ES2694251T3 - Motor de combustión de ciclo híbrido y métodos - Google Patents

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ES2694251T3 ES05711371.4T ES05711371T ES2694251T3 ES 2694251 T3 ES2694251 T3 ES 2694251T3 ES 05711371 T ES05711371 T ES 05711371T ES 2694251 T3 ES2694251 T3 ES 2694251T3
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Abstract

Un método para hacer funcionar un motor de combustión interna que comprende un pistón de compresor acoplado mecánicamente a un pistón de expansor y una placa separadora entre el pistón de compresor y el pistón de expansor que contiene una cavidad de cámara de combustión, el método comprende: (a) introducir un medio de trabajo en una cámara de compresión (131) que define un primer valor de volumen; (b) reducir de manera controlada el volumen del medio de trabajo por medio del pistón de compresor (121) que es al menos uno de un pistón rotatorio y un pistón que oscila rotatoriamente a fin de comprimir el medio de trabajo a un segundo valor de volumen, el pistón de compresor dispuesto en un alojamiento, el alojamiento incluye la cavidad de cámara de combustión, y el pistón configurado para cubrir una parte de la cavidad de cámara de combustión durante una fase de combustión a fin de formar una cámara de combustión de volumen constante (133); (c) introducir un combustible en la cavidad de cámara de combustión de modo que el combustible se combina con el medio de trabajo comprimido obteniendo de ese modo una mezcla que define un tercer valor de volumen y provocando de ese modo combustión espontánea de la mezcla en la cámara de combustión de volumen constante durante la fase de combustión para producir un volumen de subproductos de combustión; y (d) tras la etapa (c) aumentar el volumen de los subproductos de combustión a un cuarto valor de volumen en una fase de expansión, el cuarto valor de volumen supera el primer valor de volumen.

Description

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DESCRIPCION
Motor de combustion de ciclo tnbrido y metodos Referencia cruzada con solicitud relacionada Campo de la invencion
La presente invencion esta relacionada generalmente con motores de combustion interna, y, mas particularmente, con motores de combustion de cuatro tiempos de volumen variable y metodos relacionados.
Antecedentes de la invencion
Una variedad de motores de combustion interna convencionales (“ICE”) conocidos en la tecnica, a pesar de casi 150 anos de desarrollo, todavfa sufre baja eficiencia, altos niveles de productos de escape perjudiciales, y prestaciones dependientes de la carga, entre otras desventajas. La eficiencia de los motores termicos es generalmente baja debido, al menos en parte, a limitaciones termodinamicas teoricas de los ciclos ideales, asf como perdidas adicionales de energfa debidas a desviaciones de los ciclos ideales y friccion entre piezas moviles. Tfpicamente, unicamente hasta aproximadamente el 30 % de la energfa qrnmica del combustible se convierte en trabajo util. Alrededor del 40 % se elimina como calor por el agua de enfriamiento, mientras que el restante 30 % se pierde con los gases de escape.
Adicionalmente, como subproducto del funcionamiento del motor se forman diversos gases, perjudiciales para el medioambiente y los humanos, tales como combustible no quemado, NOx y otros, principalmente debido a una capacidad muy limitada para controlar el proceso de combustion. Ademas, la eficiencia de los motores termicos se optimiza para un estrecho intervalo de cargas de potencia. En realidad, estos motores raramente funcionan en estos intervalos optimos, asf se reduce la eficiencia de funcionamiento.
El motor LPPE, descrito en la solicitud internacional n.° PCT/US03/05749 presentada el 26 de febrero de 2003 (Numero de Publicacion Internacional WO 03/074840) si bien tiene varias ventajas importantes, puede tener pocas desventajas, tales como que se tiene que empujar gran cantidad de agua durante cada ciclo y la necesidad de control informatico.
El documento DE 2438410 describe una maquina rotatoria con pistones lenticulares y valvulas utilizables para motores de combustion interna y externa. La combustion se prefiere en una camara hermetica de volumen constante, con encendido desde una barra de filamento que permanece incandescente durante el funcionamiento del motor.
El motor descrito en el documento US 3.769.788, mantiene un volumen sustancialmente constante dentro de una zona de combustion al completarse un proceso de combustion y proporciona una expansion casi completa del gas calentado tras el termino del proceso de combustion.
Un motor rotatorio de tipo “gato-y-raton” se describe en el documento US 3.595.014, que incluye un vastago con una pareja de rotores, cada uno montado para rotacion con respecto al vastago y para rotacion oscilante relativamente entre sf.
Finalmente, el documento US 6.397.579 describe un motor cfclico que tiene camaras de compresion, combustion y expansion separadas que realizan ciclos respectivos.
Compendio de la invencion
Diversos aspectos de la presente invencion se presentan en las reivindicaciones adjuntas.
Diversas realizaciones de la presente invencion, que implementan un motor de combustion de ciclo tnbrido (HCCE, Hybrid Cycle Combustion Engine) y metodos relacionados, ofrecen soluciones a algunos de los problemas inherentes en planteamientos de la tecnica anterior.
En general, en un aspecto, la invencion se dirige a un metodo mejorado para hacer funcionar un motor de combustion interna de tipo cuatro tiempos volumen variable que tiene una carrera de compresion para comprimir un medio de trabajo y una carrera de potencia. Una caractenstica importante de este aspecto de la invencion incluye abstenerse de introducir una cantidad sustancial del combustible en el medio de trabajo durante la carrera de compresion hasta haber alcanzado sustancialmente la presion maxima del medio de trabajo. Diversas realizaciones de este aspecto de la invencion incluyen la etapa de provocar la carrera de compresion para producir una presion del medio de trabajo que provocana autoencendido cuando se le anade combustible. Segun este aspecto, la invencion se define mediante la reivindicacion 1.
Generalmente, en otro aspecto, la invencion presenta un motor de combustion interna que incluye todas las caractensticas de la reivindicacion 12.
En diversas realizaciones de este aspecto de la invencion, el motor incluye un fluido de sellado movible unidireccionalmente a traves del al menos un diodo flrndico.
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En incluso otro aspecto de la invencion, se proporciona una estructura que tiene una camara sellable de manera controlada. La estructura incluye un miembro de alojamiento que tiene una superficie interior que define la camara; y un miembro interior dispuesto al menos parcialmente dentro de la camara, el miembro interior tiene una superficie exterior y, al menos uno del miembro de alojamiento y el miembro interior es movible de manera que el miembro de alojamiento y el miembro interior son movibles relativamente entre sf de tal manera que al menos una primera parte de la superficie exterior del miembro interior se puede disponer proxima a una primera parte de la superficie interior, al menos una de la primera parte de la superficie exterior del miembro interior y la primera parte de la superficie interior del miembro de alojamiento define al menos un diodo flmdico. Opcionalmente se puede proporcionar un fluido de sellado movible unidireccionalmente a traves del al menos un diodo flmdico.
El medio de trabajo puede ser aire o una mezcla no combustible de aire y medio combustible. Opcionalmente, la temperatura del medio de trabajo se puede ajustar de modo que el medio de trabajo se comprime de manera sustancialmente isoterma. Tambien opcionalmente, se puede anadir un medio fluido, tal como agua, al medio de trabajo durante la compresion. El metodo se puede implementar para que incluya reducir la temperatura de los subproductos de combustion mientras se aumenta el calor de combustion del medio combustible antes de la combinacion del mismo con el medio de trabajo comprimido.
En realizaciones relacionadas adicionales, el segundo valor de volumen es igual al tercer valor de volumen, y reducir de manera controlada el volumen del medio de trabajo puede incluir trasferir el medio de trabajo a una camara de combustion caracterizada por el tercer valor de volumen. Como alternativa o adicionalmente, combustionar la mezcla puede incluir encender la mezcla del medio combustible y el medio de trabajo comprimido. Opcionalmente, mantener el volumen de subproductos de combustion puede incluir anadir un medio fluido a la mezcla.
Breve descripcion de los dibujos
En los dibujos, caracteres de referencia semejantes generalmente se refieren a las mismas piezas por todas las diferentes vistas. Tambien, los dibujos no estan necesariamente a escala, en cambio generalmente se hace hincapie en ilustrar los principios de la invencion. En la siguiente descripcion, se describen diversas realizaciones de la presente invencion con referencia a los siguientes dibujos, en los que:
la figura 1 son diagramas de presion/volumen para un ciclo Otto tfpico, mostrado en lmeas discontinuas, asf como para un motor que usa un HCCe, mostrado en lmeas continuas;
la figura 2 es un diagrama de bloques de un HCCE,
la figura 3 es una implementacion de piston lfquido del ciclo tnbrido de alta eficiencia (HEHC, High Efficiency Hybrid Cycle);
la figura 4 es una comparacion de la distribucion de energfa dentro de ICE convencional y HCCE; la figura 5 muestra mas hoja detallada de equilibrio energetico para HCCE;
la figura 6 representa un HCCE basado en piston lfquido en el que camaras de combustion se integran con cilindros;
las figuras 7 y 8 representan un HCCE basado en piston lfquido con camaras de combustion autonomas;
la figura 9 representa camara de combustion / valvula de escape/admision del HCCR segun un ejemplo;
la figura 10 representa detalles de funcionamiento del HCCE basado en piston lfquido con camaras de combustion autonomas;
la figura 11 representa una modificacion ejemplar del HCCE basado en piston lfquido con camaras de combustion autonomas;
las figuras 12 -20 representan diversas realizaciones del HCCE en el que la cantidad de lfquido se puede hacer arbitrariamente pequena;
las figuras 21-26 proporcionan detalles de construccion y explican principios de funcionamiento de un diseno de piston oscilante de angulo grande del HCCE segun algunos ejemplos;
la figura 27 representa un ejemplo del diseno de piston oscilante de angulo grande del HCCE.
las figuras 28-33 proporcionar detalles de construccion e ilustran principios de funcionamiento de un ejemplo particular del HCCE basado en diseno de piston de anchura constante.
la figura 34 representa diversos ejemplos del diseno basado en piston de anchura constante de las figuras 28-33; la figura 35 es una aplicacion potencial diferente para el piston en forma de triangulo de Reuleaux modificado;
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las figuras 36-40 proporcionar detalles de construccion e ilustran principios de funcionamiento de un ejemplo del HCCE basado en diseno de camara de anchura constante;
la figura 41 representa todavfa otra realizacion del HCCE basado en diseno de pistones en tijera;
las figuras 42 A y B muestran la secuencia de posiciones de pistones que experimentan cuatro carreras HEHC;
la figura 43 es una demostracion de la aplicacion del concepto de diodo flmdico en aplicaciones de sellado dinamico;
la figura 44 muestra detalles de diversos tipos de sellado por diodo flmdico (FDS, Fluidic Diode Seal), canales del mismo se podnan rellenar con lfquido; y
la figura 45 muestra como se puede aplicar el FDS para sellar camaras de combustion autonomas en diversas realizaciones del HCCE.
Descripcion detallada
Definiciones. A los efectos de esta descripcion y las reivindicaciones de esta solicitud, los siguientes terminos tendran los significados indicados a menos que el contexto lo requiera claramente de otro modo:
“Medio de trabajo” es una mezcla gaseosa que consiste esencialmente en aire o incluye una mezcla de combustible/aire que no puede realizar autoencendido.
“Rotacion-y-vaiven” es un tipo de movimiento de un piston que incluye rotacion del piston alternadamente alrededor de dos ejes de rotacion, mientras simultaneamente va en vaiven como conjunto.
“Fluido de sellado” es un fluido que incluye agua, aceite lubricante, lfquido de enfriamiento, refrigerante, o cualquier otro lfquido adecuado con fines de sellar.
“Compresion (o expansion) sustancialmente isotermica” es el proceso de comprimir o expandir gas o mezcla de gas/vapor de agua durante el que la temperatura de la mezcla permanece sustancialmente constante.
“Movimiento del piston” es un movimiento de los pistones del compresor y del expansor, que, dependiendo de la implementacion espedfica, puede incluir movimiento complejo, tal como rotacion no uniforme, movimiento en vaiven, oscilacion o rotacion-y-vaiven.
“Productos de combustion (o subproductos)” son productos de la combustion del combustible, que contienen vapor de agua formado en el transcurso de la combustion y, opcionalmente, vapor de agua del agua introducida adicionalmente.
“Mecanismo de insercion de baja presion” es un mecanismo para introducir agua y/o combustible en la camara de combustion rotando un vastago que contiene cavidades rellenadas con un agua y/o combustible en la camara de combustion o, por el contrario, rotando la camara de combustion hasta una cavidad estacionaria rellenada con combustible y/o agua.
“Agua o combustible introducidos” - agua o combustible inyectados o introducidos por medio del mecanismo de insercion a baja presion.
“Tijeras” o “gato y raton” es una configuracion de piston en la que el piston rotando en un sentido se aproxima momentaneamente a otro piston rotando en el mismo sentido y luego se retrae desde este segundo piston debido a diferencia de velocidades angulares.
“PGM” (Power Generating Module) - modulo de generacion de energfa “PCM” (Power Conversion Module) - modulo de conversion de energfa “ERS” (Energy Recovery System) - sistema de recuperacion de energfa opcional
“Sellado por diodo flmdico” (“FDS”) es un sello formado entre dos cuerpos en movimiento colineal relativamente entre sf, cuando uno o ambos de estos cuerpos tienen caractensticas que crean localmente alta presion para un flujo que se mueve en una direccion (flujo de fuga), este tipo de caractenstica actuana como sellado dinamico con potencial para disminuir o eliminar sustancialmente la fuga.
“Motor de combustion de ciclo Imbrido” (“HCCE”) es un motor de combustion interna implementado segun diversas realizaciones de la invencion y que funciona segun un diagrama de ciclo termodinamico mostrado en la figura 1.
Estructura Generalizada de un Motor HCCE segun realizaciones en esta memoria
Hay muchos tipos diferentes de motores, que funcionan segun diversos ciclos termodinamicos, y un numero incluso mayor de modificaciones dentro de cada tipo. Estos tipos diferentes existen porque cada uno ofrece ciertas ventajas sobre otros. Por ejemplo, mientras los motores de ciclo Diesel son en cierto modo inferiores desde el punto de vista
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de eficiencia a los motores de ciclo Otto (que a veces se denominan en esta memoria motores de “cuatro tiempos”, y las carreras como “admision”, “compresion”, “expansion” y “escape”) cuando ambos funcionan en la misma relacion de compresion, el motor diesel normalmente funciona en relaciones de compresion mas altas y se vuelve mas eficiente que el motor Otto. Los motores de ciclo Ericsson asf como los motores de ciclo Stirling son superiores a los motores 5 de ciclo Otto porque permiten recuperar parte de la energfa de escape, pero estos motores son muy engorrosos (y por lo tanto caros) de construir y mantener. Al mismo tiempo, los motores de vapor de agua de ciclo Rankine ofrecen algunas ventajas sobre los motores de combustion interna, pero son muy grandes y lentos.
