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WO2014053032A1 - Motor de combustão interna aperfeiçoado - Google Patents

Motor de combustão interna aperfeiçoado Download PDF

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Publication number
WO2014053032A1
WO2014053032A1 PCT/BR2012/000483 BR2012000483W WO2014053032A1 WO 2014053032 A1 WO2014053032 A1 WO 2014053032A1 BR 2012000483 W BR2012000483 W BR 2012000483W WO 2014053032 A1 WO2014053032 A1 WO 2014053032A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piston
chamber
central
main
internal combustion
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/BR2012/000483
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marcos DUTRA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of WO2014053032A1 publication Critical patent/WO2014053032A1/pt
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/28—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders
    • F02B75/30—Engines with two or more pistons reciprocating within same cylinder or within essentially coaxial cylinders with one working piston sliding inside another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B5/00—Engines characterised by positive ignition

Definitions

  • a first version reveals an engine with central chamber, pre-chamber and piston chamber, which isolate the combustion gases from another separately compressed air mass, causing the stoichiometric mixture to occur only in a small portion of the air mass and the heat produced by the combustion heats the non-combustion gases to the best advantage.
  • the fuel energy includes a main chamber and a piston chamber, which burns the injected fuel by mixing and exposing it to the heat of the compressed air.
  • the common feature between the two versions is that they both use the two-lagged crank rod crank system so that the volume of the chambers in both the upper and lower neutrals remains constant over a long period, allowing perfect gas flaring and heat exchange, with consequent better thermal efficiency.
  • the present invention is intended to replace internal combustion thrusters for transportation, power generation, cargo handling and others with greater energy efficiency.
  • Another problem observed in the current state of the art relates to the four stroke engine, as it requires two turns of the crankshaft to complete its cycle, producing work in only one quarter of this movement and wasting energy in the other three quarters.
  • PI0209480-0 A2 which relates to a "rotary machine and method for employing the rotary machine to produce rotational power" having a housing with rotary components embedded within it.
  • This machine is equipped with an internal combustion rotation engine, an external combustion rotation engine, a gas compressor, a vacuum pump, a liquid pump, a drive turbine, or an expandable gas or pressurized liquid drive turbine.
  • the combustion engine employs a new thermal cycle that eliminates the internal compression of the Otto cycle of combustion products as part of the cycle.
  • the new thermal combustion cycle is the inlet, expansion and exhaust.
  • PI9505395-6 A2 Another known prior art document is PI9505395-6 A2, which relates to a "Compound Crankshaft Rotary Engine", being a controlled refrigeration internal combustion engine, and the movements of its non-alternating parts, which essentially consist of of a cylindrical crankcase and a smaller circuit contained within.
  • This smaller cylinder rotates with an axis of symmetry in a plane normal to the axis of said crankcase, and within the cylinder, occur the four times of the Otto cycle, generating a load that leaves the engine transmitted by a fully supported crankshaft axle.
  • the front and rear covers which seal the engine as a whole.
  • PI9100813-1 B1 Another inherent prior art document is PI9100813-1 B1, referring to an "Internal combustion engine employing a single gas flow control valve and internal combustion engine operating process", which aims to increase volumetric yields. and engine thermodynamics, which can run on any type of fuel and consist of any number of cylinders.
  • the document states that conventional internal combustion engines have a low volumetric performance because the flow of the intake and exhaust gases is limited, in the case of four-stroke engines, by the reduced area of the intake and exhaust valves. In the case of two-stroke engines, this limitation occurs by coincident opening of the intake and exhaust windows, which causes loss of unburnt gases.
  • the present invention stands out for imposing a new operating cycle of the crankshaft drive assembly of an internal combustion engine, in which the crankshaft has three cranks per cylinder, having a lag between said crankshafts of the same cylinder of so as to drive two pistons in the same cylinder.
  • the multi-rod driven center bore piston works within another cylinder, has a separate pre-chamber from the main chamber to allow another piston to work within it, configuring two pistons per cylinder driven by by a single crank tree.
  • Another feature of the present invention is the use of double chamber with motion separation of one or more pistons; or triple chamber, one main (4 '), one central (4 “') and one inside the piston (4"), in split condition (4 ""), in order to allow air-fuel mixing in a part and thermal exchange in another. It is a further feature of the invention to harness the potential energy in descents and braking for the purpose of driving an air compressor. Thus, the accumulated air is stored in cylinders for later use in moving the same vehicle.
