ES2862183T3 - Motor de pistón libre - Google Patents

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ES2862183T3 ES16823945T ES16823945T ES2862183T3 ES 2862183 T3 ES2862183 T3 ES 2862183T3 ES 16823945 T ES16823945 T ES 16823945T ES 16823945 T ES16823945 T ES 16823945T ES 2862183 T3 ES2862183 T3 ES 2862183T3
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Shaul Yaakoby
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Aquarius Engines AM Ltd
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Abstract

Motor de combustión interna, que comprende: un bloque del motor (8); un cilindro (12), que define al menos una cámara de combustión en el bloque del motor (8); un pistón (50) en el cilindro (12), el pistón está configurado para desplazarse en un primer tiempo desde un extremo del cilindro (12) hasta un extremo opuesto del cilindro (12), y está dimensionado con relación al cilindro (12) para permitir una porción de la carrera de expansión del primer tiempo en la que el pistón se desplaza bajo presión de expansión de gas, y una porción de la carrera de impulso del primer tiempo durante el resto del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión; al menos una porción del vástago del pistón (42, 43) conectada al pistón y que se extiende desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área externa (45, 47) al cilindro (12), al menos una cavidad (53, 55) en la porción del vástago del pistón (42, 43), la al menos una cavidad forma un pasaje configurado para comunicar el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa al cilindro (12), en donde la al menos una cavidad (53, 55) está configurada de tal manera que cuando el pistón está en la porción de la carrera de impulso del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión del primer tiempo, la al menos una cavidad está configurada para comunicar continuamente el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa (45, 47) al cilindro (12), en donde la al menos una cámara de combustión incluye una primera cámara de combustión (49) definida entre un primer extremo del pistón y un primer extremo del cilindro (12), y una segunda cámara de combustión (51) definida entre un segundo extremo del pistón y un segundo extremo del cilindro (12), en donde el cilindro (12) está cerrado en cada extremo opuesto por una culata del cilindro (14, 15), en donde al menos una porción del vástago del pistón (42, 43) incluye una primera porción del vástago del pistón (42), que se extiende desde el primer extremo del pistón a través de la culata del cilindro (14) en el primer extremo del cilindro, y una segunda porción del vástago del pistón (43), que se extiende desde el segundo extremo del pistón a través de la culata del cilindro (15) en el segundo extremo del cilindro (12 ), en donde la culata del cilindro (14, 15) en cada extremo del cilindro (12) incluye un colector de admisión (26), en donde el pasaje en la primera porción del vástago del pistón está configurado para comunicar el flujo de gas entre la primera cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el primer extremo del cilindro, y el pasaje en la segunda porción del vástago del pistón está configurado para comunicar el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el segundo extremo del cilindro, y en donde sustancialmente toda la porción de la carrera de expansión del primer tiempo en el lado de la primera cámara de combustión del pistón coincide con el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el segundo extremo del cilindro (12).

Description

DESCRIPCIÓN
Motor de pistón libre
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de los motores de combustión interna, y más particularmente al campo de los motores de combustión interna que tienen un pistón libre.
Antecedentes
Los motores de combustión interna son conocidos. Los tipos más comunes de motores de pistón son los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos. Estos tipos de motores incluyen un número relativamente grande de piezas y requieren numerosos sistemas auxiliares, por ejemplo, sistemas de lubricación, sistemas de enfriamiento, sistemas de control de válvulas de admisión y escape, y similares, para su correcto funcionamiento.
La patente de los estados unidos núm. Us5816202 describe un motor de explosión de alta eficiencia con un pistón central de doble acción montado en un eje dentro de un cilindro para formar dos cámaras de combustión.
Resumen
Algunas modalidades incluyen un motor de combustión interna. El motor de combustión interna incluye un bloque del motor, un cilindro que define al menos una cámara de combustión en el bloque del motor y un pistón en el cilindro. El pistón, que puede ser un pistón de doble cara, está configurado para desplazarse en un primer tiempo desde un extremo del cilindro hasta un extremo opuesto del cilindro, y tiene un tamaño con respecto al cilindro para permitir una porción de la carrera de expansión del primer tiempo, en la que el pistón se desplaza bajo presión de expansión de gas, y una porción de la carrera de impulso del primer tiempo durante el resto del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión. Al menos una porción del vástago del pistón está conectada al pistón y se extiende desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área externa al cilindro. Se forma al menos una cavidad en la porción del vástago del pistón; la al menos una cavidad forma un pasaje configurado para comunicar el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa al cilindro. La al menos una cavidad está configurada de tal manera que cuando el pistón está en la porción de la carrera de impulso del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión del primer tiempo, la al menos una cavidad está configurada para comunicar continuamente el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa al cilindro.
En algunas modalidades, se puede configurar un pasaje o cavidad asociados con un vástago del pistón para comunicar el flujo de gas entre al menos una cámara de combustión y un área externa al cilindro.
La al menos una cavidad se puede configurar de tal manera que cuando el pistón está en la porción de la carrera de impulso del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión del primer tiempo, la al menos una cavidad está configurada para comunicar continuamente el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa al cilindro.
En algunas modalidades, sustancialmente toda la porción de la carrera de expansión de un primer tiempo en el lado de la primera cámara de combustión del pistón coincide con el flujo de gas entre una segunda cámara de combustión y el colector de admisión en el segundo extremo del cilindro.
En algunas modalidades, toda la porción de la carrera de impulso del primer tiempo en el lado de la primera cámara de combustión del pistón coincide con la compresión de gases en la segunda cámara de combustión.
En algunas modalidades, el pistón está configurado además para desplazarse en un segundo tiempo desde el segundo extremo del cilindro hasta el primer extremo del cilindro, y tiene un tamaño con respecto al cilindro para permitir una porción de la carrera de expansión del segundo tiempo en la que el pistón se desplaza bajo la presión de expansión del gas, y una porción de la carrera de impulso del segundo tiempo durante el resto del segundo tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión.
En algunas modalidades, el cilindro y el pistón de doble cara tienen un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón durante el primer tiempo es sustancialmente mayor que la distancia que recorre el pistón durante la porción de la carrera de expansión del primer tiempo.
En una pared lateral periférica del cilindro puede haber al menos un puerto, el al menos un puerto está configurado para comunicar el flujo de gas entre la primera cámara de combustión y el exterior del cilindro cuando el pistón está en el lado de la segunda cámara de combustión de el al menos un puerto, y para comunicar el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el exterior del cilindro cuando el pistón está en el lado de la primera cámara de combustión de el al menos un puerto.
Los pasajes en las porciones de vástago del pistón en lados opuestos del pistón se pueden configurar para evitar que se intercambien gases entre el cilindro y una ubicación fuera del cilindro a través de un ruta que atraviesa ambas caras del pistón de doble cara.
El pistón de doble cara puede tener una longitud axial desde una cara del pistón hasta una cara opuesta del pistón menor o igual a 1/2 de una distancia desde al menos una de la primera culata y la segunda culata hasta el puerto de escape.
En algunas modalidades, una longitud del pistón de doble cara, una longitud del cilindro, una ubicación del puerto de escape y una ubicación de una abertura de acceso al canal en cada una de la primera y la segunda porción del vástago del pistón están dispuestas de manera que cuando el pistón está en una etapa de combustión en la primera cámara de combustión, el pistón bloquea el puerto de escape para que no se comunique con la primera cámara de combustión y la abertura de acceso al canal en la primera porción del vástago del pistón está fuera de la primera cámara de combustión, mientras que simultáneamente el puerto de escape está en comunicación de fluidos con la segunda cámara de combustión, y la abertura de acceso del segundo canal está dentro de la segunda cámara de combustión.
Otros aspectos de la invención pueden implicar varias construcciones de aros del pistón. Por ejemplo, un aro del pistón continuo y sin espacios se puede configurar de manera que, al calentarse, el aro del pistón se deforme en una dirección axial del pistón.
En otros aspectos, el aro del pistón puede tener una forma que serpentea dentro de la ranura, de manera que la forma del aro del pistón difiera de la forma de la ranura y de manera que el aro del pistón no llene sustancialmente la ranura, y en donde el aro del pistón está construido de un material que cuando se somete a calor hace que cambie la forma serpenteante, lo que permite que el aro del pistón se expanda en una dirección axial del pistón, entre los bordes de la ranura. Los serpenteos pueden ser en forma de ola, y los picos de la ola se extienden alternativamente hacia los bordes opuestos de la ranura.
El aro del pistón puede estar construido de tal manera que cuando se somete a calor, el aro del pistón tienda a expandirse en una dirección axial del pistón en lugar de radialmente.
Lo anterior describe de manera general solo algunos aspectos ilustrativos de la invención. Se debe entender que tanto la descripción general anterior como la siguiente descripción detallada son solo ilustrativas y aclaratorias y no son limitantes de la invención, que se reivindica.