Una idea principal que soporta realizaciones descritas en esta solicitud es un nuevo ciclo termodinamico, significativamente mejorado, al que se le hace referencia como 'ciclo hforido de alta eficiencia' (HEHC, High Efficiency 10 Hybrid Cycle). Este nuevo ciclo combina las mejores caractensticas de varios ciclos conocidos. Se presentan varias implementaciones de este nuevo ciclo. Los motores que implementan este nuevo ciclo exhiben eficiencia termodinamica asf como eficiencia mecanica mas altas (con eficiencia total del 50 % - 60 %), son economicos de producir y mantener, y contaminan menos que los motores que utilizan otros ciclos.
El trabajo realizado, y, por lo tanto, la eficiencia de un ciclo dado, es igual al area delineada por un diagrama de 15 presion/volumen (PV). La figura 1 representa un diagrama PV para un ciclo Otto tfpico, mostrado en lmeas discontinuas, asf como para un motor que usa un HEHC, mostrado en lmeas continuas. Asf para aumentar la eficiencia, realizaciones presentadas en esta memoria aumentan el area en el diagrama PV al “estirar” las curvas definitorias para el ciclo Otto, que tiene algunas de las eficiencias teoricas mas altas. Vease, por ejemplo, “Engineering Termodynamics with Applications" de M. David Burghardt, p. 353, con referencia a la figura 1, el ciclo Otto empieza en 20 el punto 1, que se caracteriza por el volumen de admision VAdmision del motor y presion ambiente ~ 1 atm. Ahora se identifican caractensticas del HEHC, que se puede implementar para aumentar el area definida por el diagrama PV, y, por lo tanto, la eficiencia del motor. Por supuesto, implementar una cualquiera de estas caractensticas aumentara la eficiencia; e implementar mas de estas caractensticas aumentara aun mas la eficiencia. En otras palabras, no es necesario implementar todas las caractensticas a fin de realizar algunos beneficios de las realizaciones descritas en 25 esta memoria.
Se describiran mas en detalle a continuacion motores que implementan HEHC y llamaremos a tales motores “motor de combustion de ciclo hnbrido”, o HCCE. En diversas realizaciones ejemplares,
HCCE incluye los siguientes componentes descritos por toda esta descripcion y representados en las figuras.
30 Componentes
100 - PGM (Modulo de Generacion de Potencia)
110 - cubierta de compresor
111 - protuberancia adentro de la camara de compresion
35 113 - alojamiento izquierdo de valvula (aberturas cilmdricas)
114 - alojamiento derecho de valvula (aberturas cilmdricas)
115 - alojamiento de vastago (aberturas cilmdricas)
120 - vastago oscilante
121 - piston del compresor
40 122 -piston del expansor
123 - leva de impulsion
124 - rodillo seguidor de leva
125 - rodillo grna
126 - vastago de impulsion central
45 127 - vastago de impulsion superior
128 - vastago de impulsion inferior 130 - cuerpo de compresor
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131 - camara de compresion
132 - camara de compresion
133 - camara de combustion
134 - camara de combustion
135 - valvula de aire de una via
136 - valvula de aire de una via
137 - inyector de agua
140 - separador
141 - lumbrera de admision de aire
142 - lumbrera de admision de aire
143 - lumbrera de escape
144 - lumbrera de escape
145 - canal de aire
146 - canal de escape
150 - valvula de admision de aire fresco
151 - valvula de trasferencia de productos de combustion
152 - canal
153 - valvula izquierda de aire/escape
154 - -valvula derecha de aire/escape
155 - vastago
157 - valvula de escape
161 - cojinete radial
162 - -cojinete radial
163 - cojinete radial
164 - cojinete radial
170 - -cuerpo de expansor
171 - camara de expansor
172 - camara de expansor
180 - cubierta de expansor
181 - protuberancia adentro de la camara de expansion
191 - ciguenal
192 - imanes
200 - ERS (Sistema de Recuperacion de Energfa)
300 - PCM (Modulo de Conversion de Potencia)
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Caracteristicas de HCCE:
1. Alta relacion de compresion. En el ciclo Otto (y otros motores tipicos de encendido por chispa), la mezcla de aire/combustible se comprime pero unicamente a condiciones de presion y temperatura que paran poco antes de provocar autoencendido. Como comprimir a una relacion mas alta puede obtener eficiencia mas alta, el HCCE comprime aire a una relacion muy alta, tfpicamente por encima de las condiciones de presion-temperatura que provocanan autoencendido con combustible presente. Sin embargo, la compresion en diversas realizaciones es unicamente de aire (o medio de trabajo, como se ha definido anteriormente), y se anade combustible unicamente despues de que se completa sustancialmente la fase de compresion - como en el ciclo Diesel convencional. Sin embargo, a diferencia del planteamiento de los motores de ciclo Diesel, en diversas realizaciones de HCCE, el combustible combustiona en condiciones de volumen sustancialmente constante.
2. Compresion casi isotermica. La compresion isotermica requiere menos trabajo para la compresion de una cantidad dada de medio de trabajo a una presion que la compresion adiabatica. La compresion casi isotermica se puede lograr enfriando el medio de trabajo durante la compresion, p. ej. anadiendo agua durante la compresion.
3. Combustion a volumen constante (isocorico) o volumen decreciente. El encendido empieza en el punto “2” en el diagrama PV y procede al punto “3”. Preferiblemente, esto debe suceder en condiciones isocoricas. En motores Otto en la practica, esta condicion no se satisface, porque el piston, que se conecta a un ciguenal rotatorio, se desplaza una distancia finita durante el tiempo que tarda el combustible en quemarse.
Para lograr un proceso verdaderamente isocorico, en diversas realizaciones de HCCE, el piston se detendra momentaneamente hasta que se complete sustancialmente la combustion y/o el motor se configura para aislar la mezcla de aire/combustible quemandose en una camara de combustion separada.
Ademas es posible reducir el volumen del medio de trabajo “moviendo” el punto 3 en el diagrama PV a la “izquierda” anadiendo un medio fluido, tal como agua, durante la combustion. El agua se evapora, reduciendo la temperatura dentro de la camara de combustion y por lo tanto la presion de los productos de combustion. Sin embargo, al mismo tiempo, el agua anadida de esta manera reduce el volumen ocupado por los productos de combustion dentro de la camara de combustion, dedo que la evaporacion de vapor de agua ocupa 1400 veces el espacio del agua lfquida. La disminucion de volumen tiene un efecto opuesto en la presion de los productos de combustion - la disminucion de volumen (en ausencia de cambio de temperatura) aumenta la presion de los productos de combustion. Por lo tanto, si bien el efecto neto de la adicion de agua lfquida a la camara de combustion podna ser una ligera disminucion en la presion en el punto 3, el vapor de agua sobrecalentado generado durante este proceso se puede recoger durante la siguiente fase de expansion del medio de trabajo, que ahora contendra los productos de combustion asf como este vapor de agua sobrecalentado a alta presion. Tambien, la evaporacion de agua enfna la camara de combustion, lo que permite el uso de materiales menos caros para la construccion del motor. La temperatura reducida tambien reduce la formacion de gases NOx no deseables.
4. Aumento de presion durante la carrera de expansion. En motores modernos las paredes de cilindro se enfnan para impedir la degradacion y fusion de material. El enfriamiento de las paredes de cilindro reduce la curva entre los puntos “3” y “4” en el diagrama PV - lo que tiene un efecto negativo en el area total bajo la curva. En nuestro caso, el agua evaporada durante la combustion ayuda a estirar la curva de ciclo hacia arriba. Se puede anadir agua adicional para disminuir la temperatura de pared, mientras que se usaran vapor de agua generado adicional para realizar mas trabajo.
5. Expansion a volumen mas grande que el volumen de admision. El punto “4” en el diagrama PV mostrado en la figura 1 se puede desplazar a la derecha extendiendo la carrera de expansion, esto es, configurando la carrera de expansion para proporcionar un volumen que sea significativamente mas grande que el volumen proporcionado durante la carrera de admision. Este resultado se puede conseguir expandiendo los productos de combustion (y vapor de agua) adentro de una camara de expansion que tiene un volumen mas grande que la camara usada para la carrera de compresion. Una manera de implementar dicha configuracion es utilizar camaras de compresion y de expansion separadas y/o, si se usa agua, anadiendo una cantidad variable de lfquido (agua) en una camara de compresion y/o de expansion, de modo que haya presente mas lfquido durante la compresion que durante la expansion.
6. Recuperacion termoqmmica. Se puede obtener eficiencia adicional trasfiriendo parte del calor desde los gases de escape nuevamente al sistema, como se hace en ciclos Stirling o Ericsson. Si bien tecnicamente dicha trasferencia de calor se podna conseguir en motores Otto o Diesel instalando un simple intercambiador de calor, que trasferina el calor desde los gases de escape a aire fresco entrante, consideraciones practicas impiden este tipo de solucion dado que el volumen de este tipo de intercambiador de calor “gas a gas” sena excesivamente grande, y temperaturas de aire mas caliente reducinan eficazmente la densidad de potencia del motor. En nuestro caso estamos forzados a reducir la temperatura de los gases de escape por debajo de 100 grados C para recuperar el agua que se anadio durante las carreras de compresion, combustion y/o expansion. Sin embargo, en lugar de trasferir calor a aire entrante, se trasfiere este calor a combustible gaseoso, como se describe en la solicitud internacional n.° PCT/US03/05749, mencionada anteriormente. Una ventaja adicional de este planteamiento es que la gran cantidad de calor asociado con el cambio de fase del agua entre estados gaseoso y lfquido permite usar agua como medio de trasferencia de
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calor en un intercambiador de calor que ocupa un volumen comparable al volumen de un radiador usado en los ICE modernos. En esta realizacion, el calor recuperado del agua se puede usar para provocar la descomposicion termoqmmica del combustible gaseoso entrante a hidrogeno y monoxido de carbono, de modo que el combustible descompuesto resultante tiene un calor mas alto de la combustion que antes de la descomposicion termoqmmica.
Ademas de permitir el ciclo tnbrido descrito anteriormente, es deseable que diversas realizaciones de un motor acorde con la presente invencion tengan baja friccion entre piston y cilindros asf como factor de forma compacto. En diversas realizaciones, un motor segun la presente invencion puede tener caractensticas, tratadas con detalle adicional mas adelante, que incluyen las siguientes:
1. Un compresor, que comprime aire a una o mas camaras de combustion, preferiblemente durante las carreras de avance y de retorno del funcionamiento, de tal manera que mientras se esta comprimiendo aire en un lado del piston del compresor, se induce aire fresco en el otro lado del piston del compresor.
2. Un conjunto de una o mas camaras de combustion, para aceptar aire caliente presurizado desde el compresor. Cuando se introduce combustible en las camaras de combustion, por medio de un mecanismo de introduccion de combustible, comienza la combustion y (opcionalmente) continua hasta que ocurre la combustion completa.
3. Un mecanismo de introduccion de combustible, que inserta el combustible en la camara(s) de combustion. Este mecanismo puede inyectar combustible con una bomba de inyeccion, o puede insertar un combustible gaseoso a baja presion en una camara de combustion a alta presion por medio de insercion mecanica. Cuando se usa insercion mecanica, se puede implementar en varias configuraciones. Una configuracion implica hacer rotar un vastago ubicado dentro de la camara de combustion de tal manera que la cavidad dentro del vastago que contiene el combustible es rotada gradualmente en la camara de combustion. Por el contrario, otra configuracion implica hacer rotar la camara de combustion a una cavidad estacionaria que se rellena con combustible gaseoso. En otra realizacion, se puede usar cualquier mecanismo de inyeccion de combustible a alta presion.
4. Un mecanismo opcional de introduccion de agua, que puede inyectar agua lfquida con una bomba de inyeccion de agua, o insertar agua lfquida en la camara de combustion a alta presion por medio de insercion mecanica. La insercion mecanica se puede implementar justo como se describe con respecto al mecanismo de introduccion de combustible: ya sea haciendo rotar un vastago ubicado dentro de la camara de combustion de tal manera que la cavidad dentro del vastago que contiene el agua es rotada gradualmente en la camara de combustion o, por el contrario, la camara de combustion es rotada a la cavidad estacionaria que esta rellenada con agua. Tambien, en otra realizacion, el agua puede ser inyectada o insertada en el compresor y/o en las camaras de expansor para fines de enfriamiento.
5. Un expansor, que recibe productos de combustion a alta presion, alta temperatura, y (opcionalmente) vapor de agua a alta presion, desde el conjunto de camaras de combustion, y expande dichos productos de combustion y vapor de agua, convirtiendo calor y energfa potencial en trabajo, preferiblemente durante las carreras de avance y de retroceso del funcionamiento, de tal manera que mientras se estan expandiendo productos de combustion y vapor de agua en un lado del piston del expansor, los productos de combustion y vapor de agua gastados escapan por el otro lado del piston del expansor. Es deseable que el volumen de expansion del expansor sea mas grande que el volumen de admision del compresor. Esto se implementa facilmente si el expansor es un volumen separado del compresor. En otra realizacion, el propio compresor se puede usar como expansor (es decir, se puede usar el mismo volumen tanto para compresion como para expansion, como se hace en un motor Otto o Diesel tfpico basado en piston). Incluso si se usa el mismo volumen, el expansor puede tener volumen de expansion gas mas grande que el volumen de compresion si hay presente mas lfquido en la camara durante la compresion que durante la expansion.
6. Un sistema opcional de recuperacion termoqmmica en el que se condensa agua contenida en el escape y la energfa recuperada de este tipo de proceso se trasfiere al combustible, en un proceso de descomposicion del combustible hasta una mezcla de hidrogeno y monoxido de carbono (y posiblemente algunos otros gases), que tiene un calor de combustion mas alto que el combustible original.
Cabe senalar que si bien unicamente una combinacion de todas las caractensticas anteriores produce eficiencia optima, diversas realizaciones de la invencion podnan omitir algunas de ellas. Numerosas maneras en las que las caractensticas anteriores se pueden implementar son contempladas por la invencion. Varias realizaciones ejemplares se tratan a continuacion.
En la figura 2, se ilustran modulos mayores de una realizacion de HCCE: un Modulo de Generacion de Potencia (PGM), 100, un Modulo de Conversion de Potencia (PCM), 300, y Sistema de Recuperacion de Energfa opcional (ERS), 200, Modulo Adquisicion y Control de Datos (DAC), 400. ERS y DAC se describen en la solicitud internacional n.° pCt/US03/05749 mencionada anteriormente.
Haciendo referencia a la figura 2, los pistones del compresor y el expansor pueden ejecutar un movimiento complejo,
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que incluye movimiento que hemos llamado “rotacion-y-vaiven”. En terminos generales, en la seccion “Definiciones”, no se ha limitado un movimiento del “piston” a movimiento en vaiven relacionado con un movimiento rotatorio sustancialmente uniforme de un vastago de salida conectado. Con estas definiciones en mente, las funciones del PCM 300 son convertir movimiento del piston en movimiento de vastago de salida o directamente en energfa electrica; para limitar la amplitud del movimiento del piston a fin de impedir las colisiones de los pistones con paredes del motor; y, opcionalmente, para suavizar fluctuaciones de potencia, mediante la utilizacion de un volante de inercia.