  • Figure 1 Side view showing the movable assembly, including crankshafts, connecting rods and pistons, in cycles including: compression / combustion (A), heat transfer (B), expansion (C) and exhaust (D), while whereas reference (E) shows the central piston in the PMS according to the invention;
  • Figure 2 Side sectional view of a cylinder engine with center pre-chamber and piston, including connecting rods and crankshaft;
  • Fig. 3 Details in section and top view of the main piston
  • Fig. 4 Section and top details of the central piston
  • Fig. 5 Sequential view showing, laterally, the stages of compression / combustion, heat transfer, expansion and exhaust with the movable assembly of the invention inserted in the cylinder, in the version with a central piston pre-chamber and a central pre-chamber. completing a complete cycle
  • Fig. 6 Sequential view showing, at an angle of 90 ° to the previous figure, the compression / combustion, heat transfer, expansion and exhaust stages with the movable assembly of the invention inserted in the cylinder, in the pre-chamber version in the central piston and a central pre-chamber, completing a complete cycle;
  • Figure 7 Sequential view showing, at an angle compatible with the previous figure, the stages of compression / combustion, heat transfer, expansion and exhaust with the movable assembly of the invention inserted in the cylinder, in the pre-chamber version in the central piston and a pre-chamber, completing a full cycle of the hybrid version.
  • the IMPROVED INTERNAL COMBUSTION ENGINE object of this patent application, consists essentially of an engine that includes, as required elements, an inlet duct (D), inlet valve (V), air injector (I) and ( ⁇ ) in addition to the exhaust valve (V1).
  • the invention stands out for presenting two basic versions, within the same concept, that is to use a crankshaft (1) with three cranks (2/11) per cylinder (3), existing between said cranks (2) of a same cylinder (3) is an angular offset allowing to drive a main piston (4) and a central piston (5); between the main piston (4) and the central piston (5) is formed the main chamber (4 '), whereas inside the main piston is the piston chamber (4 ") (Figs.
  • the engine according to the invention uses two pistons within the same cylinder (3), the main piston (4) being the largest and the smallest piston (5) being the central one.
  • the main piston (4) works directly in contact with the cylinder (3), delimiting a main combustion chamber (4 ') and inside there is a through hole (6) where the central piston (5) operates.
  • the main piston (4) has housings (8) where the connecting rods (8 ') are connected to them by means of pins (9), said connecting rods (8') connected to crankshafts (1) of to connect the latter to the main piston (4);
  • the central piston (5) has a non-through hole in its upper part, which has the function of the piston chamber (4 "), ie the place where the air-fuel mixture is combusted. connected by a connecting rod (10 ') to the crankshaft (1), including seats (8 ") to the upper crank (8"').
  • crankshaft (1) of the engine object of this invention has two cranks (2) aligned and connected to the main piston (4), while a central crank (11) connects to the central piston (5) by the central piston ( 10 ').
  • the central crank (11) has angular displacement relative to the other cranks (2), so that an angle (a) is advanced.
  • This displacement of the center crank (11) relative to the other cranks (2) causes the central piston (5) to reach the upper (PMS) and lower (PMI) dead center before the main piston (4).
  • the central plunger (5) is moving away from it so that, in this interim, the volume of the combustion remains constant until both said pistons describe downward movement away from the upper dead center PMS.
  • a moment of crucial importance for the engine operation according to the invention is determined, as it allows the complete thermal exchange of the constant gases in the combustion chamber.
  • a combustion pre-chamber (4 "') is configured, and these chambers are only separated when the central piston (5) enters said central pre-chamber (4" '), isolating it from the main chamber (4 ').
  • combustion only occurs within the smaller chamber, that is, within the central pre-chamber (4 "'), and the hot gases from this combustion are subsequently mixed with the gases contained in the main chamber, heating these gases and thus , increasing internal engine pressure and producing work.
  • Another innovative factor is the use of a central piston (5) with a through hole, the motor being driven by multiple connecting rods (10 and 8 '), working the central cylinder (5) inside another cylinder (4), having said cylinder (5) central chamber (4 "), separated from the main chamber (4 '), to allow the work of another piston or main piston (4) in a delayed manner, thus allowing to work with two pistons (4 and 5) per cylinder driven by a single crankshaft (1).