Breve descripción de las figuras
La figura 1 es una vista en perspectiva de un motor de pistón libre de acuerdo con la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 con el pistón en el punto muerto superior en un lado izquierdo del cilindro;
Las figura 3 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 con el pistón en una porción de la carrera de impulso, en una etapa inicial de compresión de gases en el lado derecho del motor;
La figura 4 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 a medida que la compresión continúa en un lado derecho del cilindro más allá de la compresión ilustrada en la figura 3;
La figura 5 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 en una etapa avanzada de compresión en el lado derecho del cilindro más allá de la compresión ilustrada en la figura 4;
La figura 6 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 en una etapa de compresión aún más avanzada en el lado derecho del cilindro más allá de la compresión ilustrada en la figura 5;
La figura 7 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 con el pistón en el punto muerto superior en un lado derecho del cilindro;
La figura 8 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 con el pistón en una parte de impulso del tiempo, en una etapa inicial de compresión de gases en el lado izquierdo del cilindro;
La figura 9 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 a medida que la compresión continúa en un lado izquierdo del cilindro más allá de la compresión ilustrada en la figura 8;
La figura 10 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 en una etapa avanzada de compresión en el lado izquierdo del cilindro más allá de la compresión ilustrada en la figura 9;
La figura 11 es una vista en sección transversal parcial del motor de la figura 1 en una etapa de compresión aún más avanzada en el lado izquierdo del cilindro más allá de la compresión ilustrada en la figura 10;
La figura 12, similar a la figura 2, ilustra la posición del pistón en el punto muerto superior en el lado izquierdo del cilindro; La figura 13 es una vista en perspectiva de un conjunto de pistón que se puede usar con el motor de las figuras 1 y 2; La figura 14 es una vista en perspectiva de un disco central de pistón del conjunto de pistón de la figura 13;
La figura 15 es una vista en perspectiva de un disco de pistón del lado izquierdo del conjunto de pistón de la figura 13; La figura 16 es una vista en perspectiva de un disco de pistón del lado derecho del conjunto de pistón de la figura 13; La figura 17 es una vista en perspectiva de un aro del pistón que se puede usar con el conjunto de pistón de la figura 13; La figura 18 es una vista lateral del aro del pistón de la figura 17;
La figura 19 es una vista en planta del aro del pistón de la figura 17;
La figura 20 es una vista en perspectiva del conjunto de pistón de la figura 13 con el aro del pistón de la figura 17;
La figura 21 es una vista lateral del conjunto de pistón y el aro del pistón de la figura 20 montados en los vástagos del pistón de la figura 2;
La figura 22 es otra vista en perspectiva del conjunto de pistón y el aro del pistón de la figura 20 montados en los vástagos del pistón de la figura 2 con diferentes pasajes de admisión; y
La figura 23 es una vista en perspectiva parcial en sección transversal del motor de la figura 1.
Descripción detallada
La presente invención se refiere a motores de combustión interna. Si bien la presente descripción proporciona ejemplos de motores de pistón libre, se debe señalar que los aspectos de la invención en su sentido más amplio no se limitan a un motor de pistón libre. Más bien, se contempla que los principios anteriores también se puedan aplicar a otros motores de combustión interna.
Un motor de combustión interna de acuerdo con la presente invención puede incluir un bloque del motor. El término "bloque del motor", también utilizado como sinónimo del término "bloque de cilindros", puede incluir una estructura integrada que incluye al menos un cilindro, que aloja un pistón. En el caso de un bloque del motor de pistón libre, el bloque del motor puede incluir uno o varios cilindros.
De acuerdo con la presente invención, un cilindro puede definir al menos una cámara de combustión en el bloque del motor. En algunos motores de combustión interna de acuerdo con la presente invención, una cámara de combustión puede estar ubicada en un solo lado de un cilindro dentro de un bloque del motor. En otros motores de combustión interna de acuerdo con la presente invención, el motor de combustión interna puede incluir dos cámaras de combustión, una a cada lado de un cilindro dentro de un bloque del motor.
Las modalidades de la presente invención pueden incluir además un pistón en el cilindro. De acuerdo con algunas modalidades de la invención utilizadas en un motor de pistón libre, el pistón puede incluir dos cabezas en lados opuestos del mismo. En algunas modalidades de la invención, se puede considerar que el pistón está "montado de forma deslizante" en el cilindro. Esto se refiere al hecho de que el pistón se desliza a través del cilindro de un lado al otro del cilindro. Si bien la presente descripción describe ejemplos de pistones, la invención en su sentido más amplio no se limita a una configuración o construcción de pistón en particular.
Las figuras 1 y 2 ilustran una modalidad ilustrativa de un motor de pistón libre 10 de acuerdo con la presente invención. El motor de pistón libre 10, que en ocasiones se denomina aquí simplemente motor, es un ejemplo de un motor de combustión interna, que incluye un bloque del motor 8. Un cilindro 12, que define al menos una cámara de combustión, se puede incluir en el bloque del motor y puede tener un eje longitudinal central A, y un pistón de doble cara 50 montado recíprocamente en el cilindro 12. El pistón de doble cara 50 puede estar configurado para desplazarse en un primertiempo desde un primer extremo del cilindro hasta un segundo extremo opuesto del cilindro, y en un segundo tiempo desde el segundo extremo del cilindro de regreso al primer extremo del cilindro. Las figuras 7-12 ilustran un movimiento ilustrativo del pistón 50 desde un primer extremo del cilindro hasta un segundo extremo del cilindro. Al menos una porción del vástago del pistón puede estar conectada al vástago del pistón y se puede extender desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área externa al cilindro. De la manera en que se usa en esta descripción, el término porción del vástago del pistón incluye cualquier parte de un vástago o eje, que se extiende desde un pistón. En algunas modalidades, una porción del vástago del pistón puede ser una parte de una estructura unificada que atraviesa completamente el pistón. En otras modalidades, una porción del vástago del pistón puede ser una parte de un vástago del pistón que se extiende desde una sola cara de un pistón.
A modo de ejemplo, en la figura 3, una porción del vástago del pistón 42 puede estar conectada a una cara del pistón 50 y extenderse desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área 45 externa al cilindro. De manera similar, una segunda porción del vástago del pistón 43 se puede extender desde una cara opuesta del pistón de doble cara 50, hasta otra área 47 externa al cilindro 12. Las porciones de vástago del pistón 42 y 43 pueden estar integradas entre sí, o pueden ser estructuras completamente separadas, cada una de las cuales se extiende desde un lado opuesto del pistón 50.
Un área externa (por ejemplo, áreas 45 y 47) al cilindro puede incluir un colector de admisión en cada extremo del cilindro configurado para suministrar gases de combustión a cada una de las cámaras de combustión en los extremos opuestos del cilindro desde una o más fuentes de gases externas al cilindro, o un colector de escape configurado para recibir gases de combustión de las cámaras de combustión y dirigir los gases de combustión lejos del cilindro para el tratamiento posterior de escape. De esta manera, por ejemplo, un pasaje de la porción del vástago del pistón está configurado para introducir gas de combustión en una cámara de combustión desde una ubicación fuera del cilindro. En una modalidad, las áreas 45 y 47 externas al cilindro pueden referirse simplemente a cualquier región en un lado opuesto de una culata del cilindro 14, 15 del cilindro 12, independientemente de si la región está en contacto directo con una culata del cilindro. Se contempla que se podrían proporcionar puertos para introducir gases desde un colector u otra fuente ubicada junto al cilindro, en lugar de en los extremos del cilindro. Por tanto, en sentido general, las ubicaciones fuera del cilindro pueden estar en los extremos del cilindro, a un lado del cilindro, o en una combinación de ambos.
De acuerdo con modalidades de la invención, cada porción del vástago del pistón puede incluir al menos una cavidad, que forma un pasaje configurado para comunicar el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa al cilindro. De la manera en que se usa en esta descripción, el término "cavidad" se puede definir como cualquier estructura o vacío capaz de comunicar el flujo de gas. Puede incluir, por ejemplo, un canal o conducto contenido total o parcialmente dentro de al menos una parte de la porción del vástago del pistón. O, la cavidad puede incluir una o más ranuras expuestas u otros recortes en al menos una parte de la porción del vástago del pistón.