Hay muchos mecanismos, basados en levas y engranajes no circulares que permiten a los expertos en la tecnica implementar PCM simples y eficientes. Vease, por ejemplo, “Mechanism & Mechanical Devices Sourcebook” de Nicholas P. Chironis, McGraw-Hill Companies, El ISBN 18-4, de abril de 1991, pags. 71, 74 y 105.
El PGM 100 de un HCCE segun realizaciones de la presente invencion se puede implementar de varias maneras, por ejemplo para producir movimiento rotacional, oscilatorio o de rotacion-y-vaiven (se daran ejemplos mas adelante). Si se produce movimiento oscilatorio, se puede convertir en movimiento rotatorio de un vastago de salida usando el PCM 300. La conversion de movimiento del piston en movimiento rotacional del vastago de salida o directamente en energfa electrica por el PCM 300 se describira en detalle mas adelante.
PGM - Piston de L^quido
Se empezara con la descripcion del PGM 100. En una realizacion, el PGM se puede implementar usando un concepto de piston lfquido mostrado en la figura 3 y descrito en la solicitud internacional n.° PCT/US03/05749 mencionada anteriormente. Se hara referencia a un ICE que implementa el concepto de piston lfquido que es “Fluid ICE™”.
El piston de metal ngido de ICE convencionales se sustituye por un piston lfquido, por ejemplo, un volumen de agua. La superficie superior del agua puede no ser plana o incluso continua durante el movimiento del piston lfquido. La superficie de agua sustituye la superficie superior del piston de metal. La siguiente tabla resume las diferencias clave en un motor de 4 tiempos que usa un piston metal vs. lfquido
Carrera Descripcion de cada carrera de un Funcionamiento de ICE Funcionamiento de Fluid
motor de 4 tiempos, un cilindro, 2 convencional ICE™ basado en piston liquido
valvulas (aire y escape)
1. Admision con valvula de aire abierta se el piston se mueve hacia el piston lfquido se mueve hacia succiona una mezcla de abajo, impulsado por el abajo, impulsado por la bomba aire/combustible ciguenal
2.
Compresion
con ambas valvulas cerradas se el piston se mueve hacia el piston lfquido se mueve hacia comprime la mezcla de arriba, impulsado por el arriba, impulsado por la bomba aire/combustible ciguenal
3. Expansion
con ambas valvulas cerradas una Se requiere una bujfa para mezcla de aire/combustible encender la mezcla de combustiona creando presion muy aire/combustible. El piston alta en el cilindro se mueve hacia abajo,
impulsado por la alta presion. El piston en movimiento impulsa el ciguenal
No se requiere una bujfa para la combustion. Temperaturas altas de gas, provocadas por alta relacion de compresion,
permiten la combustion
espontanea. El piston lfquido se mueve hacia abajo impulsado por la alta presion. El flujo de agua impulsa un motor hidraulico
4. Escape
con valvula de escape abierta se expulsa una mezcla de aire/combustible combustionada del cilindro
el piston se mueve hacia arriba, impulsado por el ciguenal
el piston lfquido se mueve hacia arriba, impulsado por la bomba
Cabe senalar las siguientes caractensticas del ICE que tiene un piston lfquido:
Los cilindros de los motores convencionales son redondos para facilitar el sellado del espacio entre piston y paredes de cilindro. Como manifiesta la figura 3, la seccion transversal de cilindro del motor basado en lfquido no tiene que ser redonda ya que no hay cuestion de sellado. El diseno rectangular facilita la eficiencia volumetrica (es decir, la misma potencia en un volumen mas pequeno) y, lo que es mas importante, tambien permite un nuevo diseno de valvulas de admision y escape. La figura 6 muestra, como ejemplo, que una valvula rotatoria puede hacer funcionar valvulas de Admision y Escape - esto simplifica considerablemente el diseno. Tambien cabe senalar que las valvulas rotatorias funcionan mucho mas silenciosas y no generan ruido de golpeteo de las valvulas de retencion convencionales.
El agua se evapora durante expansion de piston. Esto es beneficioso para ICE porque:
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a. Evaporar agua aumenta la presion dentro del cilindro durante la expansion, como se ha tratado anteriormente. Esto significa efectivamente que Fluid ICE es una combinacion sinergica de un motor de combustion interna y un motor de vapor de agua, excepto que no hay caldera y el proceso de evaporacion es casi instantaneo.
b. El agua de evaporacion lleva una gran cantidad de calor (latente) de evaporacion, que potencialmente se puede usar para hacer mas trabajo. Esto se consigue enviando productos de escape calientes, que contienen vapores de agua, a traves de un sistema de recuperacion de energfa (ERS), mostrado en la figura 2 y 5 y explicado mas adelante en este documento.
c. El agua se enfna y lubrica el cilindro aliviando la necesidad de enfriamiento y lubricacion adicionales.
El volumen de agua en los cilindros es controlado por valvulas. En diversas realizaciones de la invencion, esto tiene un efecto positivo en la eficiencia termodinamica del motor:
a. El volumen de admision de aire es menor que el volumen de escape en el final de la carrera de expansion. Como se muestra en la figura 1 - esto por sf solo aumenta la eficiencia termodinamica hasta un 20 %.
b. En un motor convencional, tan pronto como comienza la combustion, el piston comienza para expandirse, lo que enfna la mezcla de combustible/aire, provocando una combustion incompleta. En Fluid ICE, la combustion puede ocurrir en un volumen constante - una condicion preferible que permite el quemado completo del combustible.
Para acomodar flujos de agua muy altos (pequenas cantidades pero velocidad muy alta), una bomba estandar, disponible comercialmente, y un motor hidraulico tienen que ser muy grandes. En cambio, aqrn se usan accionadores tipo paleta, que sirven simultaneamente como bomba y motor hidraulico. Estos accionadores se describen en la seccion “Juntando todo”, mas adelante.
Sistema de recuperacion de ene^a (ERS)
El ERS (figura 1) sirve para una pluralidad de finalidades. Convierte carburante en bruto, tal como gas de hidrocarburo (Gas Natural o carburante lfquido vaporizado) y vapor de agua en gas reformado, que contiene H2, CO y otros gases que tienen un calor de combustion hasta un 27 % mas alto que gas de carburante en bruto. La conversion ocurre en un recuperador termoqmmico por medio de reacciones endotermicas, ayudadas por catalizador, que ocurren a una temperatura constante entre 450 y 750 grados C. La temperatura necesaria para este proceso depende de las propiedades del catalizador y de cantidad de vapor de agua y/o dioxido de carbono. Los productos de escape suministran energfa adicional necesaria para esta conversion, asf este proceso aumenta significativamente la eficiencia del funcionamiento del motor. El motor puede funcionar tambien con combustible en bruto, por lo que estos componentes de reformacion son opcionales. Una comparacion de la distribucion de energfa dentro de Motores convencionales y Fluid ICE™ se muestra en la figura 4. Un hoja mas detallada de equilibrio energetico para motor Fluid ICE™ se muestra en la figura 5.
Una segunda finalidad para ERS es la recuperacion de agua. Como el agua (de evaporacion) no debe dejar el sistema con una tasa mayor que con la que la genera el proceso de combustion, se debe recuperar agua de los productos de escape. Los productos de escape se deben enfriar por debajo de 100 grados C, como se hace eficazmente cuando se usa con el ERS. El sistema termoqmmico de recuperacion se ofrecio primero para centrales energeticas grandes en “The Thermo-chemical Recovery System - Advanced Heat Recovery”, de D.K. Fleming y M.J. Khinkis, 12a Energy Technology Conference and Exposition, Washington D.C. 25-27 de marzo de 1985, asf como se describe en las patentes de EE. UU. 4.900.333; 5.501.162; y 5.595.059, pero nunca se explico para ICE porque este tipo de sistema de recuperacion de energfa creana componentes adicionales, grandes y caros que manejan agua y vapores de agua. Para Fluid ICE, estos componentes son integrales y sinergicos.
Eficiencia
Las razones para eficiencias termodinamicas mas altas del motor Fluid ICE se muestran en la figura 1. El area delineada por lmeas continuas 1 ^2 ^3 ^4 representa la cantidad de energfa que se puede extraer durante un unico ciclo del motor Fluid ICE. Los calculos muestran que la eficiencia termodinamica teorica del motor Fluid ICE es el 74 %, mientras que para ICE convencional es unicamente alrededor del 50-57 %.
Juntando todo
La figura 3 muestra tanto una vista en perspectiva como una vista en despiece ordenado de un motor de 4 tiempos 4 cilindros que usa un piston lfquido como se ha descrito. El PGM del motor de piston lfquido, que trasforma energfa qmmica del combustible en movimiento de vastago oscilatorio, se implementa aqrn mediante cuatro cilindros y dos accionadores, ubicados entre los cilindros. Un accionador comprende una paleta oscilante y dos volumenes. Los dos volumenes estan rellenos siempre con agua. Asf, A-1 (accionador #1), se forma por la paleta oscilante OV-1 y el volumen V1, adyacente al cilindro #1 y el volumen V2, adyacente a cilindro #2. De manera similar, A-2 (accionador #2), se forma por la paleta oscilante OV-2 y el volumen V3, adyacente al cilindro #3 y el volumen V4, adyacente a cilindro #4.
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La paleta se puede impulsar aplicando agua a alta presion sobre un lado, por lo que la paleta actua como motor hidraulico. Simultaneamente, el otro lado de la paleta empuja agua afuera, por lo que la paleta tambien esta actuando como bomba. Asf, se usan accionadores para que sirvan tanto como motor hidraulico como una bomba.
La paleta oscilante #1 (OV-1) se muestra en la figura 6 entre los cilindros #1 y #2. La paleta oscilante #2 (OV2) en la parte posterior del motor esta entre los cilindros #3 y #4. Ambas paletas se mueven juntas porque estan conectadas ngidamente al mismo vastago, que ejecuta movimiento oscilante.
Asumiendo que el vastago y ambos OV-1 y OV-2 se mueven en sentido antihorario (como se muestra con la flecha en la figura 6. El funcionamiento del motor Fluid ICE™ es de la siguiente manera:
En el cilindro 1:
La valvula de aire abre la lumbrera de admision de aire. La valvula de agua se abre para permitir que fluya agua entre el cilindro #1 y V1 (lado izquierdo de A-1). Conforme OV-1 se mueve en sentido antihorario, se bombea agua afuera del cilindro #1 y al compartimento V1 de A-1. Se atrae aire adentro del cilindro; asf, el cilindro 1 esta experimentando la fase de admision.
En el cilindro 2:
La valvula de agua para el cilindro # 2 esta abierta, por lo que conforme OV-1 se mueve en sentido antihorario, se bombea agua desde V2 (el compartimento derecho de A-1) al cilindro #2. La valvula de escape del cilindro #2 esta abierta - permitiendo que salgan gases de escape a traves de la lumbrera de escape. Esto significa que el cilindro #2 esta experimentando la fase de escape.
En el cilindro 3:
Asumase que la combustion ha ocurrido recientemente en el cilindro 3. Agua desde el cilindro # 3, bajo presion por los gases en expansion, fluye al V3. El flujo entrante de agua a A-2 impulsa OV-2 (y correspondientemente, OV-1) para mover en sentido antihorario. Ambas lumbreras de Escape y Aire del cilindro # 3 estan cerradas, ya que el cilindro #3 esta experimentando la fase de expansion.
En el cilindro 4:
Se bombea agua por OV-2 desde V4 al cilindro #4, ambas lumbreras Escape y Aire del mismo tambien estan cerradas. Asf, el cilindro #4 experimenta la fase de compresion.
Al completarse estas fases, la valvula de agua para el cilindro 4 se cierra y se introduce combustible en este cilindro por lo que se autoenciende. Tras un corto retraso, la valvula de agua se reabre, y la presion impulsa la OV-2. En este punto, el cilindro #1 experimenta compresion, el cilindro #2 experimenta escape, el cilindro #3 experimenta admision, y el cilindro #4 experimenta expansion. Las descripciones para cada carrera son las mismas que anteriormente, la unica diferencia es que el cilindro esta en una carrera dada. El proceso continua, y cada cilindro experimenta a su vez las carreras de admision, compresion, combustion/expansion, y escape. El resultado neto de este sistema es un vastago oscilante, impulsado por A-1 o A-2. Para que sea util para generar movimiento rotacional, se usa un convertidor Oscilatorio a Rotatorio (O-2-R) como se describira mas adelante en esta solicitud.
Implementacion de motor de piston tfquido usando camaras de compresion y de expansion separadas
Camaras de compresion y de expansion separadas es una modificacion del diseno de motor tratado anteriormente. Tambien se basa en un diseno de piston lfquido, pero emplea camaras de compresion y de expansion separadas. Esto diseno emplea dos camaras de combustion ubicadas dentro de dos valvulas de admision/escape. La construccion de este motor es similar al ICE de 4 valvulas basado en piston lfquido, mostrado en la figura 3 y 6, las principales excepciones son que no hay valvulas de agua y las valvulas de aire/escape se combinan con la camara de combustion. El diseno resultante se muestra en las figuras 7 a 11.
La figura 7 presenta una vista en despiece ordenado del Modulo de Generacion de Potencia (PGM) de un Motor HCCE de 4 tiempos, mientras la figura 8 muestra detalles espedficos de los componentes. Una descripcion adicional se referira, a menos que se indique de otro modo, a la figura 7 y la figura 8. En diversos ejemplos, el PGM 100 de este motor incluye
a. un cuerpo de motor que incluye el cuerpo de compresor 130, un separador 140 y el cuerpo de expansor 170;
b. un piston de compresion 121 - un cuerpo solido, rodeado en conjunto o en parte por lfquido (agua, en el caso mas simple), vease la figura 10. El piston 121, separa la cavidad de aire en la camara de compresion 131 y la camara de compresion 132, y se mueve en movimiento oscilatorio entre estas camaras de compresion;
c. un piston de expansion 122 - un cuerpo solido, rodeado en conjunto o en parte por lfquido. El piston 122 separa la cavidad de escape en la camara de expansor 171 y camara de expansor 172, y se mueve en movimiento oscilatorio dentro de esta cavidad de expansion.
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d. vastago oscilante 120 que acopla mecanicamente el piston de compresion 121 al piston de expansion 122;
e. dos valvulas de aire/escape: valvula izquierda 153 y valvula derecha 154. Cada valvula contiene un canal de aire, que permite que entre aire fresco a la camara de compresion y/o canal de escape, que permite que salgan productos de combustion de la camara de expansion. Cada valvula tambien contiene camaras de combustion 133, 134, correspondientemente). Las valvulas izquierda y derecha son imagenes reflejadas entre sf y, durante el funcionamiento, rotan en sentidos opuestos. Los detalles de la valvula derecha se muestran en la figura 9;
f. dos camaras de compresion 131 y 132, cada una de las cuales se forma por el espacio entre el cuerpo de compresor 130, piston de compresion 121, y uno del cuerpo de la valvula 153, 154 o el cuerpo de la camara de combustion 133/134, o ambos; y
g. dos camaras de expansion 171 y 172, cada una de las cuales se forma por el espacio entre el cuerpo de expansor 170, piston de expansion 122, y uno del cuerpo de las valvulas 153, 154 o el cuerpo de la camara de combustion 133, 134, o ambos.
h. Cubiertas, apoyos y pernos no se muestran;
Lfquido (agua) rellena parcialmente cada camara de compresion y/o de expansion. La superficie del lfquido expuesta a aire o productos de escape representa un piston lfquido (figura 10).