  • Another innovative factor is the use of a double chamber, ie with movement separation of one or more pistons (4 and 5); or a triple chamber, a main one (4 '), a central chamber (4 "') and a split chamber (4"), split (4 ""), allowing the combustion of air-fuel mixture in one part and thermal exchange in another (Fig. 6).
  • the invention brings with it the real possibility of harnessing the potential energy in downhill and braking to drive air compressor.
  • the accumulated air is stored in cylinders for later use in moving the same vehicle.
  • the present invention may, with the above construction, be applied to various types of engines, both as regards the number of engine cycles, as well as depending on the type of ignition employed. Some possibilities are described below, but are not limited to how exemplified.
  • the crankshaft driven pistons (4,5) (1) describe movement towards the upper dead center (PMS). ), compressing the air.
  • the forward working central piston (5) and main piston relation (4) enters the central pre-chamber (4 "') separating the admitted air mass in two.
  • the fuel is injected into the central chamber by mixing. with air, forming the air-fuel mixture, then the mixture is ignited by the spark plug spark. Burning of the air-fuel mixture within the piston (4 ") and pre-chamber (4"') central chambers generates heat and expansion of the gases that push the main piston (4) toward the lower dead center (PMI).
  • the exhaust valve (V1) is closed at bottom dead center (PMI) but the intake valve (V) remains open at a small angle to the crankshaft (1) for cylinder filling. With the plungers (4,5) moving towards the top dead center (PMS) the inlet valve (V) is closed starting the intake air compression and starting the cycle again.
  • the crankshaft driven pistons (1) describe movement towards the upper dead center (PMS), compressing the air.
  • PMS upper dead center
  • fast gas compression and very high compression ratio cause gases to reach temperatures above 400 ° C.
  • center piston (5) in the top dead center (PMS) fuel is injected into the center piston chamber (4 "). The fuel heats up quickly when combustion. Burning fuel mixed with air generates heat and expansion of the fuel.
  • the exhaust valve (V1) is closed at bottom dead center (PMI) but the intake valve (V) remains open at a slight angle to the crankshaft (1) for cylinder filling. With the pistons moving towards the upper dead center (PMS) the inlet valve (V) is closed initiating the intake air compression and restarting the cycle.
  • the central piston (5) works in advance and in relation to the major main piston (4) and when near the end of its stroke enters the central chamber separating the admitted air mass in two. With the central piston (5) inside the central chamber, fuel is injected, which is mixed with air forming the air-fuel mixture, then the mixture is ignited by the spark plug spark. Burning of the air-fuel mixture within the central pre-chambers (4 "') and the smaller piston (4") generates heat and expansion of the gases that push the central piston (5) toward the lower dead center (PMI).
  • PMI lower dead center
  • crankshaft driven plungers (1) After intake of fresh air and closing inlet (V) and exhaust valves, crankshaft driven plungers (1) describe movement towards top dead center (PMS), compressing air, rapid compression The very high compression ratio and the very high compression ratio cause the gases to reach temperatures above 400 ° C.
  • Fuel is injected into the center piston pre-chamber (4 ") with the center piston in the top dead center. The fuel heats up rapidly and starts to burn. Burning fuel mixed with air generates heat and expansion of the gases that push the pistons towards lower dead center (PMI)
  • PMI lower dead center
  • Hybrid engine compressed air and diesel (Fig. 7):
  • Combustion / Expansion Compressed air due to rapid cylinder volume reduction warms to a temperature above 400 ° C, then diesel is injected into the center piston chamber (4 "'), fuel injected upon contact with air heated by compression absorbs heat and engages by pushing both plungers into the lower dead center (PMI) producing work At the beginning of the center piston (5) and the main piston (4) rise end the chamber volume remains constant allowing the flaring and expansion of gases to occur when the chamber volume is lower producing high pressures and perfect flaring.
  • the engine brake consists of a throttle that blocks exhaust exhaust, reducing vehicle speed.
  • a double-stage compressor is attached to the vehicle's final transmission.
  • the compressor is activated by reducing the vehicle's speed and storing this energy in the form of compressed air in cylinders installed in the chassis of the vehicle. vehicle. When at low speed this air is used to move the vehicle. It can also be used as a force implement on steep climbs by adding compressed air along with the fuel increasing the power generated.