Por ejemplo, en algunas modalidades ilustrativas de un motor de acuerdo con esta invención, la una o más cavidades, que forman pasajes en las porciones de vástago del pistón, pueden hacer que las porciones de vástago del pistón 42 y 43 sean al menos parcialmente huecas. En algunas variaciones, un pasaje puede incluir una o más ranuras formadas a lo largo de una periferia externa de la porción del vástago del pistón. Aún otras variaciones pueden incluir diferentes secciones de diámetro exterior de las porciones de vástago del pistón. Dicha(s) área(s) de diámetro reducido puede(n) proporcionar uno o más espacios a través de los cuales puede fluir el gas. Alternativamente, la una o más cavidades que forman los pasajes pueden incluir un canal que se extiende hacia el interior de una porción del vástago del pistón. Aún en otra alternativa, la cavidad puede hacer que la porción del vástago del pistón sea hueca en algunas áreas y parcialmente hueca (por ejemplo, a través de una ranura externa, etc.) en otras áreas. Se puede formar al menos un puerto en cada vástago del pistón, en comunicación de fluidos con el pasaje de la porción del vástago del pistón, para permitir así que el gas entre y/o salga del pasaje a través del puerto.
A modo de ejemplo tomando como referencia la figura 22, cada porción del vástago del pistón 42 y 43 puede incluir una cavidad 53, 55, respectivamente (por ejemplo, la parte interna ahuecada de las porciones de vástago del pistón 42 y 43), formando un pasaje o canal configurado para comunicar el flujo de gas entre las cámaras de combustión 49 y 51 (ver las figuras 5 y 10, respectivamente) y las correspondientes áreas 45 y 47 externas al cilindro 12. La región ahuecada puede ser, por ejemplo, una perforación a través de un núcleo de una porción del vástago del pistón.
Como se ilustra en la figura 5, se puede definir una primera cámara de combustión en la región 49, entre una cara del pistón 50 y una primera culata 14 del cilindro 12. Asimismo, como se ilustra en la figura 10, se puede definir una segunda cámara de combustión 51 entre una cara opuesta del pistón 50 y una culata opuesta 15 del cilindro 12. Por supuesto, se debe entender que cada cámara de combustión es una región variable, que incluye esencialmente un volumen desplazado en cada lado del pistón, y que se comprime cuando el pistón se desplaza desde un extremo del cilindro hasta el extremo opuesto del cilindro.
Los pasajes o cavidades 53 y 55, ilustrados en la figura 22, son solo a modo de ejemplo. Por ejemplo, como se ilustra, las cavidades se extienden justo más allá de los puertos 44, y terminan antes de alcanzar el pistón 50. En esta descripción se contemplan otras numerosas configuraciones. Por ejemplo, las cavidades 53 y 55 se podrían extender más hacia el pistón, hasta llegar al pistón, o pueden cruzar una cara del pistón. En una modalidad preferida, los pasajes 53 y 55 no están en comunicación de flujo entre sí.
En una modalidad ilustrativa mostrada en las figuras, uno o más puertos 44, que pueden estar dispuestas en dos grupos, es decir, un grupo interior 46, que está más cerca del pistón 50, y un grupo exterior 48, que está distal con respecto al grupo interior 46. Los puertos 44 se pueden configurar para servir como admisión para transportar gas al interior del cilindro a través de las cavidades 53 y 55. En lugar de dos grupos de puertos de admisión, se puede emplear un solo grupo de puertos de admisión 44, o se pueden emplear más de dos grupos de puertos de admisión 44 espaciadas a lo largo de las porciones de vástago del pistón 42. Además, siempre que haya suficiente abertura para transportar gases desde los canales dentro de los vástagos del pistón, definidos por las cavidades 53 y 55, no es necesario que los puertos de admisión estén dispuestos en grupos.
De acuerdo con algunas modalidades de la invención, un primer pasaje y el segundo pasaje en las porciones de vástago del pistón se pueden configurar para evitar que se intercambien gases entre el cilindro y una ubicación fuera del cilindro a través de un recorrido, que cruza la primera y la segunda cara del pistón. Por ejemplo, el par de porciones de vástago del pistón 42 y 43, que se extienden desde caras opuestas del pistón de doble cara 50, pueden estar integradas, o pueden estar conectadas indirectamente entre sí a través del pistón de doble cara. Sin embargo, no se puede proporcionar un pasaje de flujo de interconexión entre los vástagos del pistón. En tal construcción, no puede haber comunicación de flujo de gas entre el cilindro y una ubicación fuera del cilindro, que cruza tanto la primera como la segunda cara del pistón de doble cara 50. Por tanto, las cavidades y/o pasajes en cada porción del vástago del pistón pueden estar separados entre sí y se pueden extender a través de diferentes porciones de vástago del pistón.
Si la culata en cada lado del bloque del motor incluye (por ejemplo, está conectada o integrada) un colector de admisión, el pasaje en la primera porción del vástago del pistón se puede configurar para comunicar el flujo de gas entre la primera cámara de combustión y el colector de admisión en el primer extremo del cilindro y el pasaje en la segunda porción del vástago del pistón se pueden configurar para comunicar el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el colector de admisión en el segundo extremo del cilindro. Así, por ejemplo, tomando como referencia la figura 10, los gases de la cámara de admisión de gas de combustión 32 del colector de admisión 26 pueden entrar en la cámara de combustión cuando los puertos 46 y 48 puentean la culata del cilindro 14.
Un cilindro de acuerdo con las modalidades de la invención puede estar cerrado en ambos extremos. Por ejemplo, el cilindro 12 del motor 10 puede estar cerrado en sus dos extremos por las culatas 14 y 15, que pueden estar conectadas al cilindro 12 mediante una pluralidad de pernos 16. De la manera en que se usa en esta descripción, el término "cerrado" no requiere un cierre completo. Por ejemplo, a pesar de que las culatas pueden tener aberturas a través de las cuales pasan las porciones de vástago del pistón 42 y 43, las culatas aún se consideran "cerradas" dentro del significado de esta descripción.
Una parte periférica del cilindro 12 puede estar provista de aletas de refrigeración 24. Las configuraciones alternativas del motor 10 pueden incluir otras características externas o internas, que ayuden al enfriamiento del cilindro, tales como pasajes de agua formados internamente dentro de las paredes del cilindro o el encamisado de al menos partes de las paredes del cilindro para enfriamiento por agua, y otras configuraciones de las aletas de enfriamiento u otras características de mejora de la transferencia de calor conductivas y/o convectivas colocadas a lo largo del exterior de una pared periférica del cilindro para facilitar el enfriamiento por fluido del cilindro.
También de acuerdo con modalidades ilustrativas de la invención, una pared periférica del cilindro entre el primer y el segundo extremo puede incluir al menos un puerto de escape. Solo a modo de ejemplo, el cilindro 12 puede incluir al menos un puerto de escape 18 en una pared lateral periférica del cilindro 12 entre el primer y el segundo extremo del cilindro. En la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras 2-12, una pluralidad de puertos de escape 18 distribuidas pueden estar espaciadas alrededor de la circunferencia del cilindro en aproximadamente un punto medio del cilindro 12 entre los extremos opuestos del cilindro. Los puertos de escape 18 pueden tener cualquier tamaño, forma y distribución adecuados para realizar la función de expulsar los gases del cilindro. Por ejemplo, una o más de los puertos de escape puede estar ubicada en una región central axial de la pared periférica del cilindro, como se ilustra en las figuras. Aunque la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras está configurada simétricamente, con los puertos de escape 18 ubicadas a medio camino entre los extremos opuestos del cilindro, modalidades alternativas pueden colocar los puertos de escape en uno o más planos radiales, que intersecan la pared periférica del cilindro en ubicaciones que no son el punto medio exacto entre las culatas del cilindro 14.
De acuerdo con algunas modalidades ilustrativas de la invención, al menos un puerto se puede configurar para comunicar el flujo de gas entre la primera cámara de combustión y el exterior del cilindro cuando el pistón está en el lado de la segunda cámara de combustión de el al menos un puerto, y se puede configurar para comunicar el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el exterior del cilindro cuando el pistón está en el lado de la primera cámara de combustión de el al menos un puerto. Solo a modo de ejemplo, esto puede ocurrir cuando, como se ilustra en la figura 5, el pistón 50 está ubicado a la derecha de los puertos 18, permitiendo el transporte del flujo de gas a través del puerto 18, desde la cámara de combustión a la izquierda del pistón 50. Los puertos 18 permiten el flujo de gas hacia una ubicación "fuera" de la cámara de combustión. Esa ubicación exterior puede estar en el lado del cilindro, como se ilustra, o los conductos (no mostrados) asociados con el motor pueden llevar los gases a otras ubicaciones.
El colector de admisión 26 puede estar conectado o integrado a cada una de las culatas del cilindro 14, 15 en los extremos opuestos del cilindro 12. El colector de admisión 26 puede incluir una abertura del vástago del pistón 28, que está alineada axialmente con el eje longitudinal A, y una o más aberturas de admisión 30, que pueden estar colocadas en un extremo distal del colector de admisión, como se muestra, o en cualquier ubicación a lo largo la periferia exterior del colector de admisión. La una o más aberturas de admisión 30 en el colector de admisión 26 se pueden configurar para dirigir los gases de admisión al interior del colector de admisión transversalmente al eje longitudinal A. Un espacio interior del colector de admisión 26 puede definir una cámara de admisión 32. Aunque el colector de admisión de la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras 1-12 y 23 se ilustra con una configuración de forma cilíndrica, las modalidades alternativas pueden proporcionar uno o más colectores de admisión con otros perfiles o secciones transversales, o pueden incorporar los colectores de admisión al menos parcialmente dentro de las culatas 14, 15 como uno o más pasajes interiores definidos dentro de cada una de las culatas en cada extremo del cilindro 12.