El volumen de compresor, que es la suma de los volumenes de las camaras de compresion 131 y 132, denotado V131 + V132, esta separado del volumen de expansion, V171 + V172; el volumen de expansion es mayor que el volumen de compresion, en este caso 2,5 veces. Dependiendo de la posicion del piston de compresion 121, los volumenes de las camaras de compresion V131 y V132 vanan desde el VAdmision, volumen maximo durante la fase inicial de la carrera de admision, a cero al final de la carrera de admision. Los volumenes de las camaras de compresion 131 y 132 son complementarios, es decir, V131 + V1 32 VAdmision.
De manera similar, dependiendo de la posicion del piston de expansion 122, los volumenes de las camaras de expansion V171 y V172 vanan desde el VEscape, durante la fase inicial de la carrera de escape, a cero. Los volumenes de las camaras de expansion 171 y 172 son complementarios, es decir, V171 + V172 = VEscape.
Funcionamiento
El piston de expansion 122 impulsado por productos de combustion, expandiendose en la camara de expansion 171 (que actua como motor hidraulico), hace rotar el vastago oscilante 120. Simultaneamente, 122 hace escapar de la camara de expansion 172 productos de combustion ya expandidos, (el piston 122 del expansor empuja agua afuera, actuando como bomba). Asi, el piston 122 del expansor se usa para que sirva tanto como motor hidraulico como bomba. Al mismo tiempo, el piston de compresion 121, impulsado por el vastago oscilante 120, comprime aire fresco en la camara de compresion 132, mientras induce aire a la camara de compresion 131 en ambos casos el piston 121 del compresor, esta actuando como bomba. El vastago oscilante 120, es impulsado por el piston de expansion 122, al comienzo de la carrera de expansion y por un volante de inercia (no se muestra) que se podna conectar ya sea al vastago oscilante 120 o al vastago de salida de PCM.
Para explicar aun mas el funcionamiento del motor, se necesita realizar un examen mas cercano del funcionamiento de las valvulas. Como el funcionamiento de valvula en muchos casos es similar en diversos disenos de motores y con la finalidad de conservar espacio, se hara referencia a la figura 22, para posicionamiento de pistones y valvulas, a pesar del hecho de que esta figura esta relacionada con un diseno diferente de motor. El funcionamiento del motor es de la siguiente manera:
Posicion 1
Ambos pistones 121 y 122 estan en posiciones izquierdas extremas, empezando a rotar en sentido horario.
V131 = 0, V132 = VAdmision, V171 = 0, V172 = VEscape;
La valvula izquierda de aire/escape 153 esta estacionaria y en dicha posicion esa lumbrera de admision de aire de la camara de compresor 131 esta abierta. Se inducira aire fresco a la camara de compresor 131 cuando el piston de compresion 121, empiece a moverse, asi, la camara de compresor 131 comenzara la carrera de admision.
La lumbrera de escape de la camara de expansor 132 esta cerrada. La combustion se acaba de completar y el volumen de camara de combustion se conecta a la camara de expansion 171. Los productos de combustion se expandiran a la camara de expansion 171 cuando el piston de expansion 122 empiece a moverse, asi, el volumen 171 comenzara la carrera de expansion.
La valvula izquierda de aire/escape 153 esta estacionaria y en dicha posicion esa lumbrera de admision de aire de la camara de compresor 132 esta cerrada. El aire, ya contenido en la camara de compresor 132, se comprimira cuando
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el piston de compresion 121 empiece a moverse, as^ la camara de compresor 132 empezara la carrera de compresion.
La lumbrera de escape de la camara de compresor 132 esta abierta. Los productos de combustion ya expandidos saldran de la camara de expansion 172 cuando el piston de expansion 122, empiece a moverse, asf, la camara de expansion 172 empezara la carrera de escape.
Posicion 2
Ambos pistones 121 y 122, acaban de llegar a sus posiciones derechas extremas.
V131 - VAdmision, V132 - 0, V171 - 0, V172 - VEscapei
Ambas valvulas estan estacionarias y en la misma posicion que anteriormente.
- la camara de compresion 131 ha completado la carrera de admision y la presion en la misma esta cerca de la ambiente.
- la camara de expansion 171 ha completado la carrera de expansion. La presion en la camara de combustion de la valvula izquierda, 153, y la camara de expansion 171 es cerca de la ambiente.
- la camara de expansion 172 ha completado la carrera de escape. No hay productos de escape en la camara de expansion 172, ya que su volumen es cero.
- la camara de compresion 132 ha completado la carrera de compresion. No hay aire en la camara de compresion 132, ya que su volumen es cero. En la camara de compresion dentro de la valvula derecha, 154 hay aire comprimido caliente.
Posicion 3
Ambos pistones 121 y 122 estan momentaneamente estacionarios, en la posicion derecha extrema.
V-131 - VAdmision, V132 - 0, V171 - 0, V172 - VEscapei
La valvula izquierda de aire/escape 153, es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion comienza a exponerse a aire ambiente. Al final de la rotacion de 180 grados se desconecta del aire ambiente y se alinea con la camara de compresion 131. Esta preparada para la carrera de compresion. Al final de la rotacion de 180 grados el canal de escape se alinea con la camara de expansion 171 y esta preparado para la carrera de escape.
La valvula derecha de aire/escape 154 es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion 134 atraviesa una cavidad dentro del cuerpo de compresor 130, que contiene combustible gaseoso a baja presion. Se mezcla aire caliente, debido a la compresion, con el combustible gaseoso y como su temperatura es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, ocurre una combustion espontanea. Opcionalmente, se podna insertar agua en la camara de combustion (antes, durante o despues del encendido). La rotacion de valvula de aire/escape tarda un tiempo suficientemente largo como para que se complete la combustion. Al final de la rotacion, la camara de combustion 134 se conecta a la camara de expansion 172 mientras la lumbrera de aire en 132 se abre (es decir, la camara de compresion 132 se expone a aire ambiente). La camara de expansion 172, esta preparada para empezar la carrera de expansion, mientras que la camara de compresion 132 esta preparada para empezar la carrera de admision.
Posicion 4
Ambos pistones 121 y 122 estan en la posicion izquierda extrema, empezando a rotar en sentido antihorario.
V131 - 0, V132 - VAdmision, V171 - 0, V172 - VEscapei
Ambas valvulas estan estacionarias y en la misma posicion que anteriormente.
- la camara de compresion 131 ha completado la carrera de compresion. No hay aire en la camara de compresion 131, ya que su volumen es cero. En la camara de compresion dentro de la valvula izquierda, 153 hay aire comprimido caliente.
- la camara de expansion 171 ha completado la carrera de escape. No hay productos de escape en la camara de expansion 171, ya que su volumen es cero.
- la camara de compresion 132 ha completado la carrera de admision y presion en la misma esta cerca de la ambiente.
- la camara de expansion 171 ha completado la carrera de expansion. La presion en la camara de combustion 133 de la valvula izquierda, 153, y la camara de expansion 171 esta cerca de la ambiente.
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Transicion de la Posicion 4 a la Posicion 1
Ambos pistones 121 y 122 estan momentaneamente estacionarios, en la posicion izquierda extrema.
V131 - 0, V132 - VAdmision, V171- 0, V172 - VEscapei
La valvula izquierda de aire/escape 153, es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion 133 atraviesa la cavidad dentro del cuerpo B, que contiene combustible gaseoso a baja presion. Se mezcla aire caliente, debido a la compresion, con el combustible gaseoso y como su temperatura es superior a la temperature de autoencendido del combustible, ocurre una combustion espontanea. Opcionalmente, se podna insertar agua en la camara de combustion (antes, durante o despues del encendido). La rotacion de la valvula de aire/escape tarda un tiempo suficientemente largo como para que ocurra una combustion completa. Al final de la rotacion, la camara de combustion 133 se conecta a la camara de expansion 171 mientras la lumbrera de aire en la camara de compresion 131 se abre (es decir, la camara de compresion 131 se expone a aire ambiente). La camara de expansion 171, esta preparada para empezar la carrera de expansion, mientras 131 esta preparada para empezar la carrera de admision.
La valvula derecha de aire/escape 154 es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion comienza a exponerse a aire ambiente. Al final de la rotacion de 180 grados se desconecta del aire ambiente y se alinea con la camara de compresion 132. Esta preparada para la carrera de compresion. Al final de la rotacion de 180 grados el canal de escape se alinea con la camara de expansion 172 y esta preparado para la carrera de escape. Observese que la combustion, y por lo tanto la expansion, ocurre en cada giro del vastago oscilante 120.
Implementaciones del HCCE descrito anteriormente dan como resultado los siguientes beneficios:
- Comprimir aire, en lugar de mezcla de aire/combustible, permite una relacion de compresion muy alta (15 a 30+). Se introduce combustible por separado en la camara de combustion;
- Opcionalmente inyectar agua en una camara de compresion durante la carrera de compresion reduce el trabajo necesario para comprimir el aire y acerca el proceso a compresion isotermica;
- una camara separada de combustion de volumen constante permite una combustion isocorica. Si se anade agua a la camara de combustion antes de que se complete la combustion, entonces, la combustion ocurrira en condicion de volumen reducido (debido al agua en evaporacion), que es incluso mas eficiente que la combustion isocorica. Esta agua tambien reduce la temperatura de los gases en la camara de combustion, lo que reduce los niveles de emision de NOx, y permite usar materiales de menor grado para la construccion del motor;
- hay presion adicional durante la expansion, debido al vapor de agua formado durante el procesos de combustion y expansion; y
- la presion de escape es baja porque el volumen de expansion es mas grande, de 2 a 5 veces el volumen de admision, lo que se consigue facilmente porque el expansor esta separado del compresor.
- El sistema de recuperacion de energfa se puede implementar como se describe en la presente memoria
Modificaciones
Para conservar la cantidad de lfquido necesario para un funcionamiento apropiado de este motor asf como el volumen total del motor, es posible usar la modificacion mostrada en la figura 11. Tambien son posibles otras diversas formas y hechuras de camara de combustion, camara de expansion, valvulas, pistones (por ejemplo, los pistones 121, 122 pueden tener diferentes formas entre sf), etc.
Piston oscilante, ConUgumcion en V
Los ejemplos mostrados en las figuras 12-20 se pueden implementar con o sin agua. La figura 15 presenta una vista en despiece ordenado de un motor HCCE de 4 tiempos, 4 cilindros. En las figuras 16 y 17 se muestran los detalles de algunos componentes, que son importantes para entender el funcionamiento del motor. La descripcion adicional se referira, a menos que se indique de otro modo indicado, a la figura 17. En este motor el volumen de expansor (Vc3 + Vc4) esta separado de, y es mayor que este, el volumen de compresor (V131 + V132).
Haciendo referencia a las figuras 14 y 15, en un ejemplo, el PGM 100 incluye:
- El cuerpo de motor que incluye el cuerpo de compresor 130, un separador 140 y el cuerpo de expansor 170;
- piston de compresion 121 - un cuerpo solido, opcionalmente rodeado en conjunto o en parte por lfquido (agua, en un ejemplo particular). El piston 121, separa la cavidad de aire en camara de compresion 131 y camara de compresion 132, y se mueve en movimiento oscilante dentro de la cavidad de aire;
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- piston de expansion 122 - un cuerpo solido, opcionalmente rodeado en conjunto o en parte por Kquido. El piston 122, separa la cavidad de escape en camara de expansor 171 y camara de expansor 172, y se mueve en movimiento oscilante dentro de la cavidad de escape;
- vastago oscilante 120, que acopla mecanicamente el piston 121 al piston 122;
- Dos valvulas de aire/escape: valvula izquierda 153 y valvula derecha 154. Cada valvula contiene un canal de aire 145, que permite que entre aire fresco a la camara de compresion, y/o canal de escape 146, que permite que salgan productos de combustion de la camara de expansion. Cada valvula tambien contiene una camara de combustion (133 y 134, correspondientemente). Las valvulas izquierda y derecha son imagenes reflejadas entre sf y, durante el funcionamiento, rotan en sentidos opuestos. Los detalles de la valvula izquierda se muestran en la figura 9;
- Dos camaras de compresion 131 y 132, cada una de las cuales se forma por el espacio entre el cuerpo de compresor 130, piston de compresion 121, y ya sea el cuerpo de la valvula 153/154 o el cuerpo de la camara de combustion 133/134, o ambos;
- Dos camaras de expansion 171 y 172, cada una de las cuales se forma por el espacio entre el cuerpo de expansor 170, el piston de expansion 122, y ya sea el cuerpo de la valvula 153/154 o el cuerpo de las camaras de combustion 133, 134), o ambos;
- Cubiertas 180 y 110, sostenidas en el cuerpo con pernos 151;
- El cuerpo de motor (130, 140, 170), figuras 14 y 16, es una pieza solida con varias caractensticas: camara de compresion 131, camara de compresion 132; dos aberturas cilmdricas (113 y 114) para las valvulas izquierda y derecha de aire/escape; abertura cilmdrica (115) para el vastago (120); dos lumbreras de admision de aire (141) y (142), dos lumbreras de escape (143) y (144), y canales opcionales de combustible y agua (no se muestran) ubicados dentro de 113 y 114 dentro del cuerpo del motor.
- el piston de compresion 121 se mueve dentro de cavidad de compresor de aire, como se muestra en la figura 18, mientas el piston de escape 122 se mueve dentro de la cavidad de expansion de escape. Ambos pistones se acoplan por medio del vastago oscilante 120 y, por lo tanto, se mueven juntos sincronicamente.
- El vastago oscilante 120, figura 15, tiene loma, que coincide con surcos en el piston de compresion 121 y el piston de escape 122, asf como otra loma que permite el acoplamiento al PCM (300).
- La valvula (154) es una imagen reflejada de la valvula (153), figura 15, es un cuerpo cilmdrico con canal de aire (145), canal de escape (146) y cavidad de camara de combustion (133 o 134).
Dependiendo de la posicion del piston de compresion 121, los volumenes de las camaras de compresion V131 y V132 vanan desde el VAdmision, volumen maximo durante la fase inicial de la carrera de admision, a cero al final de la carrera de admision. Los volumenes de las camaras de compresion 131 y 132 son complementarios, es decir, V131 + V132 = VAdmision. De manera similar, dependiendo de la posicion de piston de expansion 122, los volumenes de las camaras de expansion V171 y V172 vanan desde el VEscape, durante la fase inicial de la carrera de escape, a cero. Los volumenes de las camaras de expansion 171 y 172 son complementarios, es decir, V171 + V1 72 = VEscape.
Funcionamiento
El piston de expansion 122 impulsado por productos de combustion, expandiendose en la camara de expansion 171, hace rotar el vastago oscilante 120. Simultaneamente, el piston de expansion 122 hace escapar productos de combustion ya expandidos desde la camara de expansion 172. Al mismo tiempo, el piston de compresion 121, impulsado por el vastago oscilante 120, comprime aire fresco en la camara de compresion 132, mientras induce aire a la camara de compresion 131.