  • Engine compression ignition The engine described above and its variations can cause the burning of high viscosity fuel such as vegetable and mineral oils (castor oil, palm oil in others), because due to the long period that occurs almost without volume variation (upper neutral approach (PMS)). for the center piston (5) until the top dead center offset from the main piston) allows the injected fuel to absorb heat, combustion and expansion over a long period without loss of energy. This period allows the perfect burning of any heavy fuel.
  • high viscosity fuel such as vegetable and mineral oils (castor oil, palm oil in others)
  • the separation of the main chamber made when the central piston (5) enters the central chamber may occur before the system reaches the lowest volume and hence the highest pressure.
  • Fuel injected and burned into the central pre-chambers (4 "') and central piston (4") has not reached sufficient pressure to detonate the compression mixture, ie self-ignition which is extremely detrimental to the system but the piston (4) continues to rise by increasing pressure outside the aforementioned chambers.
  • the central piston (5) leaves the central chamber the combustion gases are mixed with the non-burning gases by heating them and producing work. This way it is possible to work with very high compression ratios without the feared detonation phenomenon, increasing the energy efficiency of this engine.

Landscapes

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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)

Description

MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO
BREVE APRESENTAÇÃO
Trata a presente solicitação de Patente de Invenção de um MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, o qual, particularmente, se refere a duas concepções operacionais dentro do mesmo conceito: uma primeira versão revela um motor com câmara central, pré-câmara e câmara do êmbolo, as quais isolam os gases participantes da combustão, de outra massa de ar comprimida separadamente, fazendo com que a mistura estequiométrica ocorra somente em uma pequena porção da massa de ar e o calor produzido por esta queima aqueça os gases não participantes desta combustão, aproveitando melhor a energia do combustível. Uma segunda versão inclui uma câmara principal e uma câmara do êmbolo, que queima o combustível injetado por mistura e exposição deste ao calor do ar comprimido. A característica comum entre as duas versões é que, ambas, utilizam o sistema de biela-manivela com dois êmbolos defasados fazendo com que o volume das câmaras tanto no ponto morto superior quanto no ponto morto inferior permaneça constante durante um longo período, permitindo a perfeita queima dos gases e troca térmica, com consequente melhor rendimento térmico.
CAMPO DE APLICAÇÃO
A presente invenção se destina a substituir propulsores de combustão interna para transporte, geração de energia, movimentação de carga e outros, com maior aproveitamento energético.
ESTADO DA TÉCNICA Os motores de combustão interna acionados pelo sistema biela- manivela possuem inúmeras limitações, fazendo com que seu rendimento térmico esteja próximo de 34%. Parte da limitação advém do fato de que a combustão é relativamente lenta e a pressão máxima, que acontece logo após a combustão, ocorre por um espaço de tempo relativamente curto. Assim, quando o êmbolo se afasta do ponto morto superior, o volume da câmara de combustão aumenta e a pressão diminui proporcionalmente, reduzindo a força sobre a árvore de manivelas e, consequentemente, seu trabalho. Parte da energia sai pelo sistema de exaustão sob a forma de gases quentes ocasionando baixo rendimento e poluição. Esta poluição é gerada não só pelos gases queimados parcialmente, como também pelo calor emanado, aumentando o chamado "efeito estufa".
Outro problema observado no atual estado da técnica se refere ao motor ciclo quatro tempos, pois este necessita de duas voltas da árvore de manivelas para terminar seu ciclo, produzindo trabalho em apenas um quarto deste movimento e gastando energia nos outros três quartos.
Uma tentativa de solução do problema acima consistiu na criação do motor a dois tempos, o qual soluciona parte deste problema, porém acrescenta outros, como, por falta de vedação, permite a contaminação dos gases de saída com o óleo lubrificante que é adicionado ao combustível.
No estado da técnica são, ainda, conhecidos alguns documentos de patentes, como o WO2012122291 A2, referente a um motor com arranjo melhorado para refrigeração, incluindo uma camisa de cilindro e êmbolo para um motor de combustão interna, visando melhorar o arrefecimento do êmbolo. Proporções específicas e dimensões são incluídas para otimizar as características do revestimento do cilindro e do pistão. Também estão incluídas as características únicas de pistão que ajudam na obtenção de algumas das dimensões especificadas e proporções.