Cada una de las culatas 14, 15 puede incluir además uno o más inyectores 34 que se abren en una cavidad 36 anular o toroidal formada en o contigua a una cara de llama de una cubierta de fuego de cada culata del cilindro en cada extremo del cilindro 12, que esté de frente a las cámaras de combustión en cada extremo del cilindro 12. La cavidad 36 de forma toroidal puede impartir un flujo de remolino al gas combustible inyectado por los inyectores 34 para facilitar una combustión más completa de los gases dentro de las cámaras de combustión. Las culatas 14, 15 también pueden incluir una o más cavidades para alojar y montar una o más bujías 38, y bujes 40 para alinear, soportar, guiar y sellar (por medio de un sello dedicado) una porción del vástago del pistón 42, 43, que está soportada por y pasa a través de cada una de las culatas del cilindro 14, 15 en los extremos opuestos del cilindro 12. Este es un ejemplo de cómo las porciones de vástago del pistón pueden extenderse desde las caras de un pistón de doble cara a través de una cámara de combustión. Independientemente de los detalles particulares de cualquier abertura a través de la cual los vástagos del pistón puedan extenderse en los extremos del cilindro, en el sentido de esta descripción cuando se dice que un vástago del pistón se extiende hasta al menos un extremo del cilindro, significa que se extiende a través de una cámara de combustión.
Un pistón de doble cara de acuerdo con las modalidades de la invención, se puede configurar para desplazarse en un primer tiempo desde un primer extremo del cilindro hasta un segundo extremo opuesto del cilindro, y en un segundo tiempo de regreso desde el segundo extremo del cilindro hasta el primer extremo. Esto se ilustra, a modo de ejemplo, en las figuras 2-7, donde la figura 2 representa el fin de un primer tiempo, la figura 7 representa el fin de un segundo tiempo y las figuras 3-6 representan posiciones intermedias ilustrativas.
De acuerdo con varias modalidades ilustrativas de la presente divulgación, el pistón puede tener un tamaño con respecto al cilindro para permitir una porción de la carrera de expansión de cada tiempo en la que el pistón se desplaza bajo presión de expansión de gas, y una porción de la carrera de impulso de cada tiempo para el resto del tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión. La porción de la carrera de expansión de cada uno del primer y segundo tiempo del pistón es la parte del tiempo cuando el pistón se desplaza directamente bajo la presión de expansión de la combustión. Por ejemplo, la porción de la carrera de expansión se puede definir como la parte desde la posición del punto muerto superior (PMS) del pistón en cada extremo del cilindro hasta el punto en el que los gases de combustión se pueden intercambiar entre la cámara de combustión en la que acaba de ocurrir la ignición de gases de combustión y un área externa al cilindro.
En la posición de PMS del pistón durante cada tiempo, queda un volumen de holgura entre cada una de las caras opuestas del pistón de doble cara y un extremo correspondiente del cilindro cerrado por las culatas del cilindro 14, 15. Los gases de combustión que se han introducido en la cámara de combustión antes de que el pistón alcance el PMS se comprimen en el volumen de espacio libre restante en ese lado del pistón entre la cara del pistón y la cubierta de fuego de la culata del cilindro. Los gases comprimidos, que normalmente incluyen una mezcla de combustible/aire, se pueden quemar pueden mediante una chispa o por autoignición resultante, al menos en parte, de la compresión de los gases de combustión. La porción de la carrera de expansión de cada tiempo ocurre después de la ignición de los gases de combustión comprimidos cuando la energía química de la combustión en cada cámara de combustión se convierte en energía mecánica del pistón. Simultáneamente con la porción de la carrera de expansión de cada tiempo en un lado del pistón, el flujo de gas puede ocurrir sustancialmente para toda la porción de la carrera de expansión entre la cámara de combustión en el lado opuesto del pistón y el colector de admisión en el extremo opuesto del cilindro, así como el colector de escape 20 situado en una parte periférica central del cilindro.
Al comienzo de una porción de la carrera de expansión de una carrera desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho, como se muestra en la figura 2, puede ocurrir un flujo de gas entre la cámara de combustión en el lado derecho del pistón y el colector de admisión 26 en el lado derecho del cilindro, y entre la cámara de combustión en el lado derecho del pistón y el colector de escape 20 a través de los puertos de escape 18. La comunicación de gases entre la cámara de combustión en el lado derecho del pistón y el colector de escape puede continuar hasta que la cara derecha del pistón se haya desplazado más allá de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente, actuando como una válvula de escape y cortando la comunicación entre el lado derecho de la cámara de combustión y el colector de escape. Además, es posible que antes de que el pistón 50 haya cerrado incluso los puertos de escape 18, los puertos de admisión 44 más cercanas a la cara derecha del pistón se hayan desplazado fuera de la cámara de combustión derecha, cerrando así la comunicación de gases entre el colector de admisión derecho 26 y la cámara de combustión derecha a través de la porción del vástago del pistón derecha 42.
De acuerdo con algunas modalidades, una longitud del pistón de doble cara, una longitud del cilindro, una ubicación del puerto de escape y una ubicación de una abertura de acceso al canal en cada una de la primera y la segunda porción del vástago del pistón pueden estar dispuestas de manera que cuando el pistón está en una etapa de combustión en la primera cámara de combustión, el pistón bloquea el puerto de escape para que no se comunique con la primera cámara de combustión y la abertura de acceso al canal en la primera porción del vástago del pistón está fuera de la primera cámara de combustión, mientras que simultáneamente el puerto de escape está en comunicación de fluidos con la segunda cámara de combustión, y la abertura de acceso del segundo canal está dentro de la segunda cámara de combustión. Esto puede lograrse mediante varias estructuras alternativas. A modo de ejemplo solo con referencia a las figuras, la longitud del pistón de doble cara 50, la longitud del cilindro 12, la ubicación de los puertos de escape 18 y la ubicación de los puertos de admisión 44 en cada una de la primera y la segunda porción del vástago del pistón 42, 43, que se extienden desde caras opuestas del pistón 50, pueden estar dispuestas de manera que cuando el pistón esté en una etapa de combustión en una primera cámara de combustión en un lado del pistón, el pistón bloquea el puerto de escape para que no se comunique con la primera cámara de combustión. El puerto de admisión 44 más cercana a un lado del pistón permanece fuera de la primera cámara de combustión, evitando así la comunicación de gases entre el colector de admisión en ese lado del pistón y la primera cámara de combustión.
Simultáneamente, el puerto de escape está en comunicación de fluidos con la segunda cámara de combustión en el lado opuesto del pistón, y los puertos de admisión 44 en la segunda porción del vástago del pistón 43 están ubicadas dentro de la segunda cámara de combustión. De manera similar, cuando el pistón está en otra etapa de combustión en la segunda cámara de combustión en el lado opuesto del pistón, el pistón bloquea el puerto de escape para que no se comunique con la segunda cámara de combustión. El puerto de admisión 44 más cercana al segundo lado del pistón permanece fuera de la segunda cámara de combustión, evitando así la comunicación de gases entre el colector de admisión en el segundo lado del pistón y la segunda cámara de combustión. Simultáneamente, el puerto de escape está en comunicación de fluidos con la primera cámara de combustión en el primer lado del pistón, y los puertos de admisión 44 en la primera porción del vástago del pistón 42 están ubicados dentro de la primera cámara de combustión.
Después de una porción de la carrera de expansión, el pistón puede continuar desplazándose en una porción de la carrera de impulso durante el resto del tiempo. La porción de la carrera de impulso de cada tiempo abarca la parte restante del tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión. De acuerdo con las modalidades de la invención, sustancialmente toda la porción de la carrera de impulso del segundo tiempo en el lado del pistón de la segunda cámara de combustión puede coincidir con la compresión de gases en la primera cámara de combustión. Es decir, el impulso que sigue a una porción de la carrera de expansión en una cámara de combustión se usa para comprimir gases en la otra cámara de combustión. Esto puede ser posible gracias a una estructura de motor en la que el fin de una expansión en una cámara de combustión no se corresponde con una posición de PMS en una cámara de combustión opuesta. Más bien, el diseño del motor permite un mayor recorrido del pistón después de una porción de la carrera de expansión. En algunas modalidades, el recorrido adicional del pistón durante la porción de la carrera de impulso puede ser al menos un ancho del pistón. En otras modalidades, puede ser varias veces el ancho del pistón. Aún en otras modalidades, puede tener al menos la mitad del ancho del pistón.