Considerando la figura 18, el funcionamiento del motor es de la siguiente manera:
Posicion 1
Ambos pistones, piston de compresion 121 y piston de expansion 122, estan en posicion izquierda extrema, empezando a rotar en sentido horario.
V131 = 0, V132 = VAdmision, V171 = 0, V172 = VEscape;
La valvula izquierda de aire/escape 153 esta estacionaria y en dicha posicion esa lumbrera de admision de aire de la camara de compresion 131 esta abierta. Se inducira aire fresco a la camara de compresion 131 cuando el piston de compresion 121, empiece a moverse, asf, la camara de compresion 131 comenzara la carrera de admision.
La lumbrera de escape de la camara de compresion 132 esta cerrada. La combustion se acaba de completar y el volumen de camara de combustion se conecta a la camara de expansion 171. Los productos de combustion se
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expandiran a la camara de expansion 171 cuando el piston de expansion 122 empiece a moverse, as^ la camara de expansion 171 comenzara la carrera de expansion.
La valvula derecha de aire/escape 154 esta estacionaria y en dicha posicion esa lumbrera de admision de aire de la camara de compresor 132 esta cerrada. El aire, ya contenido en la camara de compresion 132, se comprimira cuando el piston de compresion 121 empiece a moverse, asf, la camara de compresion 132 empezara la carrera de compresion.
La lumbrera de escape de la camara de compresion 132 esta abierta. Los productos de combustion ya expandidos saldran de la camara de expansion 172 cuando el piston de expansion 122, empiece a moverse, asf, la camara de expansion 172 empezara la carrera de escape.
Posicion 2
Ambos pistones 121 y 122, acaban de llegar a sus posiciones derechas extremas.
V131 = VAdmision, V132 = 0, V171 = 0, V172 = VEscapei
Ambas valvulas estan estacionarias y en la misma posicion que anteriormente.
- la camara de compresion 131 ha completado la carrera de admision. La presion en la 131 esta cerca de la ambiente.
- las camaras de expansion 171 han completado la carrera de expansion. La presion en la camara de combustion de la valvula izquierda, 153, y la camara de expansion 171 es cerca de la ambiente.
- las camaras de expansion 172 han completado la carrera de escape. No hay productos de escape en 172, ya que su volumen es cero.
- la camara de compresion 132 ha completado la carrera de compresion. No hay aire en 132, ya que su volumen es cero. En la camara de compresion dentro de la valvula derecha, 154 hay aire comprimido caliente.
Posicion 3
Ambos pistones, piston de compresion 121 y piston de expansion 122, estan momentaneamente estacionarios, en la posicion derecha extrema. V131 = VAdmision, V132 = 0, V171 = 0, V172 = VEscapei
La valvula izquierda de aire/escape, 153, es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion comienza a exponerse a aire ambiente. Al final de la rotacion de 180 grados se desconecta del aire ambiente y se alinea con 131. Esta preparada para la carrera de compresion. Al final de la rotacion de 180 grados el canal de escape se alinea con 171 y esta preparado para la carrera de escape.
La valvula derecha de aire/escape, 154, es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion atraviesa una cavidad (no se muestra) dentro del cuerpo de compresor 130, que contiene combustible gaseoso a baja presion. Se mezcla aire caliente, debido a la compresion, con el combustible gaseoso y como su temperatura es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, ocurre una combustion espontanea. Opcionalmente, se podna insertar agua en la camara de combustion (antes, durante o despues del encendido). La rotacion de la valvula de aire/escape tarda un tiempo suficientemente largo como para que ocurra una combustion completa. Al final de la rotacion, la camara de combustion se conecta a la camara de expansor 172 mientras la lumbrera de aire en la camara de compresion 132, se abre (es decir, la camara de compresion se expone a aire ambiente). La camara de expansor 172, esta preparada para empezar la carrera de expansion, mientras que la camara de compresion 132 esta preparada para empezar la carrera de admision.
Posicion 4
Ambos pistones, piston de compresion 121 y piston de expansion 122, estan en la posicion izquierda extrema, empezando a rotar en sentido antihorario. V131 = 0, V132 = VAdmision, V171 = 0, V1 72 VEscapei
Ambas valvulas estan estacionarias y en la misma posicion que anteriormente.
- la camara de compresion 131 ha completado la carrera de compresion. No hay aire en 132, ya que su volumen es cero. En la camara de compresion dentro de la valvula izquierda, 153 hay aire comprimido caliente.
- la camara de expansion 171 ha completado la carrera de escape. No hay productos de escape en 171, ya que su volumen es cero.
- la camara de compresion 132 ha completado la carrera de admision. La presion en 132 esta cerca de la ambiente.
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- la camara de expansion 171 ha completado la carrera de expansion. La presion en la camara de combustion de la valvula izquierda, 153, y la camara de expansion 171 es cerca de la ambiente.
Transicion de la Posicion 4 a la Posicion 1
Ambos pistones, piston de compresion 121 y piston de expansion 122, estan momentaneamente estacionarios, en la posicion izquierda extrema. V131 = 0, V132 = VAdmision, V171 = 0, V172 = VEscape. La valvula izquierda de aire/escape, 153, es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente:
La camara de combustion atraviesa la cavidad dentro del cuerpo, 130, que contiene combustible gaseoso a baja presion. Se mezcla aire caliente, debido a la compresion, con el combustible gaseoso y como su temperatura es superior a la temperatura de autoencendido del combustible, ocurre una combustion espontanea. Opcionalmente, se podna insertar agua en la camara de combustion (antes, durante o despues del encendido). La rotacion de la valvula de aire/escape tarda un tiempo suficientemente largo como para que ocurra una combustion completa. Al final de la rotacion, la camara de combustion se conecta a la camara de expansion 171 mientras la lumbrera de aire en la camara de compresion 131, se abre (es decir, la camara de compresion 131 se expone a aire ambiente). La camara de expansion 171, esta preparada para empezar la carrera de expansion, mientras que la camara de compresion 131 esta preparada para empezar la carrera de admision.
La valvula derecha de aire/escape, 154, es rotada 180 grados. En el proceso de rotacion ocurre lo siguiente: la camara de combustion empieza a exponerse a aire ambiente. Al final de la rotacion de 180 grados se desconecta del aire ambiente y se alinea con 132. Esta preparada para la carrera de compresion. Al final de la rotacion de 180 grados el canal de escape se alinea con la camara de expansion 172 y esta preparado para la carrera de escape. Observese que la combustion, y por lo tanto la expansion, ocurre en cada giro del vastago oscilante 120.
Implementaciones del HCCE descrito anteriormente dan como resultado los siguientes beneficios:
- Comprimir aire, en lugar de mezcla de aire/combustible, permite una relacion de compresion muy alta (15 a 30+). Se introduce combustible por separado en la camara de combustion.
- Opcionalmente inyectar agua en una camara de compresion (131 o 132) durante la carrera de compresion reduce el trabajo necesario para comprimir el aire y acerca el proceso a compresion isotermica.
- Una camara separada de combustion de volumen constante permite una combustion isocorica. Si se anade agua a la camara de combustion antes de que se complete la combustion, entonces, la combustion ocurrira en condicion de volumen reducido (debido al agua en evaporacion), que es incluso mas eficiente que la combustion isocorica. Esta agua tambien reduce la temperatura de los gases en la camara de combustion, lo que reduce los niveles de emision de NOx, y permite usar materiales de menor grado para la construccion del motor.
- Hay presion adicional durante la expansion, debido al vapor de agua formado durante los procesos de combustion y expansion.
- La presion de escape es baja porque el volumen de expansion es mas grande, de 2 a 5 veces el volumen de admision, lo que se consigue facilmente porque el expansor esta separado del compresor.
- El sistema de recuperacion de energfa se puede implementar como se describe en la presente memoria
Modificaciones
El motor descrito anteriormente, tambien puede tener numerosas implementaciones. Algunos de ellos obvios, tales como otras diversas formas y hechuras de la camara de combustion (es decir, cerca de semiesferica, lo que disminuye la relacion de superficie a volumen, que a su vez reduce las perdidas de calor desde la camara de combustion), camara de expansion, valvulas, pistones (la forma 121 no tiene que ser la misma que la forma 122). Por ejemplo, el desplazamiento angular de piston puede cambiar en una gran amplitud, como se puede ver en la figura 19. Tener ambas valvulas en proximidad cercana entre sf podna simplificar la implementacion del PCM, ya que rotan en sentido opuesto entre sf. Por lo tanto, conectar ambas valvulas por medio de una pareja de engranajes de igual diametro, permitina aplicar el movimiento requerido a una valvula unicamente - la segunda rotana automaticamente en sentido opuesto. Adicionalmente, dicha geometna permitina tener densidad de potencia mas alta.
Otra variacion importante se muestra en la figura 20. Ambos pistones podnan tener gran espacio de diametro interno en el medio, que se podna usar para la implementacion del PCM. Una combinacion de este tipo producina un motor de tamano mas pequeno y, por lo tanto, aumentana la densidad de potencia incluso mas.
Otras implementaciones pueden tener algunas caractensticas sutiles de diseno que podnan ser utiles en la construccion de un motor comercial. Una implementacion espedfica de este tipo se tratara mas adelante.
Diseno de piston oscilante de gran angulo
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Las figuras 21 a 26 muestran otra implementacion de un motor HCCE, que se describe mas adelante. El motor presenta una disposicion ligeramente diferente de valvulas y camaras de combustion comparadas con otros motores descritos hasta ahora.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 24, en un ejemplo, el PGM, 100 de este motor incluye:
- Cuerpo de compresor, 130, que contiene camaras de combustion 133 y 134, figura 24 y 34 a), y valvulas de aire de una via (bola, retencion, flmdica, etc.) 135 y 136, que permiten flujo de aire desde las camaras de compresion, 131 y 132, a las camaras de combustion, 133 y 134, correspondientemente. Tambien puede contener pasos especiales que podnan entregar combustible gaseoso o lfquido y/o agua lfquida directamente a las camaras de combustion, o, preferiblemente, a la valvula de trasferencia de productos de combustion 151.
- Cuerpo de expansor, 170;
- Separador, 140;
- Cubierta de compresor, 110;
- Cubierta de expansor, 180, que tambien aloja el PCM;
- Dos camaras de compresion, 131 y 132, formadas por espacio entre cuerpo de compresor, 130, piston 121 del compresor, separador, 140, y cubierta de compresor, 110;
- Dos camaras de expansor, 171 y 172, formadas por espacio entre cuerpo de expansor, 170, piston 122 del expansor, separador, 140, y cubierta de expansor, 180;
- Un piston de compresor 121, - un cuerpo solido, o, opcionalmente, un cuerpo solido rodeado en una parte por un lfquido; dicho piston de compresor 121, se mueve dentro del cuerpo de compresor y separa dos camaras de combustion. Oscila alrededor del eje del vastago oscilante;
- Un piston de expansor 122, coaxial al piston de compresor 121, - un cuerpo solido, o, opcionalmente, un cuerpo solido rodeado en parte por un lfquido; dicho piston de expansor 122, se mueve dentro del cuerpo de expansor y separa dos camaras de expansion. Oscila alrededor del eje del vastago oscilante sincronicamente con piston de compresor y vastago oscilante;
- Vastago oscilante (120) que acopla mecanicamente piston 121 del compresor y piston 122 del expansor. Puede tener una loma, que coincide son surcos en el piston de compresor (121) y el piston de escape (122), asf como otra loma que permite el acoplamiento al PCM (300). Como alternativa, se podna hacer como un conjunto con uno de los pistones;
- Valvula de trasferencia de productos de combustion 151, que tiene dos canales, 152 y 153, que permiten conectar el espacio de camara de combustion 133 con la camara de expansor 171 por medio del canal 152, o conectar el espacio de camara de combustion 134 con la camara de expansor 172, por medio del canal, 153;
- Valvula de escape 157, que permite que los gases expandidos escapen al ambiente o ERS.
- Vastago 155, que conecta las valvulas 151 y 157. Es impulsado intermitentemente adelante y atras, mientras los pistones de compresor y expansor estan estacionarios;
- Valvula de admision de aire fresco, 150, que permite inducir aire fresco a las camaras de compresion durante la carrera de admision. Esto se podna sustituir por valvulas de una via - tipo bola, retencion, flmdica, etc.
- Lfquido (agua) que rellena parcial o completamente los canales 152 y 153;
- Cojinetes radiales, 161, 162, 163 y 164, que sostienen rotacionalmente los vastagos 120 y 155;
Dependiendo de la posicion del piston de compresion 121, el volumen de las camaras de compresion V131 y V132 vana desde el VAdmision, durante la fase inicial de la carrera de admision, a cero al final de la carrera de admision. Los volumenes de camaras de compresion V131 y V132 son complementarios en sentido de que V131 + V1 32 VAdmision.
De manera similar, dependiendo de la posicion del piston de expansion 122, el volumen de las camaras de expansion V171 y V172 vana del Vescape, durante la fase inicial de la carrera de escape, a cero. Los volumenes de camaras de expansion V171 y V172 son complementarios en sentido de que V171 + V172 = VAdmision.
Cabe senalar que la relacion de VEscape a VAdmision, ajustable por forma y/o grosor del piston 121 del compresor, y el piston 122 del expansor, se podna seleccionar de manera tal que la presion de productos de combustion expandidos en el final de la carrera de expansion este cerca de la atmosferica.
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Funcionamiento
Se empieza la descripcion del funcionamiento del motor en la posicion en la que el piston 122 del expansor, se mueve en sentido horario (figura 25 d) impulsado por presion de los productos de combustion, expandiendose a la camara de expansion 171 desde la camara de combustion 133. La valvula de trasferencia de productos de combustion 151 tiene el canal 152 alineado con la camara de combustion 133 (figura 25 b)), que permite los productos de combustion adentro de la camara de expansion 171 (figura 25 d)).
Al mismo tiempo, el piston 122 del expansor, empuja los gases ya expandidos afuera de la camara 172, a traves de un canal en la valvula de escape 157, que se sincroniza con la valvula de trasferencia de productos de combustion 151.
El piston 121 del compresor, (figura 25 a) y b)), se mueve en la misma direccion, sentido horario, porque esta acoplado mecanicamente con el piston 122 del expansor. Al hacerlo, comprime el aire ubicado en la camara de compresion 132, e induce aire ambiente adentro de la camara de compresion 131. Aire comprimido dentro de camara de compresion 132, entra a traves de la valvula de aire de una via 136, (figura 24) a la camara de combustion 134.
Asf cuatro camaras de motor estan experimentando cuatro carreras diferentes:
Camara de compresion 131 - carrera de admision;
Camara de compresion 132 - carrera de compresion;
Camara de expansor 171 - carrera de expansion;
Camara de expansor 172 - carrera de escape.
Estas carreras se completaran cuando ambos pistones lleguen simultaneamente a sus puntos extremos en posicion en sentido horario total. El grado de rotacion angular de los pistones es controlado por el PCM - para impedir que los pistones colisionen con las paredes del compresor y el expansor.