É conhecido, também, do estado da técnica, o documento PI0209480- 0 A2, referente a uma "Máquina rotativa e método para empregar a máquina rotativa para produzir uma potência de rotação", esta possuindo um alojamento com componentes rotativos embutidos em seu interior. Esta máquina é dotada de um motor de rotação de combustão interna, um motor de rotação de combustão externa, um compressor de gás, uma bomba de vácuo, uma bomba de líquido, uma turbina acionadora, ou uma turbina acionadora de gases expansíveis ou líquidos pressurizados. A máquina de combustão emprega um ciclo térmico novo que elimina a compressão interna do ciclo Otto dos produtos de combustão como parte do ciclo. O novo ciclo de combustão térmica é a entrada, expansão e escape.
Outro documento conhecido do estado da técnica é o PI9505395-6 A2, referente a um "Motor Rotativo de virabrequim composto", sendo um motor de combustão interna de refrigeração controlada, e dos movimentos de suas partes não alternadas, as quais consistem, essencialmente, de um cárter cilíndrico e um circuito menor contido em seu interior. Este cilindro menor gira com um eixo de simetria num plano normal ao eixo do mencionado cárter, sendo que, no interior do cilindro, ocorrem os quatro tempos do ciclo Otto, gerando uma carga que sai do motor transmitida por um eixo virabrequim, este integralmente sustentado pelas tampas anterior e posterior, que selam o motor em seu conjunto. Outro documento inerente ao estado da técnica é o PI9100813-1 B1 , referente a um "Motor de combustão interna empregando válvula única de controle de fluxo de gases e processo de funcionamento de motor de combustão interna", que tem por objetivo aumentar os rendimentos volumétricos e termodinâmicos do motor, o qual pode funcionar com qualquer tipo de combustível e ser composto por qualquer número de cilindros. Relata o documento que os motores convencionais a combustão interna possuem um reduzido rendimento volumétrico porque o fluxo dos gases de admissão e escape é limitado, no caso dos motores quatro tempos, pela área reduzida das válvulas de admissão e escape. No caso de motores dois tempos, esta limitação ocorre pela abertura coincidente das janelas de admissão e escape, que ocasiona perda dos gases não queimados. É ainda uma ponderação do documento, que, os motores convencionais a combustão interna, ciclo Otto ou Diesel, também possuem reduzido rendimento termodinâmico porque a pressão máxima exercida pelas gases em expansão sobre o pistão ocorre quando o mesmo se encontra no ponto morto superior e, consequentemente, a biela se encontra alinhada ao eixo de manivelas,- transmitindo torque nulo a este. A solução encontrada pelo inventor, neste documento anterior, foi desenvolver um novo tipo de motor de combustão interna, dotado de uma válvula única que controla o fluxo de gases de admissão e escape no motor através de amplas aberturas laterais ao cilindro, o que amplia sobremaneira o rendimento volumétrico do motor. Ainda, o uso da válvula única de controle de fluxo é viabilizada pelo desenvolvimento de um novo processo de funcionamento para motores a combustão interna, dividido em sei etapas. Através deste processo é proporcionada a pressão máxima dos gases em expansão sobre o pistão na câmara de combustão quando a biela e o eixo de manivelas formam um ângulo ideal. Assim, devido a grande redução do tempo que dura a etapa onde ocorre a concentração das perdas de calor do motor, etapa de expansão e conversão em torque (ECT), o rendimento termodinâmico deste aumenta sensivelmente.
Portanto, não se observa no estado da técnica um motor de combustão interna com a simplicidade construtiva observada na presente, que possibilite um alto rendimento energético e com baixo índice de poluição térmica e atmosférica.
DA INVENÇÃO
A presente invenção se destaca por impor um novo ciclo operacional do conjunto de acionamento biela-manivela de um motor de combustão interna, no qual a árvore de manivelas possui três moentes por cilindro, tendo uma defasagem entre os referidos moentes de um mesmo cilindro, de modo a acionar dois êmbolos em um mesmo cilindro.
Nesta invenção, o êmbolo com furo central passante, acionado por bielas múltiplas, trabalha dentro de outro cilindro, possui pré-câmara separada da câmara principal, de modo a permitir o trabalho de outro êmbolo em seu interior, configurando dois êmbolos por cilindro, acionados por uma única árvore de manivelas.