Durante la porción de la carrera de impulso de cada tiempo, los gases se pueden intercambiar entre la cámara de combustión donde acaba de ocurrir la ignición de los gases de combustión y un área externa al cilindro. El intercambio de gases puede ocurrir a través de un pasaje en la porción del vástago del pistón conectada al pistón y que se extiende desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área externa al cilindro, y a través de los puertos de escape formadas en la pared periférica del cilindro. Solo a modo de ejemplo, con referencia a las Figuras 2-7, las posiciones del pistón 50 y las porciones de vástago del pistón 42 se muestran durante un primer tiempo desde la posición más a la izquierda del pistón en la figura 2 hasta la posición más a la derecha del pistón en la figura 7. Las figuras 7-12 muestran las posiciones del pistón 50 y las porciones de vástago del pistón 42 durante un segundo tiempo desde la posición más a la derecha del pistón en la figura 7 hasta la posición más a la izquierda del pistón en la figura 12. Las posiciones extrema izquierda y extrema derecha del pistón en el cilindro 12 se pueden denominar Punto Muerto Superior (PMS) de la carrera en la que se han comprimido los gases de combustión y se está produciendo la ignición de los gases al comienzo de una fase de combustión. Cuando el pistón está en la posición más a la izquierda de la figura 2 y se está produciendo la ignición de los gases de combustión que se han comprimido en un espacio libre entre la cara izquierda del pistón y la culata del cilindro 15 en el extremo izquierdo del cilindro, el pistón está en PMS de la carrera desde el extremo izquierdo hasta el extremo derecho del cilindro como se aprecia en las figuras 2-7. De manera similar, cuando el pistón está en la posición más a la derecha de la figura 7 y se produce la ignición de los gases de combustión que se han comprimido en un volumen de espacio libre entre la cara derecha del pistón y la culata 14 en el extremo derecho del cilindro, el pistón está en PMS de la carrera desde el extremo derecho hasta el extremo izquierdo del cilindro como se aprecia en las figuras 7-12.
A medida que el pistón continúa desplazándose desde el PMS de una carrera desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro, la figura 3 ilustra el pistón en una posición en la que el pistón acaba de pasar por los puertos de escape 18 ubicadas centralmente. En ese momento, una primera cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón está ahora en comunicación de fluidos con los puertos de escape 18 ubicadas centralmente y los gases de escape de la combustión pueden comenzar a salir de la cámara de combustión. Por lo tanto, ha terminado la porción de la carrera de expansión del tiempo y el pistón continúa desplazándose hasta el extremo derecho del cilindro en la porción de la carrera de impulso como resultado de la inercia que queda después de finalizada de la carrera de expansión.
Como se muestra en las figuras 3 y 4, el pistón de doble cara 50, la primera porción del vástago del pistón 43 en el lado izquierdo del pistón y los puertos de escape 18 ubicadas centralmente se pueden configurar de manera que el pistón de doble cara pase por los puertos de escape 18 ubicadas centralmente a medida que el pistón se desplaza desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro antes de que los puertos de admisión 44 más cercanas a la cara izquierda del pistón entren en la primera cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón. Como se muestra en la figura 4, el pistón 50 se ha desplazado completamente hacia la derecha de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente en el momento en que los puertos de admisión 44 en la parte izquierda del vástago del pistón 42 están entrando en la cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón para permitir el flujo de gas entre la cámara de combustión y los puertos de admisión 44. Este tamaño y espaciado relativos de los diversos componentes permite que los gases de escape generados en la primera cámara de combustión comiencen a salir de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente antes de que se introduzca aire fresco precomprimido u otros gases de combustión en la primera cámara de combustión a través de la porción del vástago del pistón 43 en el lado izquierdo del pistón. En varias modalidades alternativas, la ubicación precisa de los puertos de admisión a través de las porciones de vástago del pistón 42, 43 con respecto a las caras opuestas del pistón de doble cara se puede variar de modo que el puerto de admisión más cercana a cada cara del pistón entre en la cámara de combustión correspondiente en el mismo lado del pistón poco después de que la cara del pistón haya pasado el borde cercano de los puertos de escape ubicadas centralmente, lo que permite que los gases de escape comiencen a salir de la cámara de combustión correspondiente poco tiempo antes de la introducción del aire fresco precomprimido u otros gases de combustión (ver, por ejemplo, las figuras 4 y 9).
Poco después de que el pistón haya pasado los puertos de escape 18 ubicadas centralmente durante la porción de la carrera de impulso del tiempo, desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro, como se muestra en la figura 4, los bordes de los puertos de admisión 44 en la porción del vástago del pistón 43 que está más cerca de la cara izquierda del pistón comienza a entrar en la cámara de combustión izquierda. En ese momento, se puede producir una fase de barrido en el lado izquierdo del pistón como resultado de la introducción de gases precomprimidos en la cámara de combustión izquierda a través de la porción del vástago del pistón 43 y los puertos de admisión 44. Los puertos de admisión 44 están configuradas de modo que cuando el pistón está en la porción de la carrera de impulso del primer tiempo desde el extremo izquierdo hasta el extremo derecho del cilindro, el flujo de gas se puede comunicar continuamente entre la cámara de combustión izquierda y un área externa a la cilindro. En la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras, se puede introducir aire fresco precomprimido en la cámara de combustión izquierda desde el colector de admisión 26 ubicado frente a la culata del cilindro o integrado a la culata del cilindro en el extremo izquierdo del cilindro. Simultáneamente, los gases de escape pueden ser barridos de la cámara de combustión izquierda por el aire precomprimido u otros gases entrantes y forzados a salir de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente.
Algunos aspectos de la invención pueden implicar que el cilindro y el pistón de doble cara tengan un tamaño tal que la porción de la carrera de expansión del primer tiempo en un primer lado del pistón cuando el pistón se desplaza desde el primer extremo del cilindro hasta el segundo extremo del cilindro coincida con al menos una de una fase de barrido y una fase de elevación de la presión de gas en un segundo lado del pistón. Puede ocurrir una coincidencia similar en relación con el segundo tiempo. A modo de ejemplo no limitativo tomando como referencia las figuras, a medida que el pistón continúa desplazándose hasta el extremo derecho del cilindro, como se muestra en las figuras 5 y 6, el flujo de gas puede comunicarse continuamente entre la cámara de combustión izquierda y un área externa al cilindro. El flujo continuo de aire precomprimido u otros gases introducidos desde el colector de admisión 26 a la cámara de combustión puede ayudar a enfriar el cilindro, así como a barrer los gases de escape de la cámara de combustión y aumentar la presión del gas dentro de la cámara de combustión izquierda. En las figuras 11 y 12 se ilustra una coincidencia similar para el segundo tiempo. En algunas modalidades, la coincidencia de la compresión en un lado con el barrido y la elevación de la presión de gas en el otro lado pueden corresponder con precisión. En otras modalidades, se pueden superponer sustancialmente.
Algunos aspectos de la invención pueden implicar que el cilindro y el pistón de doble cara tengan un tamaño tal que la porción de la carrera de impulso del primer tiempo en un primer lado del pistón cuando el pistón se desplaza desde el primer extremo del cilindro hasta el segundo extremo del cilindro coincide con una fase de compresión en la segunda cámara de combustión en un segundo lado del pistón. A modo de ejemplo no limitativo, simultáneamente con la porción de la carrera de impulso del primer tiempo desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro, después de que el pistón se haya desplazado más allá de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente hasta el extremo derecho del cilindro, los gases en el lado derecho del pistón se comprimen durante una fase de compresión en el lado derecho del pistón. Cuando el pistón está completamente hacia la derecha, como se muestra en la figura 7, los gases de combustión en el lado derecho del pistón se habrán comprimido en el volumen de espacio libre restante de la cámara de combustión derecha y se producirá la ignición al comenzar el segundo tiempo.
Como se aprecia mejor a modo de ejemplo no limitativo en las figuras 2-12, el cilindro 12 y el pistón de doble cara 50 pueden tener un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón durante el primertiempo desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro, o durante el segundo tiempo desde el extremo derecho del cilindro hasta el extremo izquierdo del cilindro puede ser sustancialmente mayor que la distancia que recorre el pistón 50 durante la porción de la carrera de expansión de cualquiera de las tiempos. En algunas modalidades ilustrativas, el cilindro y el pistón de doble cara pueden tener un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón durante cada tiempo desde un extremo del cilindro hasta el extremo opuesto del cilindro puede exceder la distancia que recorre el pistón durante la porción de la carrera de expansión del tiempo en al menos la longitud del pistón desde una cara a la cara opuesta. En otras modalidades ilustrativas, el cilindro y el pistón de doble cara pueden tener un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón en cada tiempo exceda en al menos la longitud del pistón la distancia recorrida por el pistón durante la compresión de gases en un lado del pistón. La longitud del pistón 50 desde una cara a la cara opuesta en la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras puede ser menos de 1/2 de una distancia desde al menos una de las culatas del cilindro 14 hasta los puertos de escape 18 ubicadas centralmente. Esta configuración y el tamaño relativo del pistón y del cilindro permite una longitud significativamente mayor de la carrera total del pistón en cada dirección durante la cual se puede introducir aire fresco precomprimido u otros gases en el cilindro con el fin de barrer los gases de escape y enfriar el cilindro después que ocurre cada combustión en los extremos opuestos del cilindro.