En esta posicion (figura 26), la valvula de trasferencia de productos de combustion 151, todavfa esta ubicada sobre la camara de combustion 133. La camara de combustion 134 es cerrada por la valvula de trasferencia de productos de combustion, 151, cuerpo, mientras el canal 153, esta en la posicion sobre el inyector de agua, 137, e inyector de combustible (no se muestra, por claridad). Como el canal 153, esta a presion atmosferica, como se entendera mas adelante, el agua junto con combustible gaseoso rellenan el canal 152. Ambos agua y combustible gaseoso podnan estar a poca presion. Opcionalmente, el canal 153, justo como el canal 152, se podna hacer de forma mas compleja, en 2 camaras, de modo que combustible gaseoso y agua no tengan que mezclarse juntos.
Como se ha indicado anteriormente, ambos, piston 121 del compresor y piston 122 del expansor, se volveran estacionarios al final de su carrera. En este momento:
- La camara de combustion 134, contiene aire presurizado caliente. Como unicamente se comprime aire fresco, en lugar de la mezcla de aire/combustible, se puede comprimir a alta relacion de compresion de 15 a 30 o superior, lo que lleva la temperatura de aire significativamente por encima del punto de autoencendido.
- La camara de combustion 133, junto con la camara de expansor 171, contiene ahora gases completamente expandidos, dado que ambas estan conectadas a traves del canal 152. La expansion se realiza a ~ presion atmosferica.
- La camara de compresion 131 se rellena ahora con aire fresco.
- La camara de compresion 132 esta ahora con volumen cero, justo como la camara de expansor 172.
Mientras el piston 121 del compresor, y el piston 122 del expansor, estan estacionarios en esta posicion derecha extrema (figura 26), las valvulas 151 y 157, impulsadas por el vastago, 155, rotan en sentido antihorario hasta que el canal 153 coincide con la abertura de camara de combustion 134, como se muestra en la figura 26 a).
En el transcurso de la rotacion, la valvula de trasferencia de productos de combustion 151, vuelve en sentido antihorario y expone el combustible contenido en el canal 153, a los gases presurizados calientes dentro de la camara de combustion 134. Comienza la combustion espontanea y continua todo lo que tarde en completarse el proceso de combustion de combustible. En este momento:
- La camara de combustion 134, contiene productos de combustion muy calientes, a presion muy alta. A pesar del hecho de que el canal 153 se alinea con la abertura de la camara de combustion 134, no pueden escapar gases de la camara de combustion 134, dado que el agua contenida dentro del canal 153, y el piston 122 del expansor, estan bloqueando la salida.
- Como anteriormente, la camara de combustion 133, junto con la camara de expansor 171, contiene gases
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completamente expandidos. Ahora, sin embargo, no estan conectados entre sf, dado que el canal 152 no esta alineado con la camara de combustion 133. La camara de expansor 171 se conecta con aire ambiente a traves del orificio en la valvula de escape 157.
- Como anteriormente, la camara de compresion 131 esta rellena con aire fresco.
- Como anteriormente, la camara de compresion 132 y la camara de expansor 172 estan con volumen cero.
Despues de completarse la combustion, que podna durar hasta 10-20 grados o mas de la rotacion de vastago de PCM, tanto piston 121 del compresor como piston 122 del expansor empiezan la rotacion en sentido antihorario hasta que llegan a sus posiciones izquierdas extremas, momento en el que se pausan, hasta que la valvulas 151 y 157 son rotadas en sentido horario y se repite la secuencia entera. Como en otros disenos tratados hasta ahora, combustion, y por lo tanto expansion, ocurre en cada giro del vastago oscilante 120.
Implementaciones del HCCE descrito anteriormente dan como resultado los siguientes beneficios:
- Comprimir aire, en lugar de mezcla de aire/combustible, permite una relacion de compresion muy alta (15 a 30+). Se introduce combustible por separado en la camara de combustion.
- Opcionalmente inyectar agua en una camara de compresion (131 o 132) durante la carrera de compresion reduce el trabajo necesario para comprimir el aire y acerca el proceso a compresion isotermica.
- Una camara separada de combustion de volumen constante permite una combustion isocorica. Si se anade agua a la camara de combustion antes de que se complete la combustion, entonces, la combustion ocurrira en condicion de volumen reducido (debido al agua en evaporacion), que es incluso mas eficiente que la combustion isocorica. Esta agua tambien reduce la temperatura de los gases en la camara de combustion, lo que reduce los niveles de emision de NOx, y permite usar materiales de menor grado para la construccion del motor.
- Hay presion adicional durante la expansion, debido al vapor de agua formado durante los procesos de combustion y expansion.
- La presion de escape es baja porque el volumen de expansion es mas grande, de 2 a 5 veces el volumen de admision, lo que se consigue facilmente porque el expansor esta separado del compresor.
- El sistema de recuperacion de energfa se puede implementar como se describe en la presente memoria
Modificaciones
El motor descrito anteriormente, tambien puede tener numerosas implementaciones. Por ejemplo, es posible hacer que las valvulas roten de una manera continua en lugar de oscilatoria.
Tambien, de particular interes puede ser el diseno mostrado en la figura 27. En este diseno, el piston 121 del compresor, y el piston 122 del expansor, se ubican en un disco oscilante en lugar de en un vastago oscilante, como en disenos anteriores. Los detalles de valvulas y camaras de combustion no se muestran con detalles significativos en este ejemplo, ya que podnan adoptar diversas formas: camara(s) de combustion y o valvulas(s) estacionarias u oscilantes o continuamente rotatorias; camaras de combustion y valvulas podnan ser una, dos o mas piezas separadas, etc. Tambien podnan moverse en la direccion perpendicular al plano del piston en un movimiento en vaiven o incluso en movimientos en vaiven y rotatorio simultaneamente. Lo mismo es cierto para todos los otros disenos que se tratan en esta patente. El gran diametro interno permite la colocacion del PCM dentro de este volumen central.
Diseno de piston de anchura constante
Una implementacion preferida del motor HCCE se muestra en las figuras 28 a 33. Se basa en un triangulo de Reuleaux (modificado) en forma de piston, similar al que se usa en un motor Wankel (rotatorio), por lo que tiene cierta similitud con el, pero se construye sobre los objetivos de diseno esbozados en la seccion “Estructura General de un Motor HCCE” anterior y, por lo tanto, funciona en un ciclo termodinamico diferente y principio mecanico diferente.
Haciendo referencia a las figuras 28 y 29, en un ejemplo, el PGM 100 del motor incluye:
- Cuerpo de compresor 130, que aloja camaras de combustion 133 y 134, piston 121 del compresor, y vastagos de impulsion 127, y 128. Tiene, opcionalmente, lumbreras de admision de aire 141 y 142 (o valvulas de aire/escape), y tambien puede contener canales especiales que podnan entregar combustible gaseoso o lfquido and/o agua lfquida directamente a las camaras de combustion, cuando una camara de este tipo se orienta con dichos canales. La cavidad dentro del cuerpo de compresor 130, que aloja el piston 121 del compresor, es definida por la interseccion de dos arcos con centro en el vastago de impulsion superior 127 y el vastago de impulsion inferior, 128. El radio del arco es igual al radio grande del piston 121 del compresor, (vease mas adelante) mas, opcionalmente, holgura muy pequena. Los arcos se filetean con un radio igual al radio pequeno del piston (vease mas adelante) mas, opcionalmente, holgura muy pequena. El cuerpo de
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compresor 130, contiene aberturas que conectan la cavidad, que aloja el piston del compresor con orificios cilmdricos, que alojan camaras de combustion (133 y 134).
- El cuerpo de expansor 170, que aloja camaras de combustion 133 y 134, piston 122 del expansor, y vastagos de impulsion 127, y 128. Tiene, opcionalmente, lumbreras de escape 143 y 144 (o valvulas de aire/escape), y tambien puede contener canales especiales que podnan entregar combustible gaseoso o lfquido and/o agua lfquida directamente a las camaras de combustion, cuando una camara de este tipo se orienta con dichos canales. La cavidad dentro del cuerpo de expansor 170, que aloja el piston 122 del expansor, es definida por la interseccion de dos arcos con centro en el vastago de impulsion superior 127 y el vastago de impulsion inferior, 128. El radio del arco es igual al radio grande del piston 122 del expansor, (vease mas adelante) mas, opcionalmente, holgura muy pequena. Los arcos se filetean con un radio igual al radio pequeno del piston (vease mas adelante) mas, opcionalmente, holgura muy pequena. Cuerpo de expansor 170, contiene aberturas que conectan la cavidad, que aloja el piston del expansor con orificios cilmdricos, que alojan camaras de combustion (133 y 134).
- Separador 140. Cabe senalar que cuerpo de compresor 130, cuerpo de expansor 170 y separador 140, se podnan fabricar como un unico cuerpo.
- Cubierta de compresor 110, que puede alojar todo o parte del PCM (no se muestra);
- Cubierta de expansor 180, que puede alojar todo o parte del PCM (no se muestra);
- Dos camaras de compresion, 131 y 132, formadas por espacio entre cuerpo de compresor, 130, piston 121 del compresor, separador, 140, y cubierta de compresor, 110;
- Dos camaras de expansor 171 y 172, formadas por espacio entre cuerpo de expansor 170, piston 122 del expansor, separador, 140, y cubierta de expansor, 180;
- Un piston de compresor 121 - un cuerpo solido, o, opcionalmente, un cuerpo solido rodeado en conjunto o en parte por un lfquido; dicho piston de compresor 121 se mueve dentro del cuerpo de compresor 130, y separa la cavidad de aire en camara de compresion 131 y camara de compresion 132. Las superficies exterior y preferiblemente interior de este piston se derivan de la siguiente manera: empezando con un triangulo equilatero, se dibujan tres drculos del mismo diametro (relativamente pequeno), donde cada cfrculo esta centrado en cada esquina. Se dibujan tres arcos mas grandes centrados en cada esquina de modo que los arcos mas grandes sean tangenciales a cualquier pareja dada de los drculos pequenos. Las curvas exteriores de la forma resultante consisten en 6 arcos, y tienen la forma de nuestro piston. La forma resultante es similar a un triangulo de Reuleaux, como se usa en el motor Wankel, pero con apices redondeados. El piston construido de esta manera tiene anchura constante, definido como cuerda dibujada entre arcos opuestos grande y pequeno y que pasa a traves del centro de estos arcos. La superficie curvada interna de un piston puede tener tres segmentos de engranaje. No estan conectados entre sf, y en el trascurso de la rotacion de piston alrededor de os vastagos de impulsion, unicamente un segmento se acopla totalmente con un engranaje de uno de los vastagos de impulsion. Unicamente al final del desplazamiento de piston del compresor ambos vastagos de impulsion se acoplan parcialmente con dos segmentos de engranaje. El movimiento de este piston dentro de la camara de combustion se puede describir como rotaciones consecutivas alrededor de dos ejes definidos por los vastagos de impulsion. Las maneras alternativas (sin generar segmentos) pueden incluir surcos y levas o ser similares a los medios impulsores del motor Wankel.
- El piston de expansor 122 se construye de una manera similar al piston de compresor descrito anteriormente, excepto que se ubica dentro del cuerpo de expansion 170.
- Los vastagos de impulsion superior e inferior 127 y 128, se acoplan a segmentos de engranaje tanto de piston 121 del compresor como de piston 122 del expansor. En el caso mas simple, cuando ambos pistones se mueven en fase, los engranajes de pinon de los vastagos de impulsion son sincronicos, entre sf, es decir, se acoplan mecanicamente. Si los pistones se mueven fuera de fase, como se explicara mas adelante, los engranajes que funcionan en el lado de compresor del motor podnan ser impulsados por separado de los engranajes que funcionan en el lado de expansor.
- Las lumbreras de admision de aire 141 son solo ventanas dentro del cuerpo de compresor 130 y/o dentro de la cubierta de compresor 110.
- Las lumbreras de escape 143 y 144 son solo ventanas dentro del cuerpo de expansor 170 y/o dentro de la cubierta de expansor 180. Opcionalmente, se podnan conectar con el ERS.
- Lfquido (agua) puede llenar parcial o completamente el espacio interior de piston 121 del compresor y/o del piston 122 del expansor.
Dependiendo de la posicion del piston de compresion 121, el volumen de las camaras de compresion V131 y Vivaria desde el VAdmision, durante la fase inicial de la carrera de admision, a cero al final de la carrera de admision. Los
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volumenes de las camaras de compresion V131 y V132 son complementarios, es decir, V131 + V1 32 VAdmision.
De manera similar, dependiendo de la posicion del piston de expansion 122, el volumen de las camaras de expansion V171 y V172 vana del VEscape, durante la fase inicial de la carrera de escape, a cero. Los volumenes de las camaras de expansion V171 y V172 son complementarios, es decir, V171+ Vi 72 V Escape.
Cabe senalar que, como el piston no tiene que ser cilmdrico, la relacion de VEscape a VAdmision, ajustable por tamano, forma y grosor del piston 121 del compresor, y el piston 122 del expansor, se podna seleccionar de tal manera que la presion de productos de combustion expandidos en el final de la carrera de expansion este cerca de la atmosferica.
Funcionamiento
A pesar de un diseno con aspecto diferente, este motor funciona de una manera similar a los motores descritos previamente. Los detalles del funcionamiento son de la siguiente manera.
Se empieza la descripcion de este funcionamiento del motor mirando al lado del expansor (figura 29 b)) en la posicion donde el piston 122 del expansor, se esta moviendo en sentido horario. El piston de expansion es impulsado por presion ejercida por productos de combustion. Estos productos se expanden a la camara de expansion 172 desde la camara de combustion 134, a traves del canal que conecta la camara de expansion con las camaras de combustion.
Al mismo tiempo, el piston 122 del expansor empuja los gases ya expandidos afuera de la camara 171, a traves de la lumbrera de escape, 144.
En el caso mas simple, ambos pistones se mueven en fase (sus superficies curvadas son concentricas). Por lo tanto el piston 121 del compresor, (figura 29 a)), se mueve en la misma direccion que el piston del expansor (sin embargo, como estamos mirando ahora al lado de compresor, la rotacion del piston es en sentido antihorario). Al hacerlo, comprime el aire ubicado en la camara de compresion 131, e introduce aire adentro de la camara de compresion 132.
En casos mas complejos, los pistones se podnan mover fuera de fase o incluso en sentidos opuestos, si son impulsados por cuatro vastagos acoplados. Este planteamiento da mas flexibilidad para disenar la forma de la camara de combustion asf como la temporizacion de cuando ocurre compresion con respecto a cuando ocurre expansion. Por ejemplo, es ventajoso empezar la expansion mas cerca del final de la carrera de compresion, cuando mas par se requiere y esta disponible. Esto mitigara los requisitos de volante de inercia, o incluso eliminarlos todos.
Volviendo al funcionamiento en fase de los pistones, las cuatro camaras de motor estan experimentando cuatro carreras diferentes:
Camara de compresion 131 - carrera de compresion;
Camara de compresion 132 - carrera de admision;
Camara de expansor 171 - carrera de escape;
Camara de expansor 172 - carrera de expansion.
