada) son absolutamente aceptables para la mayona de las aplicaciones, especialmente en los vetnculos, comprendidos aqrn los vetnculos de turismo del tipo vetnculos particulares. Las inversiones industriales implicadas son limitadas. Se puede utilizar por ejemplo un bloque-motor de tipo clasico para un motor de combustion interna en el cual uno o varios cilindros seran adjudicados al motor termico.

20 Como las caras exteriores de las valvulas asociadas a los orificios de transferencia 27 y 28 estan sometidas a la presion del trayecto 33, que tiende a abrir las valvulas, puede ser ventajoso realizarlas bajo la forma de valvulas equilibradas a presion, por ejemplo segun la patente EP 0 897 059 A2.

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Motor termico (55) con una fuente externa de calor (32) en el cual el motor posee al menos una camara de trabajo (22) con un volumen variable para un gas de trabajo, y una distribucion (29, 31) que permite comunicar esta camara (22) con una entrada fna de un trayecto receptor de calonas (33) durante una fase de transferencia de salida y con una salida caliente del trayecto receptor de calonas (33) durante una fase de transferencia de entrada, estando destinado el trayecto receptor de calonas (33) a calentar el gas de trabajo en el exterior de la camara de trabajo (22) al contacto con la fuente externa de calor (32), en donde la distribucion esta ajustada de tal manera que mantenga una presion en el trayecto receptor de calonas (33), caracterizado por poner en comunicacion durante el funcionamiento establecido la camara de trabajo (22) con la entrada fna del trayecto receptor de calonas (33) cuando la presion en la camara de trabajo (22) es inferior a la presion en el trayecto receptor de calonas (33).
2. Motor termico segun la reivindicacion 1, caracterizado porque comprende un acumulador de presion (47) que esta conectado selectivamente al trayecto receptor de calonas (33) de la fuente de calor (32) para acumular una reserva de gas a presion en funcionamiento establecido y restituir al menos parcialmente esta reserva durante un arranque del motor despues de un periodo de parada.
3. Motor termico segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por un ajuste de la distribucion (29, 31) regulable en particular para permitir un hinchado inicial del trayecto receptor de calonas (33), y/o para regular la presion en el trayecto receptor de calonas (33).
4. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque al comienzo de una fase de transferencia de salida (P5) , la camara (22) tiene un volumen (Vs) mas pequeno que su volumen (Ve) al final de la fase de transferencia de entrada (P6).
5. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque al menos una superficie (23) que delimita la camara de trabajo (22), en particular la superficie de presion del piston, esta definida por un revestimiento termicamente aislante (49).
6. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el motor termico funciona segun un ciclo de dos tiempos en el cual una fase de impulsion (P1), una fase de compresion (P3) y la fase de transferencia de salida (P5) se suceden a lo largo de una misma carrera de disminucion del volumen de la camara (22).
7. Motor termico segun la reivindicacion 6, caracterizado porque la admision (P2) en la camara de trabajo (22) se realiza a presion entre la fase de impulsion (P1) y la fase de compresion (P3).
8. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el motor termico funciona segun un ciclo de cuatro tiempos que comprende:

- un tiempo de incremento del volumen de la camara para una fase de admision (P2) del gas de trabajo;

- un tiempo de disminucion del volumen de la camara para un fase (P3) de compresion del gas de trabajo seguida de la fase de transferencia de salida (P5);

- un tiempo de incremento del volumen de la camara para una fase de transferencia de entrada (P6) y despues una fase de descompresion (P7); y

- un tiempo de disminucion del volumen de la camara (22) para una fase (P1) de impulsion del gas de trabajo.
9. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque:

- la camara de trabajo (22) esta delimitada por un piston (8t), el cual provoca alternativamente tiempos de incremento y de disminucion del volumen de la camara;

- la distribucion (29, 31) esta concebida para cerrar selectivamente la camara de trabajo (22) y respectivamente y de manera selectiva permitir comunicar la camara de trabajo (22) con una admision (24) del gas de trabajo, una impulsion (26) del gas de trabajo, la entrada fna del trayecto receptor de calonas (33) y la salida caliente del trayecto receptor de calonas (33),

y porque la distribucion permite comunicar la camara con la entrada fna en el transcurso de la fase de transferencia de salida (P5), despues la fase (P3) de compresion del gas de trabajo en la camara de trabajo, y con la salida caliente en el transcurso de una fase de transferencia de entrada (P6) que precede a una fase de descompresion (P7).
10. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la distribucion esta ajustada de tal manera que al final de la fase de descompresion (P7) la camara tenga un volumen (Vm) mayor que su volumen al principio de la fase de compresion (P3).