Al inicio de una porción de la carrera de expansión de un tiempo desde el extremo derecho del cilindro hasta el extremo izquierdo, como se muestra en la figura 7, puede ocurrir un flujo de gas entre la cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón y el colector de admisión 26 en el lado izquierdo del cilindro, y entre la cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón y el colector de escape 20 a través de los puertos de escape 18. La comunicación de gases entre la cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón y el colector de escape puede continuar hasta que la cara izquierda del pistón se haya desplazado más allá de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente, actuando como una válvula de escape y cortando la comunicación entre la cámara de combustión del lado izquierdo y el colector de escape. Además, antes de que el pistón 50 haya cerrado los puertos de escape 18, los puertos de admisión 44 más cercanas a la cara izquierda del pistón se habrán desplazado fuera de la cámara de combustión izquierda, cerrando así la comunicación de gases entre el colector de admisión izquierdo 26 y la cámara de combustión izquierda a través de la parte izquierda del vástago del pistón 43.
La longitud del pistón de doble cara 50, la longitud del cilindro 12, la ubicación de los puertos de escape 18 y la ubicación de los puertos de admisión 44 en cada una de la primera y la segunda porción del vástago del pistón 42, 43 que se extienden desde caras opuestas del pistón 50 se pueden disponer de manera que cuando el pistón está en una etapa de combustión en la segunda cámara de combustión en el lado derecho del pistón, el pistón bloquea el puerto de escape para que no se comunique con la segunda cámara de combustión. El puerto de admisión 44 más cercana al lado derecho del pistón permanece fuera de la segunda cámara de combustión, evitando así la comunicación de gases entre el colector de admisión en el lado derecho del pistón y la segunda cámara de combustión. Simultáneamente, el puerto de escape está en comunicación de fluidos con la primera cámara de combustión en el lado izquierdo del pistón, y los puertos de admisión 44 en la parte izquierda del vástago del pistón 43 están ubicados dentro de la primera cámara de combustión.
La porción de la carrera de impulso de cada tiempo abarca la parte restante del tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión. Durante la porción de la carrera de impulso de cada tiempo, los gases se pueden intercambiar entre la cámara de combustión donde acaba de ocurrir la ignición de los gases de combustión y un área externa al cilindro. El intercambio de gases puede ocurrir a través de un pasaje en la porción del vástago del pistón conectada al pistón y que se extiende desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área externa al cilindro, y a través de los puertos de escape formadas en la pared periférica del cilindro. Las figuras 7-12 muestran las posiciones del pistón 50 y las porciones de vástago del pistón 42 durante un segundo tiempo desde la posición más a la derecha del pistón en la figura 7 hasta la posición más a la izquierda del pistón en la figura 12. Como mencionamos anteriormente, las posiciones extrema izquierda y extrema derecha del pistón en el cilindro 12 se pueden denominar Punto Muerto Superior (PMS) de la carrera en la que se han comprimido los gases de combustión y se está produciendo la ignición de los gases al comienzo de una fase de combustión. De manera similar, cuando el pistón está en la posición más a la derecha de la figura 7 y se produce la ignición de los gases de combustión que se han comprimido en un volumen de espacio libre entre la cara derecha del pistón y la culata 14 en el extremo derecho del cilindro, el pistón está en PMS de la carrera desde el extremo derecho hasta el extremo izquierdo del cilindro como se aprecia en las figuras 7-12.
A medida que el pistón continúa desplazándose desde el PMS de una carrera desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro, la figura 8 ilustra el pistón en una posición en la que el pistón acaba de pasar por los puertos de escape 18 ubicadas centralmente. En ese momento, la segunda cámara de combustión en el lado derecho del pistón ahora está en comunicación de fluidos con los puertos de escape 18 ubicadas centralmente y los gases de escape de la combustión que tuvo lugar en el lado derecho del pistón durante la porción de la carrera de expansión del segundo tiempo puede comenzar a salir de la cámara de combustión. Por lo tanto, la porción de la carrera de expansión del segundo tiempo ha finalizado y el pistón continúa desplazándose hasta el extremo izquierdo del cilindro en la porción de la carrera de impulso como resultado de la inercia que queda después de finalizada de la carrera de expansión.
Como se muestra en las figuras 8 y 9, el pistón de doble cara 50, la segunda porción del vástago del pistón 42 en el lado derecho del pistón y los puertos de escape 18 ubicadas centralmente se pueden configurar de manera que el pistón de doble cara pase por los puertos de escape 18 ubicadas centralmente a medida que el pistón se desplaza desde el extremo derecho del cilindro hasta el extremo izquierdo del cilindro antes de que los puertos de admisión 44 más cercanas a la cara derecha del pistón entren en la segunda cámara de combustión en el lado derecho del pistón. Como se muestra en la figura 9, el pistón 50 se ha desplazado completamente a la izquierda de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente en el momento en que los puertos de admisión 44 en la parte derecha del vástago del pistón 42 están entrando en la segunda cámara de combustión en el lado derecho del pistón para permitir el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y los puertos de admisión 44. Este tamaño y espaciado relativo de los diversos componentes permite que los gases de escape generados en la segunda cámara de combustión comiencen a salir de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente antes de que se introduzca aire fresco precomprimido u otros gases de combustión en la segunda cámara de combustión a través de la porción del vástago del pistón 42 en el lado derecho del pistón. En varias modalidades alternativas, la ubicación precisa de los puertos de admisión a través de las porciones de vástago del pistón 42, 43 con respecto a las caras opuestas del pistón de doble cara se puede variar de modo que el puerto de admisión más cercana a cada cara del pistón entre en la cámara de combustión correspondiente en el mismo lado del pistón poco después de que la cara del pistón haya pasado el borde cercano de los puertos de escape ubicadas centralmente, lo que permite que los gases de escape comiencen a salir de la cámara de combustión correspondiente poco tiempo antes de la introducción del aire fresco precomprimido u otros gases de combustión.
Poco después de que el pistón haya pasado los puertos de escape 18 ubicadas centralmente durante la porción de la carrera de impulso del tiempo desde el extremo derecho del cilindro hasta el extremo izquierdo del cilindro, como se muestra en la figura 9, los bordes de los puertos de admisión 44 en la porción del vástago del pistón 42 que está más cerca de la cara derecha del pistón comienza a entrar en la segunda cámara de combustión. En ese momento, se puede producir una fase de barrido en el lado derecho del pistón como resultado de la introducción de gases precomprimidos en la segunda cámara de combustión a través de la porción del vástago del pistón 42 y los puertos de admisión 44. Los puertos de admisión 44 están configuradas de manera que cuando el pistón está en la porción de la carrera de impulso del segundo tiempo desde el extremo derecho hasta el extremo izquierdo del cilindro, el flujo de gas se pueda comunicar continuamente entre la segunda cámara de combustión y un área externa a la cilindro. En la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras, se puede introducir aire fresco precomprimido en la segunda cámara de combustión desde el colector de admisión 26 ubicado de frente a la culata del cilindro o integrado a la culata del cilindro en el extremo derecho del cilindro. Simultáneamente, los gases de escape pueden ser barridos de la segunda cámara de combustión en el lado derecho del pistón 50 por el aire precomprimido u otros gases entrantes y forzados a salir de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente.
A medida que el pistón continúa desplazándose hasta el extremo izquierdo del cilindro, como se muestra en las figuras 10 y 11, el flujo de gas se puede comunicar continuamente entre la segunda cámara de combustión y un área externa al cilindro. El flujo continuo de aire precomprimido u otros gases introducidos desde el colector de admisión 26 a la segunda cámara de combustión puede ayudar a enfriar el cilindro, así como a barrer los gases de escape de la segunda cámara de combustión y aumentar la presión del gas dentro de la segunda cámara de combustión. Simultáneamente con la porción de la carrera de impulso del segundo tiempo desde el extremo derecho del cilindro hasta el extremo izquierdo del cilindro, después de que el pistón se ha desplazado más allá de los puertos de escape 18 ubicadas centralmente hasta el extremo izquierdo del cilindro, los gases en el lado izquierdo del pistón se comprimen durante una fase de compresión en el lado izquierdo del pistón. Cuando el pistón está completamente hacia la izquierda, como se muestra en la figura 2, los gases de combustión en el lado izquierdo del pistón han sido comprimidos en el volumen de espacio libre restante de la cámara de combustión izquierda y se producirá la ignición para comenzar otra carrera desde el extremo izquierdo del cilindro hasta el extremo derecho del cilindro.