Estas carreras se completaran cuando ambos pistones lleguen simultaneamente a sus puntos extremos de la carrera. El grado de rotacion angular de los pistones, en este caso, es controlado por el vastago de impulsion y segmentos de engranaje en los pistones en lugar de por el PCM, como en otros disenos. En esta posicion tanto vastago de impulsion superior, 127 como vastago de impulsion inferior, 128, deben parar momentaneamente.
A diferencia de nuestros otros disenos, las camaras de combustion, 133, y 134 experimentan rotacion continua, preferiblemente a velocidad constante. Al final de la carrera, la camara de combustion en la que se estaba comprimiendo aire se debe rotar a la posicion de “cierre”, es decir, la cavidad de camara de combustion se desconecta del espacio de compresion. En caso de diseno en fase es preferible tener al menos dos cavidades dentro de cada camara de combustion, para que cuando la cavidad en la que se esta comprimiendo aire es rotada a la posicion de “cierre”, la segunda cavidad es rotada a la posicion de“apertura” para el piston 122 del expansor, exponiendo el ultimo a productos de combustion a alta presion. En este escenario, el piston no tiene que estar estacionario ningun tiempo - simplemente tiene que intercambiar el eje de rotacion y mantearse rotando en el mismo sentido direccional.
Unicamente sera necesaria una cavidad si se usa diseno fuera de fase, ya que hay abundante tiempo para que la cavidad llegue a la camara de expansion, mientras el piston 122 del expansor, llega a la posicion de final de la carrera para esta cavidad.
Mientras las camaras de combustion, 133 y 134, rotan, pasan a traves de la cavidad de combustible (no se muestra) dentro del cuerpo de compresor, 130, que contiene combustible gaseoso a baja presion. Canales pequenos adicionales en las camaras de combustion, 133 y 134, actuan como conducto de gas para rellenar la cavidad de combustible. El cuerpo de camara de combustion sirve como valvula de cierre para el “gas principal”.
Se mezcla aire caliente, debido a la compresion, con el combustible gaseoso y como su temperatura es superior a la
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temperatura de autoencendido del combustible, ocurre una combustion espontanea. Opcionalmente, se podna insertar agua en la camara de combustion (antes, durante o despues de la combustion) rellenando el espacio de canal conector entre la camara de combustion y la camara de expansion con agua (no se muestra) lo que podna ayudar a reducir momentaneamente perdidas relacionadas con el tamano inicial pequeno de abertura entre camara de combustion y cuerpo de expansor, 170. Las perdidas - en forma de calor - se convertinan en vapor de agua adicional, y esta energfa sera recuperada durante el ciclo de expansion.
La rotacion de las camaras de combustion, 133 y 134, tarda lo suficiente como para que ocurra combustion completa. Tras la pausa momentanea, cada piston continua su rotacion alrededor del vastago de impulsion correspondiente: es decir, si el movimiento antes de la parada era alrededor del vastago de impulsion superior, 127, se continuara, pero esta vez alrededor del vastago de impulsion inferior, 128. Observese que la combustion, y por lo tanto la expansion, ocurren en cada “giro” de los pistones.
Implementaciones del HCCE descrito anteriormente dan como resultado los siguientes beneficios:
- Comprimir aire, en lugar de mezcla de aire/combustible, permite una relacion de compresion muy alta (15 a 30+). Se introduce combustible por separado en la camara de combustion.
- Opcionalmente inyectar agua en una camara de compresion (131 o 132) durante la carrera de compresion reduce el trabajo necesario para comprimir el aire y acerca el proceso a compresion isotermica.
- Una camara separada de combustion de volumen constante permite una combustion isocorica. Si se anade agua a la camara de combustion antes de que se complete la combustion, entonces, la combustion ocurrira en condicion de volumen reducido (debido al agua en evaporacion), que es incluso mas eficiente que la combustion isocorica. Esta agua tambien reduce la temperatura de los gases en la camara de combustion, lo que reduce los niveles de emision de NOx, y permite usar materiales de menor grado para la construccion del motor.
- Hay presion adicional durante la expansion, debido al vapor de agua formado durante los procesos de combustion y expansion.
- La presion de escape es baja porque el volumen de expansion es mas grande, de 2 a 5 veces el volumen de admision, lo que se consigue facilmente porque el expansor esta separado del compresor.
- El sistema de recuperacion de energfa se puede implementar como se ha descrito anteriormente.
Modificaciones
Ademas de cambios triviales en forma o hechura de diversos elementos, hay otras modificaciones que pueden tener interes practico. Hay numerosas maneras de impulsar pistones.
Tambien, de particular interes puede ser el diseno mostrado en la figura 32. Aqrn el cuerpo de compresor, 130, puede tener protuberancias 111, adentro de la camara de compresion, mostrada en la figura 32. Como alternativa, esta protuberancia se puede ubicar en la cubierta de compresor, 110. Esta protuberancia no interfiere con el piston 121 del compresor, durante el curso de su movimiento. Se podna usar para alojar diversos elemento(s) adicional(es), tales como, pero sin limitacion:
o Vastagos adicionales que pueden ir a traves de la protuberancia para proporcionar movimiento independiente al piston 121 del compresor y el piston 122 del expansor;
o Intercambiador de calor para retirar el calor del compresor. El agua que puede ser contenida en el espacio entre el piston 121 del compresor, y protuberancia, 111, fluina a traves de este tipo de intercambiador de calor impulsada por el movimiento del piston;
o Bomba de agua - de manera similar a la anterior, pero sin intercambiador de calor;
o Un compresor de freon, para sistema de acondicionamiento de aire. El freon llenana el espacio entre el piston
121 del compresor, y protuberancia, 111, y sena impulsado por el movimiento del piston. La protuberancia se puede hacer con valvulas flrndicas que garantizanan flujo en un sentido del freon; y
o Un compresor de aire - de manera similar al compresor de freon anterior, pero para compresion de aire. Se podna usar como compresor de aire autonomo o como turbocargador para compresion previa del aire si se desea relacion de compresion variable.
De manera similar, el cuerpo de expansor, 170, o la cubierta de expansor, 180, puede tener una protuberancia para las mismas o diferentes finalidades que la protuberancia para el cuerpo de compresor.
Otra modificacion esta relacionada con varias maneras con las que el mecanismo(s) de impulsion permite(n) que rotores/pistones perpetren el movimiento requerido. Se pueden emplear mecanismos de engrane no circular o
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combinaciones engranaje/leva conocidos en la industria [3] para ralentizar el rotor en el final de la carrera y para acelerarlo al comienzo de la siguiente carrera.
Un ejemplo diferente, que emplea levas unicamente se muestra en la figura 33. En este diseno, el rotor tiene tres seguidores de leva, que se montan sobre la superficie de una leva. Es posible implementar la impulsion positiva (es decir, la posicion de la leva define totalmente la posicion del rotor) con una unica, doble o triple leva. Para unica leva, los seguidores de leva se deben ubicar dentro del triangulo equilatero.
El rotor, como en el diseno anterior puede discurrir sobre un apoyo de grna o, como alternativa, puede discurrir sin ellos, en cuyo caso el alojamiento del motor servira como grna. Estos pueden ser otras muchas configuraciones, que utilizan disposiciones de leva y rodillo. Por ejemplo, la superficie interna del rotor se podna usar como leva, mientras los rodillos se montan sobre placa o brazo rotatorios.
Diseno de camara de anchura constante
Otro ejemplo de HCCE, se muestra en las figuras 36-40. Esta vez, el triangulo de Reuleaux modificado se usa como configuracion de cuerpo del motor, lado de compresion y lado de expansion. La figura 38 demuestra la geometna del motor y el piston. El piston es de diseno de dos lobulos, donde dos arcos son iguales a arcos pequenos que forman el triangulo de Reuleaux modificado, mientras que arcos grandes son iguales a arcos grandes que forman el triangulo de Reuleaux modificado. La distancia entre centros de arco pequeno es igual al lado del triangulo equilatero en el que se construye el triangulo de Reuleaux modificado. El piston es impulsado por los rodillos ubicados en los ciguenales, 191. Ambos ciguenales que impulsan el piston 121 del compresor, y el piston 122 del expansor, se podnan acoplar mecanicamente, de modo que los pistones pueden mantener relacion constante entre sf. El piston rota consecutivamente alrededor de tres puntos que forman la base del triangulo de Reuleaux modificado.
Cabe senalar que el piston 122 del expansor, puede tener un tamano mas grande (triangulo de Reuleaux modificado mas grande) que el piston 121 del compresor. Esto significa que si se ubica la camara de combustion fija dentro de la esquina del separador, 140, y se equipa con valvulas de aire de una via, y si el piston 122 del expansor, estan fuera de fase 60 grados, dicho piston del expansor cerrana la salida de dicha camara de combustion y servina como la propia valvula. Si entonces se usan valvulas de aire de una via en la cubierta de compresor, 110, entonces se debe construir unicamente una valvula para escape.
La figura 39 muestra una modificacion de este diseno, en el que hay tres valvulas de aire/escape. Observese que en esta figura no se muestran lumbreras de admision de aire o de escape. Cabe senalar que el volumen de admision a volumen total de motor es el mas alto entre las configuraciones tratadas hasta ahora y como el motor en esta configuracion “disparara” tres veces por revolucion equivalente del vastago de salida, se espera que la densidad de potencia sea muy alta.
Finalmente, con respecto a esta modificacion, se debe indicar que son posibles muchas combinaciones diferentes de la configuracion de piston de anchura constante con configuracion de camara de anchura constante y pueden producir propiedades utiles.
Diseno de pistones en tijera
Finalmente, se describira una realizacion que permite al HCCE ejecutar el ciclo requerido con configuracion conocida en la industria como “tijera” o “gato y raton”.
La idea basica detras de este planteamiento se muestra esquematicamente en la figura 41. En esta configuracion hay dos parejas de pistones; cada pareja consiste en un piston de compresor y un piston de expansor, que se acoplan mecanicamente de modo que la pareja rota como un objeto. Tambien hay una placa separadora entre lado de compresor y lado de expansor; esta placa contiene una cavidad de camara de combustion. Tres mecanismos de impulsion independientes impulsan dos parejas de pistones y la placa separadora (no se muestra por claridad). El alojamiento contiene lumbreras fijas de admision y de escape y lumbrera de combustible (ninguna de ellas se muestran por claridad). El compresor comprime el aire delante del piston en movimiento mientras simultaneamente se induce al aire a traves de lumbrera de admision para disparo posterior del piston. Se comprime aire en una camara de compresion, que se forma por la cavidad de placa separadora y uno de los pistones de expansor y dos pistones de compresor. (Vease la figura 42, que describe la secuencia de las posiciones de piston). El combustible se inyecta o introduce entonces en el y comienza la combustion y procede hasta terminar. Mientras tanto la placa separadora se desplaza hacia delante y se ubica ahora entre un piston de compresor y dos pistones de expansores. Cuando se completa la combustion a volumen constante, comienza el ciclo de expansion.
Es posible construir el HCCE para que ejecute el ciclo requerido sin necesidad de una camara de combustion rotatoria autonoma con un diseno “unico nivel” (no se muestra) en el que una pareja de pistones se mueve en configuracion en “tijera”. La separacion minima entre los pistones o la cavidad dentro de uno o ambos pistones forma una camara de combustion de volumen constante. El volumen de expansion podna ser el mismo o, preferiblemente mas grande que el volumen de admision, asf se implementan todos los elementos del ciclo. Como apreciaran los expertos, el mecanismo de impulsion para estas dos variaciones se podna construir usando engranajes planetarios no circulares
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o engranajes planetarios circulares y levas conocidos en la tecnica.
Algunas otras modificaciones aplicables a muchas configuraciones de diseno, u otras aplicaciones de geometnas de diseno tratadas anteriormente son:
- El sistema se podna construir apilando varios motores juntos (“configuracion multi-cilindro”) anadiendo compresores/expansores adicionales con pistones correspondientes. Los “cilindros” de este tipo de sistema se podna conectar por medio de embrague electromagnetico o mecanico y se podna encender/apagar si se requiere mas/menos potencia;
- Compresores o bombas se podnan construir sobre la base de mecanismos tratados anteriormente. Se podnan usar en aplicaciones autonomas o podnan ser impulsados por el motor en cuestion. Una configuracion particularmente util de compresor de refrigerante se podna construir usando el mismo planteamiento que el usado en diseno de piston de anchura constante utilizando ambos compresor y expansor: el compresor comprimina un refrigerante gaseoso y despues el refrigerante es enfriado por un intercambiador de calor externo, sena expandido y enfriado en el expansor - devolviendo una parte significativa de la energfa gastada en comprimir nuevamente al sistema. Un sistema de este tipo puede ser particularmente aplicable para dioxido de carbono ya que se puede extraer un monton de energfa durante la expansion de este refrigerante.
- El cuerpo de compresor 130 y el cuerpo de expansor 170, se podnan hacer de una pieza solida, o como alternativa de, digamos, insertos ceramicos de poca friccion, alojados por un bastidor de aluminio, pistones del compresor y del expansor, teoricamente, incluso no tocar nunca el cuerpo de compresor 130 o cuerpo de expansor 170, para que no haya preocupaciones por agrietamiento de la ceramica con el impacto.
- El diseno de los motores descritos anteriormente (es decir, compresor ^ camara de combustion ^ expansor) puede ser adecuado para motores convencionales tipo rotatorio, ya que ayuda a resolver el problema con el sellado del apice en un piston triangular empleado en tales motores y puede aumentar la densidad de potencia de tales motores.
- Para el diseno de motor se podnan usar otras configuraciones de anchura constante o anchura casi constante, tales como piston de (n+1) engranajes internos en estrella como forma para cuerpos de compresor y cuerpo de expansor (Gerotor).
- Como el piston 121 del compresor y el piston 122 del expansor podnan funcionar fuera de fase, es posible que el piston 121 del compresor funcione al doble o el triple de la velocidad del piston 122 del expansor. Si la camara de combustion esta equipada con valvulas de aire de una via 135 y 136, y el volumen del espacio de camara de combustion es controlable, anadiendo mas o menos agua en el o mediante algunos otros medios, o si se usa almacenamiento intermedio pequeno de aire, es posible controlar eficazmente la salida de potencia (dejando parte de la eficiencia ya que no se satisfara la condicion # 5, seccion “HCCE Mejoras”), doblando o triplicando el volumen de admision.
- El diseno se puede invertir: El cuerpo se convierte en triangulo de Reuleaux modificado (que ahora se le llama piston) y el piston se convierte en lo que se llama cuerpo. Esto se muestra esquematicamente en la figura 34. Vale la pena senalar que el efecto neto del movimiento del piston alrededor del cuerpo estacionario es como si el piston rodara alrededor de tres rodillos (#1, #2, y #3). En este caso el cuerpo ejecuta tres rotaciones consecutivas alrededor de tres puntos de centro diferentes, ubicados en el centro del triangulo de Reuleaux, como se indica en la figura 34 b).