Outra característica da presente invenção é o uso de câmara dupla com separação por movimento de um ou mais êmbolos; ou ainda câmara tripla, sendo uma principal (4'), uma central (4"') e outra dentro do êmbolo (4"), na condição dividida (4""), de maneira a possibilitar a mistura ar-combustível em uma parte e a troca térmica em outra. É ainda uma característica da invenção o aproveitamento da energia potencial em descidas e frenagens com o objetivo de acionar um compressor de ar. Assim, o ar acumulado fica armazenado em cilindros para posterior utilização na movimentação do mesmo veículo.
Como vantagens maiores da invenção são destacados o maior aproveitamento térmico e menor emissão de poluentes atmosféricos e térmicos.
DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
A invenção será, a seguir, explicada em seus detalhes técnicos, construtivos e funcionais, sendo que, para melhor orientação, são relacionadas as seguintes figuras de desenhos:
Figura 1 : Vista lateral mostrando o conjunto móvel, incluindo árvores de manivelas, bielas e êmbolos, nos ciclos que incluem: compressão/combustão (A), transferência de calor (B), expansão (C) e exaustão (D), ao passo que a referência (E) mostra o êmbolo central no PMS, segundo a invenção;
Figura 2: Vista lateral em corte de um cilindro do motor com pré- câmara central e no êmbolo, incluindo as bielas e a árvore de manivelas;
Fig. 3: Detalhes em corte e vista superior do êmbolo principal;
Fig. 4: Detalhes em corte e de topo do êmbolo central;
Fig. 5: Vista sequencial mostrando, lateralmente, os estágios de compressão/combustão, transferência de calor, expansão e exaustão com o conjunto móvel da invenção inserido no cilindro, na versão com pré-câmara no êmbolo central e uma pré-câmara central, completando um ciclo completo; Fig. 6: Vista sequencial mostrando, em ângulo de 90° em relação à figura anterior, os estágios de compressão/combustão, transferência de calor, expansão e exaustão com o conjunto móvel da invenção inserido no cilindro, na versão com pré-câmara no êmbolo central e uma pré-câmara central, completando um ciclo completo;
Figura 7: Vista sequencial mostrando, em ângulo compatível com a figura anterior, os estágios de compressão/combustão, transferência de calor, expansão e exaustão com o conjunto móvel da invenção inserido no cilindro, na versão com pré-câmara no êmbolo central e uma pré-câmara central, completando um ciclo completo da versão híbrida.
DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
O MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, objeto desta solicitação de Patente de Invenção, consiste essencialmente de um motor que inclui, como elementos obrigatórios, um duto de admissão (D), válvula de admissão (V), injetor de ar (I) e de combustível (Γ), além da válvula de exaustão (V1). A invenção se destaca por apresentar duas versões básicas, dentro do mesmo conceito, que é o de usar uma árvore de manivelas (1) com três moentes (2/11) por cilindro (3), existindo entre os referidos moentes (2) de um mesmo cilindro (3) uma defasagem angular permitindo acionar um êmbolo principal (4) e um êmbolo central (5); entre o êmbolo principal (4) e o êmbolo central (5) se forma a câmara principal (4'), ao passo que, no interior do êmbolo principal se configura a câmara do êmbolo (4") (Figs. 1 , 2, 5) e uma pré-câmara central (4"') no corpo do cilindro. Ou seja, o motor segundo a invenção utiliza dois êmbolos dentro de um mesmo cilindro (3), sendo o êmbolo (4) denominado principal o maior e, o êmbolo (5) denominado central, menor. O êmbolo principal (4) trabalha diretamente em contato com o cilindro (3), delimitando uma câmara principal de combustão (4') e, em seu interior, existe um orifício passante (6) onde opera o êmbolo central (5).
O êmbolo principal (4) possui alojamentos (8) onde são instaladas as bielas (8'), conectadas a estes por meio de pinos (9), sendo as referidas bielas (8') conectadas a árvores de manivelas (1), de modo a ligar esta última ao êmbolo principal (4); por outro lado, o êmbolo central (5) possui um orifício não passante em sua parte superior, que possui a função de câmara do êmbolo (4"), ou seja, o local onde ocorre a combustão da mistura ar-combustível.e está ligado por meio de uma biela (10') à árvore de manivelas (1), incluindo sedes (8") para o moente superior (8"').