De acuerdo con algunas modalidades de la invención, independientemente de otras estructuras particulares en el motor, un cilindro y un pistón de doble cara pueden tener un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón durante un primer tiempo sea sustancialmente mayor que la distancia que recorre el pistón durante una porción de la carrera de expansión del primer tiempo. Por ejemplo, tomando como referencia las figuras 7-12, la distancia total recorrida del pistón se puede medir desde el PMS en el lado derecho del motor 10, ilustrado en la figura 7, hasta el PMS en el lado izquierdo del motor 10, ilustrado en la figura 12. Esta distancia total recorrida es sustancialmente mayor que la parte de expansión del tiempo que se produce cuando, en la progresión de las figuras 7-12, el pistón 50 pasa por al menos una de los puertos de escape 18. Se contempla que en otras modalidades de la invención, el final de la carrera de expansión podría estar marcado por otros sucesos, tales como la abertura de una válvula mecánica, o el cese de la expansión de alguna otra manera. Independientemente de cómo termine la porción de la carrera de expansión, se contempla que tales modalidades estén dentro del alcance de esta descripción siempre que la distancia total recorrida sea sustancialmente mayor que la parte de expansión sola. A modo de ejemplos no limitativos, la distancia total se puede considerar sustancialmente mayor si la diferencia entre la parte de expansión del tiempo y una parte de no expansión del tiempo es varias veces el ancho del pistón, el ancho del pistón, más de tres cuartos del ancho del pistón, más de la mitad del ancho del pistón o más de un cuarto del ancho del pistón. Así, por ejemplo, el pistón de doble cara puede tener una longitud axial desde una cara del pistón a una cara opuesta del pistón que sea menor o igual a 1/2 de una distancia desde al menos una de la primera culata del cilindro y la segunda culata del cilindro hasta el puerto de escape.
En algunas modalidades ilustrativas, el cilindro y el pistón de doble cara pueden tener un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón durante cada tiempo desde un extremo del cilindro hasta el extremo opuesto del cilindro puede exceder la distancia que recorre el pistón durante la porción de la carrera de expansión del tiempo en al menos la longitud del pistón desde una cara hasta la cara opuesta. En otras modalidades ilustrativas, el cilindro y el pistón de doble cara pueden tener un tamaño tal que la distancia total que recorre el pistón en cada tiempo exceda en al menos la longitud del pistón la distancia recorrida por el pistón durante la compresión de gases en un lado del pistón. La longitud del pistón 50 desde una cara a la cara opuesta en la modalidad ilustrativa mostrada en las figuras puede ser menos de 1/2 de una distancia desde al menos una de las culatas del cilindro 14 hasta los puertos de escape 18 ubicadas centralmente. Esta configuración y el tamaño relativo del pistón y del cilindro permite una longitud significativamente mayor de la carrera total del pistón en cada dirección durante la cual se puede introducir aire fresco precomprimido u otros gases en el cilindro con el fin de barrer los gases de escape y enfriar el cilindro después que ocurre cada combustión en los extremos opuestos del cilindro.
De acuerdo con algunas modalidades de la invención, un motor de combustión interna puede incluir un pistón formado por un conjunto de piezas separadas, que incluyen un par de discos terminales del pistón, cada uno con un primer diámetro exterior, y en donde el disco central está configurado para crear un espacio térmico entre el par de discos terminales del pistón. Como se muestra a modo de ejemplo en las figuras 13 a 22, varias modalidades de un motor de acuerdo con la presente invención pueden incluir un pistón de doble cara 50. El pistón 50 puede incluir una primera parte del pistón cilíndrica 56, que tiene un primer diámetro, una segunda parte del pistón cilíndrica 54 del primer diámetro y una tercera parte del pistón cilíndrica 52 de un segundo diámetro menor que el primer diámetro. La tercera parte del pistón 52 cilíndrica puede estar ubicada entre la primera parte del pistón 56 y la segunda parte del pistón 54, y la primera parte del pistón 56 puede estar configurada de manera que antes del montaje, la primera parte del pistón 56 esté separada de la segunda parte del pistón 52.
De acuerdo con algunas modalidades, la dureza del disco central difiere de la dureza de los discos terminales. Además, o alternativamente, el disco central del pistón puede estar integrado a uno del par de discos terminales del pistón.
Las modalidades también pueden incluir un aro del pistón continuo, sin espacios, que circunscribe una parte del pistón, donde el aro del pistón está configurado de tal manera que, al calentarse, el aro del pistón se deforma en una dirección axial del pistón. Se pueden emplear aros del pistón de diversas formas de acuerdo con las modalidades de la invención. Tales formas pueden incluir un patrón de onda u otras construcciones serpenteantes que sean simétricas o asimétricas. Como se ilustra solo a modo de ejemplo en la figura 20, un aro del pistón continuo 64 sin espacios puede circunscribir la tercera parte del pistón 52, donde el aro del pistón 64 está configurado de tal manera que, al calentarse, el aro del pistón se deforma en una dirección axial del pistón 50. La tercera parte del pistón 52 puede definir una ranura entre la primera parte del pistón 56 y la segunda parte del pistón 54. La ranura definida entre la primera parte del pistón 56 y la segunda parte del pistón 54 también puede formar un espacio térmico, que no es llenado completamente por el aro del pistón, y que, por lo tanto, facilita la transferencia de calor fuera del aro del pistón, aumentando así su longevidad. En algunas modalidades antes del montaje, la tercera parte del pistón 52 puede estar integrada a la primera parte del pistón 56, y la segunda parte del pistón 54 puede no estar integrada a la tercera parte del pistón 52.
Como se muestra en la figura 13, una ranura en la pared periférica exterior del pistón 50 se puede definir mediante el montaje de la primera, segunda y tercera partes de pistón, como se describe anteriormente, o puede maquinarse o fabricarse de otra manera, por ejemplo, usando procesos de fabricación aditiva 3D. La ranura puede incluir un primer borde y un segundo borde separado del primer borde. Se puede instalar un aro del pistón 64 (figuras 17-20) en la ranura, y el aro del pistón puede tener una forma serpenteante dentro de la ranura, de modo que la forma del aro del pistón difiera de la forma de la ranura y que el aro del pistón no llene sustancialmente la ranura. El aro del pistón 64 se puede construir de un material que cuando se someta a calor haga que cambie la forma serpenteante, lo que permite que el aro del pistón se expanda en una dirección axial del pistón, entre los bordes de la ranura. Como se observa mejor en las figuras 17, 19 y 20, los serpenteos del aro del pistón 64 pueden tener forma de onda. Los picos de la onda se extienden alternativamente hacia los bordes opuestos de la ranura. El aro del pistón 64 se puede construir de manera que cuando se someta al calor, el aro del pistón tienda a expandirse en una dirección axial del pistón en lugar de radialmente.
Como se muestra en las figuras 17-20, el aro del pistón 64 puede tener una sección transversal axial ondulada y una sección transversal radial circular. El aro del pistón 64 puede incluir una pluralidad de partes de la superficie de apoyo planas escalonadas 68 en caras axialmente opuestas. Las partes de la superficie de apoyo planas 68 se pueden configurar de manera que se asienten alternativamente en bordes opuestos de la ranura. Un espacio entre el primer y el segundo borde de la ranura del pistón 50 puede permitir la expansión y contracción axial del aro del pistón 64 mientras se mantiene una sección transversal circular radial del aro del pistón, que tiene un diámetro exterior 70 sustancialmente constante, que permanece en todo momento en contacto total con una pared periférica interior del cilindro 12.
En una vista en planta del aro del pistón 64, como se puede ver claramente en la figura 19, el aro del pistón 64 es redondo, con el fin de ajustarse firmemente contra una pared del cilindro 66. En una modalidad ilustrativa, cada lado del aro del pistón 64 puede estar provisto de seis partes de la superficie de apoyo planas 68 distribuidas uniformemente en la periferia para apoyar el aro del pistón 64 contra la parte del pistón adyacente, es decir, la primera parte del pistón 56 y la segunda parte del pistón 54. Las partes de la superficie de apoyo 68 de un lado del aro del pistón 64 se pueden desplazar angularmente con respecto a las partes de la superficie de apoyo 68 del otro lado del aro del pistón 64, de modo que cada parte de la superficie de apoyo 68 de un lado del aro del pistón 64 esté a la misma distancia de las dos partes de la superficie de apoyo adyacentes 68 del otro lado del aro del pistón 64.
Como se puede apreciar en la figura 18, que es una vista lateral del aro del pistón 64, se puede formar una pared curva del aro 69 entre dos partes de la superficie de apoyo adyacentes 68 de ambos lados del aro del pistón 64.