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11. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la impulsion (26, 16) del motor termico (55) esta conectada a una entrada tibia (44) de la fuente externa de calor (32), siendo intermedia la temperatura de entrada tibia entre la temperatura de un flujo que aporta calonas en la entrada de la fuente de calor, y la temperatura a la cual el flujo que aporta las calonas sale de la fuente de calor.
12. Motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la fuente externa de calor (32) esta alimentada de energfa calonfica por el flujo que aporta calonas del escape (21, 13) de un motor de combustion interna (54).
13. Motor termico segun la reivindicacion 12, caracterizado porque calorifugado del escape del motor de combustion interna (54) en una parte al menos de su trayecto entre un orificio de escape (21) adyacente a la camara de combustion (22) por una parte y la entrada caliente del gas de escape en la fuente de calor (32) por otra.
14. Motor tubrido que comprende un motor termico segun una de las reivindicaciones 1 a 11, y un motor de combustion interna (54) cuyo escape alimenta el flujo que aporta calonas de la fuente de calor del motor termico.
15. Motor tubrido segun la reivindicacion 14, caracterizado porque la fuente de calor (32) comprende para el flujo que aporta las calonas una salida conectada con la entrada de una turbina (56) del turbocompresor (57).
16. Motor tubrido segun la reivindicacion 14, caracterizado porque una turbina (66) esta intercalada entre la impulsion (26) del motor termico (65) y una entrada tibia (44) de la fuente de calor (32), siendo intermedia la temperatura de entrada tibia entre el flujo que aporta las calonas en la entrada dela fuente de calor, y la temperatura a la cual el flujo que aporta las calonas sale de la fuente de calor.
17. Motor tubrido segun la reivindicacion 14, caracterizado porque la impulsion (26) del motor termico (65) esta conectada a la entrada de una turbina (66) del turbocompresor (67).
18. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque el turbocompresor (37, 57, 67) comprende un compresor (38) cuya salida esta conectada con la admision (24) del motor termico (55, 65).
19. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 15 a 17, caracterizado porque el turbocompresor es un segundo turbocompresor, cuya entrada de compresor esta conectada a la salida de compresor de un primer turbocompresor (77, 87) cuya turbina (76, 86) es atravesada por el flujo que aporta las calonas aguas arriba de la fuente de calor (32).
20. Motor tubrido segun la reivindicacion 19, caracterizado porque la turbina (76, 86) del primer turbocompresor (77, 87) esta conectada al menos indirectamente con la entrada caliente de la fuente de calor.
21. Motor tubrido segun la reivindicacion 19, caracterizado porque la salida de compresor del primer turbocompresor (77, 87) esta conectada ademas con la admision (19) del motor de combustion interna (54, 64).
22. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 14 a 21, caracterizado porque al menos un piston (8t) del motor termico esta acoplado a un arbol (4), comprendiendo el motor de combustion interna (54) ademas al menos un piston (8c) acoplado al arbol (4).
23. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 14 a 22, caracterizado porque el motor de combustion interna

(54) y el motor termico (55) poseen un bloque-motor comun (1).
24. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 20 a 23, caracterizado porque el piston (8t) del motor termico

(55) posee la misma superficie en su superficie a presion (23) y la misma longitud de carrera que el piston (8c) del motor de combustion interna (54).
25. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 20 a 23, caracterizado porque el piston (8t) del motor tubrido (55) tiene una superficie diferente y/o una longitud de carrera diferente de las, respectivamente, del piston (8c) del motor de combustion interna (54).
26. Motor tubrido segun una de las reivindicaciones 14 a 25, caracterizado porque el motor de combustion interna funciona segun un ciclo de cuatro tiempos y el motor termico segun un ciclo de dos tiempos.