- Cuando esten disponibles superimanes de alta temperatura, que estan en desarrollo en muchas empresas, el cuerpo de los pistones podra llevar los superimanes incrustados, vease la figura 40. Estos superimanes se podnan acoplar directamente a una maquina generadora electrica, que necesitara tener devanado que corresponda a la geometna de los pistones y/o del cuerpo del motor. Si se implementa esto, no habra necesidad de PCM para aplicaciones que generen electricidad en lugar de movimiento mecanico. Esto podna probar ser especialmente util para micromotores, que se podnan usar como fuente de alimentacion para ordenadores portatiles, telefonos moviles, etc. Este acoplamiento magnetico tambien se podna aplicar a todas las modificaciones de HCCE, descritas en esta memoria.
- Los motores de ciclo Briton podnan usar la geometna de la configuracion de piston de anchura constante o la configuracion de camara de anchura constante, o ambas. En este caso la camara de combustion esta completamente separada de compresor y expansor e intercambiador de calor que precaliente el aire comprimido antes de que entre a la camara de combustion, junto con ERS podna mejorar aun mas la eficiencia.
- Los motores Wankel estandar podnan usar la configuracion de piston de anchura constante para resolver el problema de sellado y eficiencia debido a una combustion incompleta.
- Finalmente, se puede usar geometna de triangulo de Reuleaux modificado en dispositivos distintos a motores,
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bombas y compresores. Por ejemplo, una “rueda triangular” que rota alrededor de dos centros se muestra en la figura 35. Esta claro que si se permite a engranajes verticales, conectados al bastidor del vefnculo, moverse con dos velocidades diferentes, la rueda se movera sobre la superficie horizontal con velocidad constante. La ventaja de esta rueda es que es equivalente en prestaciones a una rueda de casi del doble de su tamano. Al mismo tiempo sobre terrenos desiguales este tipo de rueda tendra capacidades avanzadas en “todos terrenos”.
Cuestiones adicionales
A fin de permitir una implementacion exitosa del HCCE - es util abordar varias cuestiones tecnicas relativas a la dinamica de combustion y el sellado de los pistones y las camaras de combustion. Estas cuestiones pueden surgir y ser abordadas para diferentes realizaciones de los motores tratados anteriormente.
Dinamica de combustion
La introduccion de combustible, cuando aire comprimido caliente “se encuentra” a combustible estacionario puede presentar un desaffo desde el punto de vista de la dinamica de combustion: la mezcla de aire y combustible, ubicada en la pared del alojamiento, podna necesitar tiempo adicional. Como la camara de combustion puede rotar a alta velocidad a altas cargas, podna no haber suficiente tiempo para que el aire y el combustible se mezclen apropiadamente. Tambien puede ocurrir un problema similar para inyeccion de combustible. Para remediar esta situacion es posible premezclar aire y combustible antes de la compresion en la proporcion, que estara por debajo del lfmite inferior de inflamabilidad del combustible en aire. Los lfmites de inflamabilidad son diferentes para combustibles diferentes, pero para gas natural (metano) los lfmites de inflamabilidad en el aire son tfpicamente un 5-14% en volumen. Esto significa que se podna premezclar y comprimir la mezcla de aire y combustible que contiene menos del 5 % (tambien es funcion de la presion) en volumen sin posibilidad de que se autoencienda. Se puede inyectar o introducir combustible adicional, por encima del lfmite inferior de inflamabilidad por medio de medios descritos en otra parte en esta solicitud de patente asf como la solicitud internacional numero de publicacion WO 03/074840.
Sellado de Pistones/Rotores- sellado por diodo flu^dico (FDS)
Otra cuestion que se tiene que abordar es el sellado de piezas oscilantes, rotatorias o con rotacion-y-vaiven, incluidos los pistones y las camaras de combustion. Potencialmente se podna usar un sellado de tipo ceramico usado en motores Wankel para aplicacion en HCCE. A diferencia del Wankel, debido a la geometna del motor HCCE, los sellados no tienen necesariamente que ser ubicados dentro de los apices de los rotores, sino que se podnan ubicar en posicion estacionaria cerca de las lumbreras de admision/escape.
Ademas de esto, como el rotor del HCCE, basado en geometna Reuleaux modificada, realmente nunca tiene que tocar el alojamiento, una holgura muy pequena - del orden de 0,0254 mm (0,001”) - se puede permitir entre el rotor y el alojamiento. La fuga asociada con esta holgura sera pequena, especialmente a altas RpM de motor. En este planteamiento puede no ser necesario en absoluto un sellado.
Finalmente, incluso esta pequena fuga se puede reducir significativamente aplicando un concepto de diodo flmdico para fines de sellar. Para esta finalidad se puede usar diodo Tesla o cualquier otra configuracion adecuada de diodo flmdico. Los diodos flmdicos como se usan actualmente en la practica son canales estacionarios de forma especial que crean una cafda de presion significativa para el fluido que fluye en una direccion, mientras que tiene cafda de presion muy pequena cuando el fluido fluye en sentido opuesto. La relacion de cafda de presion cuando el fluido fluye en una direccion a una cafda de presion cuando el fluido fluye en sentido opuesto, llamada “diodicidad” del diodo flmdico, puede llegar al nivel de 5 a 10.
Como se muestra en las figuras 43 a) y b), diodos flmdicos de la tecnica anterior se forman haciendo un canal hecho de una superficie de pared lisa, mientras otra pared tiene una forma o una caractenstica que crea area local de alta presion, pero unicamente cuando el fluido fluye en una direccion. La figura 43 a) manifiesta condiciones cuando la resistencia a seguir es minima mientras en la figura 43b) la resistencia es grande debido a la dinamica local del flujo.
Ahora se aplicara el concepto de diodo flmdico para reducir la fuga entre dos cuerpos que tienen un canal formado por la pequena holgura entre ellos. Si dos cuerpos estan en movimiento colineal relativamente entre sf, como se muestra en la figura 43 c - e) y uno o ambos de estos cuerpos tienen caractensticas que crean localmente alta presion para flujo que se mueve en una direccion (flujo de fuga), este tipo de caractenstica actuara como sellado dinamico con potencial para disminuir la fuga 5 a 10 veces.
Ademas el concepto de sellado por diodo flmdico (FDS) se puede mejorar incluso aun mas si canales de los diodos flmdicos se rellenan con lfquido que fluye a traves del diodo flmdico en la direccion aproximadamente perpendicular al movimiento relativo de dos cuerpos que se estan sellando. En la figura 44 se muestran dos ejemplos de juntas de sellado de diodo flmdico, que, opcionalmente, se podnan rellenar con lfquido. La eleccion de lfquido debe ser dictada por el sistema en el que se usa el sello. Por ejemplo en motores descritos en esta solicitud, la eleccion natural sena usar agua como lfquido de sellado. Otro ejemplo sena usar fluido refrigerante en la aplicacion en la que se usa triangulo de Reuleaux en forma de piston como compresor de refrigerante; el FDS se puede aplicar a ambas superficies
curvadas y plana de este tipo de rotor. Todavfa otro ejemplo sena usar aceite del motor para implementar un FDS como sustitucion de anillos de sellado actualmente usados en todos los pistones en los ICE - un sellado de este tipo no unicamente funcionana como sellado de gas sino tambien lubricana los cilindros, reduciendo la friccion entre cilindro y piston, y mejorando el enfriamiento del piston y cilindro.
5 La figura 45 demuestra diversos ejemplos de FDS que se podnan usar para sellar gases en la camara de combustion rotatoria para los motores descritos en esta solicitud.
La invencion se puede plasmar en otras formas espedficas. Las realizaciones anteriores por lo tanto se han de considerar en todos aspectos ilustrativas en lugar de limitativas de la invencion descrita en esta memoria. El alcance de la invencion se indica asf por las reivindicaciones anexas en lugar de por lo anterior.
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Claims (22)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para hacer funcionar un motor de combustion interna que comprende un piston de compresor acoplado mecanicamente a un piston de expansor y una placa separadora entre el piston de compresor y el piston de expansor que contiene una cavidad de camara de combustion, el metodo comprende:
    (a) introducir un medio de trabajo en una camara de compresion (131) que define un primer valor de volumen;
    (b) reducir de manera controlada el volumen del medio de trabajo por medio del piston de compresor (121) que es al menos uno de un piston rotatorio y un piston que oscila rotatoriamente a fin de comprimir el medio de trabajo a un segundo valor de volumen, el piston de compresor dispuesto en un alojamiento, el alojamiento incluye la cavidad de camara de combustion, y el piston configurado para cubrir una parte de la cavidad de camara de combustion durante una fase de combustion a fin de formar una camara de combustion de volumen constante (133);
    (c) introducir un combustible en la cavidad de camara de combustion de modo que el combustible se combina con el medio de trabajo comprimido obteniendo de ese modo una mezcla que define un tercer valor de volumen y provocando de ese modo combustion espontanea de la mezcla en la camara de combustion de volumen constante durante la fase de combustion para producir un volumen de subproductos de combustion; y
    (d) tras la etapa (c) aumentar el volumen de los subproductos de combustion a un cuarto valor de volumen en una fase de expansion, el cuarto valor de volumen supera el primer valor de volumen.
  2. 2. El metodo de la reivindicacion 1 en donde la etapa de aumentar el volumen de los subproductos de combustion comprende trasferir los subproductos de combustion a la camara de expansion (171) que define el cuarto valor de volumen.
  3. 3. El metodo de la reivindicacion 1 en donde el medio de trabajo se selecciona del grupo que consiste en aire y mezcla no combustible de aire y medio combustible.
  4. 4. El metodo de la reivindicacion 1 en donde la etapa (b) comprende ademas ajustar la temperatura del medio de trabajo de modo que el medio de trabajo se comprima de manera sustancialmente isotermica.
  5. 5. El metodo de la reivindicacion 4 en donde al menos una de la etapa (b) y la etapa (c) comprende anadir un medio fluido al medio de trabajo.
  6. 6. El metodo de la reivindicacion 5 en donde el medio fluido comprende agua.
  7. 7. El metodo de la reivindicacion 6, que comprende ademas, tras la etapa (c), reducir la temperatura de los subproductos de combustion mientras se aumenta el calor de combustion del medio combustible antes de la combinacion del mismo con el medio de trabajo comprimido.
  8. 8. El metodo de la reivindicacion 1 en donde el segundo valor de volumen es igual al tercer valor de volumen.
  9. 9. El metodo de la reivindicacion 8 en donde la etapa (b) comprende ademas trasferir el medio de trabajo a la camara de combustion (132) que define el tercer valor de volumen.
  10. 10. El metodo de la reivindicacion 9 en donde la etapa (d) comprende anadir un medio fluido al volumen de subproductos de combustion.
  11. 11. El metodo de la reivindicacion 10 en donde el medio fluido comprende agua y el medio de trabajo se selecciona del grupo que consiste en aire y una mezcla no combustible de aire y un medio combustible.
  12. 12. Un motor de combustion interna que comprende:
    (a) un primer alojamiento que define al menos parcialmente una camara de compresion (131) para reducir el volumen de un medio de trabajo introducido a la misma;
    (b) un piston de compresor (121) que es al menos uno de un piston rotatorio y piston que oscila rotatoriamente dispuesto al menos parcialmente dentro de la camara de compresion (131), el piston de compresor (121) adaptado para comprimir el medio de trabajo en una camara de combustion (133);
    (c) un segundo alojamiento dispuesto al menos parcialmente dentro del primer alojamiento, en donde una parte del segundo alojamiento y una parte del piston de compresor definen al menos una camara de combustion de volumen constante (133), la camara de combustion en comunicacion periodica con la camara de compresion (131) para recibir el medio de trabajo desde la misma;
    (d) unos medios para introducir un medio combustible en la camara de combustion (133);
    (e) un tercer alojamiento que define al menos parcialmente una camara de expansor (171) en comunicacion
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    periodica con la camara de combustion (133) para aumentar el volumen de subproductos generados durante la combustion del medio combustible mezclado con el medio de trabajo en la camara de combustion (133);
    (f) un piston de expansor (122) dispuesto al menos parcialmente dentro de la camara de expansor (171), el piston de expansor (122) reacciona contra los subproductos que entran desde la camara de expansor (171); y,
    (g) una placa separadora dispuesta entre el piston de compresor y el piston de expansor y que contiene una cavidad de camara de combustion, en donde el piston de compresor se configura para cubrir una parte de la cavidad de camara de combustion durante una fase de combustion a fin de formar la camara de combustion de volumen constante (133).
  13. 13. El motor de la reivindicacion 12 en donde el piston de compresor (121) define al menos dos subcamaras dentro de la camara de compresion (131), las subcamaras caracterizadas por un volumen variable.
  14. 14. El motor de la reivindicacion 12 en donde al menos uno del segundo alojamiento y el piston (121) comprende medios para sellar de manera controlada la camara de combustion (131).
  15. 15. El motor de la reivindicacion 12 que comprende ademas un primer mecanismo de impulsion acoplado mecanicamente al piston (121).
  16. 16. El motor de la reivindicacion 12, que comprende ademas unos medios (137) para introducir un medio fluido en al menos una de la camara de compresion (131), la camara de combustion (133) y la camara de expansor (171).
  17. 17. El motor de la reivindicacion 16, que comprende ademas un intercambiador de calor para recuperar el medio fluido de la camara de expansor (171) y para aumentar el calor de combustion del medio combustible antes de la introduccion del mismo a la camara de combustion (133).
  18. 18. El motor de la reivindicacion 12 en donde el piston de expansor (122) define al menos dos subcamaras dentro de la camara de expansor (171), las subcamaras caracterizadas por un volumen variable.
  19. 19. El motor de la reivindicacion 12 en donde el piston de expansor (122) se selecciona del grupo que consiste en un piston rotatorio y un piston que oscila rotatoriamente.
  20. 20. El motor de la reivindicacion 19, que comprende ademas un segundo mecanismo de impulsion acoplado mecanicamente al piston de expansor (122).
  21. 21. El motor de la reivindicacion 12 en donde la placa separadora es rotatoria en relacion a al menos uno del primer alojamiento y el tercer alojamiento.
  22. 22. El motor de la reivindicacion 12 en donde el primer alojamiento y el tercer alojamiento comprenden una estructura de alojamiento unitaria.
    imagen1
    Volumen
    Fig. 1
    imagen2
    Fig. 2
    Sistema de recuperacion de
    CO
    d
    imagen3
    ICE convencional
    ICE de piston liquido
    w
    w
    imagen4
    Trabajo util '61 %
    FIG. 4
    CH4+ H20(g)-HD0 + 3H 2
    imagen5
    309 kJ
    Productos de escape
    Recuperador termoqufmico
    FIG. 5
    Lumbrera de
    CO
    cn
    imagen6
    Lumbreras de
    PGM
    Lumbreras Lumbreras de
    Paleta oscilante #2
    Lumbrera de aire
    Cilindro #1
    imagen7
    imagen8
    Paleta oscilante #1
    V2 Cilindro #2
    Valvula de agua
    (en la parte posterior)
    FIG. 6
    CO
    a>
    imagen9
    153
    imagen10
    FIG. 7
    o rn
    ro ft 2 “ CO
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