Dependiendo de la construcción y los materiales empleados, en algunas modalidades la estructura descrita anteriormente del aro del pistón 64 puede tener varias ventajas. El aro del pistón 64 es periféricamente continuo, en contraste con los aros del pistón tradicionales, eliminando así sustancialmente las pérdidas de compresión durante el funcionamiento del motor debido a la fuga de gas comprimido desde un lado del aro del pistón hacia un lado opuesto de este. Como resultado de la reducción de las pérdidas por compresión, se puede usar un solo aro del pistón 64, en lugar de dos o tres aros del pistón, como se conoce en la técnica (aunque se pueden emplear varios aros de acuerdo con la presente invención en un solo pistón de acuerdo con la presente invención). La reducción del número de aros del pistón puede resultar en una reducción significativa de las pérdidas por fricción causadas por el contacto deslizante entre cada aro del pistón y la pared del cilindro 66. La reducción de las pérdidas por fricción, a su vez, puede resultar en mejoras en la eficiencia del motor 10. Las partes de la superficie de apoyo 68 a ambos lados del aro del pistón 64 también pueden asegurar que el aro del pistón 64 permanezca dirigido en una orientación sustancialmente perpendicular al eje longitudinal A, lo que a su vez puede resultar en que la superficie periférica del aro 70 permanezca paralela a la pared del cilindro 66 y en contacto continuo con esta. A medida que el aro del pistón 64 de acuerdo con varias modalidades ilustrativas de esta descripción se calienta durante el funcionamiento y tiende a expandirse, la superficie periférica del aro 70 permanecerá en pleno contacto con la pared del cilindro 66 y puede ejercer una presión sustancialmente constante sobre ella. La expansión y contracción del aro del pistón 64 puede dar como resultado una mayor curvatura y expansión dirigida axialmente de las paredes curvas del aro 69, absorbiendo así la expansión sin perturbar el perfil radial constante del aro del pistón 64.
El motor 10 de acuerdo con las diversas modalidades ilustrativas de esta descripción puede facilitar una eliminación casi continua de los gases de escape calientes del motor, mientras se suministra continuamente aire fresco para la combustión. El aire fresco precomprimido introducido casi continuamente puede disminuir la temperatura dentro del cilindro y aumentar la eficiencia y la vida útil del motor.
Se pueden realizar diversas alteraciones y modificaciones en las modalidades ilustrativas descritas aquí sin apartarse del alcance de la invención. Por ejemplo, los gases quemados producidos por el motor 10 se pueden usar para accionar un turbocargador. El aire comprimido introducido en el cilindro puede ser presurizado por un compresor exterior, que es accionado por las porciones de vástago del pistón alternativo que se extienden desde extremos opuestos del cilindro. Otras variaciones pueden incluir impartir un efecto de remolino a los gases introducidos en el cilindro cambiando el ángulo de los puertos de admisión y de los puertos de salida para que los gases no se dirijan radialmente hacia adentro o hacia afuera del cilindro.

Claims (20)

REIVINDICACIONES
1. Motor de combustión interna, que comprende:
un bloque del motor (8);
un cilindro (12), que define al menos una cámara de combustión en el bloque del motor (8);
un pistón (50) en el cilindro (12), el pistón está configurado para desplazarse en un primer tiempo desde un extremo del cilindro (12) hasta un extremo opuesto del cilindro (12), y está dimensionado con relación al cilindro (12) para permitir una porción de la carrera de expansión del primer tiempo en la que el pistón se desplaza bajo presión de expansión de gas, y una porción de la carrera de impulso del primer tiempo durante el resto del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión;
al menos una porción del vástago del pistón (42, 43) conectada al pistón y que se extiende desde una ubicación dentro de la al menos una cámara de combustión hasta un área externa (45, 47) al cilindro (12),
al menos una cavidad (53, 55) en la porción del vástago del pistón (42, 43), la al menos una cavidad forma un pasaje configurado para comunicar el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa al cilindro (12),
en donde la al menos una cavidad (53, 55) está configurada de tal manera que cuando el pistón está en la porción de la carrera de impulso del primer tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión del primer tiempo, la al menos una cavidad está configurada para comunicar continuamente el flujo de gas entre la al menos una cámara de combustión y el área externa (45, 47) al cilindro (12),
en donde la al menos una cámara de combustión incluye una primera cámara de combustión (49) definida entre un primer extremo del pistón y un primer extremo del cilindro (12), y una segunda cámara de combustión (51) definida entre un segundo extremo del pistón y un segundo extremo del cilindro (12),
en donde el cilindro (12) está cerrado en cada extremo opuesto por una culata del cilindro (14, 15), en donde al menos una porción del vástago del pistón (42, 43) incluye una primera porción del vástago del pistón (42), que se extiende desde el primer extremo del pistón a través de la culata del cilindro (14) en el primer extremo del cilindro, y una segunda porción del vástago del pistón (43), que se extiende desde el segundo extremo del pistón a través de la culata del cilindro (15) en el segundo extremo del cilindro (12 ),
en donde la culata del cilindro (14, 15) en cada extremo del cilindro (12) incluye un colector de admisión (26), en donde el pasaje en la primera porción del vástago del pistón está configurado para comunicar el flujo de gas entre la primera cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el primer extremo del cilindro, y el pasaje en la segunda porción del vástago del pistón está configurado para comunicar el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el segundo extremo del cilindro, y
en donde sustancialmente toda la porción de la carrera de expansión del primer tiempo en el lado de la primera cámara de combustión del pistón coincide con el flujo de gas entre la segunda cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el segundo extremo del cilindro (12).
2. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la al menos una cavidad que forma el pasaje hace que al menos una porción del vástago del pistón (42, 43) sea al menos parcialmente hueca.
3. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el pasaje incluye una ranura en la al menos una porción del vástago del pistón (42, 43).
4. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el pasaje está configurado para introducir gas de combustión en la al menos una cámara de combustión desde una ubicación fuera del cilindro (12).
5. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el pistón es de doble cara y en donde la al menos una porción del vástago del pistón (42, 43) incluye un par de porciones de vástago del pistón, cada porción del vástago del pistón se extiende desde una cara opuesta del pistón de doble cara.
6. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la al menos una cavidad incluye un canal que se extiende hacia el interior de la al menos una porción del vástago del pistón (42, 43).
7. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 5, en donde el par de porciones de vástago del pistón (42, 43) están integradas.
8. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 7, en donde el par de porciones de vástago del pistón (42, 43) están conectadas indirectamente entre sí a través del pistón de doble cara.
9. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde la al menos una cavidad incluye al menos dos cavidades, cada una de las cuales se extiende a través de una porción del vástago del pistón (42, 43) diferente.
10. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye además al menos un orificio en al menos una porción del vástago del pistón y en comunicación de fluidos con el pasaje.
11. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el al menos un puerto incluye múltiples ranuras alargadas.
12. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el al menos un puerto incluye múltiples orificios en el vástago del pistón.
13. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 10, en donde el pasaje incluye una pluralidad de ranuras formadas en una superficie periférica exterior de la al menos una porción del vástago del pistón.
14. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 10, en donde la al menos una cavidad en la porción del vástago del pistón incluye una sección de vástago de diámetro reducido.
15. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde una pared periférica del cilindro (12) entre el primer y el segundo extremo del cilindro (12) incluye al menos un puerto de escape (18).
16. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 15, en donde el al menos un puerto de escape incluye una pluralidad de puertos de escape espaciados alrededor de la circunferencia del cilindro (12), y en donde la pluralidad de puertos de escape están en comunicación de fluidos con un colector de escape.
17. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde sustancialmente toda la porción de la carrera de impulso del primer tiempo en el lado de la primera cámara de combustión del pistón coincide con la compresión de gases en la segunda cámara de combustión.
18. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 1, en donde el pistón está configurado además para desplazarse en un segundo tiempo desde el segundo extremo del cilindro (12) hasta el primer extremo del cilindro, y está dimensionado con relación al cilindro (12) para permitir una porción de la carrera de expansión del segundo tiempo en la que el pistón se desplaza bajo presión de expansión de gas, y una porción de la carrera de impulso del segundo tiempo para el resto del segundo tiempo posterior a la porción de la carrera de expansión.
19. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 18, en donde sustancialmente toda la porción de la carrera de expansión del segundo tiempo en el lado de la segunda cámara de combustión del pistón coincide con el flujo de gas entre la primera cámara de combustión y el colector de admisión (26) en el primer extremo del cilindro.
20. El motor de combustión interna de acuerdo con la reivindicación 18, en donde sustancialmente toda la porción de la carrera de impulso del segundo tiempo en el lado del pistón de la segunda cámara de combustión coincide con la compresión de gases en la primera cámara de combustión.
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