A árvore de manivelas (1) do motor objeto desta invenção possui dois moentes (2) alinhados e conectados ao êmbolo principal (4), ao passo que um moente central (11) se liga ao êmbolo central (5), pela biela central (10').
O moente central (11) possui deslocamento angular em relação aos outros moentes (2), de modo a ficar adiantado um ângulo (a). Este deslocamento do moente central (11) em relação aos demais moentes (2) faz com que o êmbolo central (5) atinja o ponto morto superior (PMS) e inferior (PMI) antes do êmbolo principal (4). Desta forma, em função da referida defasagem, se consegue que, enquanto o êmbolo principal (4) esteja se aproximando do PMS, o êmbolo central (5) esteja afastando-se deste, de modo que, neste interin, o volume da câmara de combustão mantenha-se constante até que ambos os mencionados êmbolos descrevam movimento de descida, afastando-se do ponto morto superior PMS.
Na etapa acima descrita, é determinado um momento de crucial importância para o funcionamento do motor segundo a invenção, pois permite a troca térmica completa dos gases constantes na câmara de combustão. Na câmara principal (4') de combustão está configurada uma pré-câmara de combustão (4"'), sendo que essas câmaras somente são separadas quando o êmbolo central (5) penetra na referida pré-câmara central (4"'), isolando-a da câmara principal (4').
Nesta condição, a combustão somente ocorre dentro da câmara menor, isto é, dentro da pré-câmara central (4"'), sendo os gases quentes provenientes desta combustão misturados posteriormente aos gases contidos na câmara principal, aquecendo estes mencionados gases e, consequentemente, aumentando a pressão interna do motor e produzindo trabalho.
Portanto, da descrição acima pode-se concluir que a presente invenção traz consigo importantes inovações e aperfeiçoamentos tecnológicos que interferem diretamente no rendimento do motor, além de reduzir elementos poluentes. Um importante avanço reside na árvore de manivelas (1) com três moentes por cilindro, bem como a defasagem entre moentes de um mesmo cilindro (3) e que aciona dois êmbolos (4 e 5) em um mesmo cilindro.
Outro fator inovador é o uso de êmbolo central (5) com furo central passante, sendo o motor acionado por bielas múltiplas (10 e 8'), trabalhando o cilindro central (5) dentro de outro cilindro (4), possuindo o mencionado cilindro central (5) câmara central (4"), separada da câmara principal (4'), de modo a permitir o trabalho de outro embolo, ou êmbolo principal (4) de maneira atrasada, permitindo, assim, se trabalhar com dois êmbolos (4 e 5) por cilindro acionados por uma única arvore de manivelas (1).
Outro fator inovador é o uso de uma câmara dupla, ou seja, com separação por movimento de um ou mais êmbolos (4 e 5); ou ainda uma câmara tripla, sendo uma principal (4'), uma câmara central (4"') e uma câmara do êmbolo (4"), dividida (4""), permitindo a combustão de mistura ar-combustivel em uma parte e troca térmica em outra (Fig. 6).
Ainda, a invenção traz consigo a real possibilidade de aproveitamento da energia potencial em descidas e frenagens para acionar compressor de ar. O ar acumulado fica armazenado em cilindros para posterior utilização na movimentação do mesmo veículo.
A presente invenção poderá, com a construção acima, ser aplicada a diversos tipos de motores, tanto no que tange ao número de ciclos do motor, como também em função do tipo de ignição empregada. Algumas possibilidades são descritas a seguir, sem, contudo, se limitar ao quanto exemplificado.
Motor três tempos a ignição por centelha
Neste tipo de motor, após a admissão do ar puro e fechamento das válvulas de admissão (V) e exaustão (V1), os êmbolos (4,5) acionados pela árvore de manivelas (1) descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS), comprimindo o ar. O embolo central (5) que trabalha adiantado e relação ao embolo principal (4) entra na pré-câmara central (4"') separando em dois a massa de ar admitido. Neste momento o combustível é injetado na câmara central misturando-se com o ar, formando a mistura ar-combustível, em seguida a mistura é inflamada pela centelha da vela de ignição. A queima da mistura ar-combustível dentro das câmaras central do êmbolo (4") e pré-câmara (4"') gera calor e expansão dos gases que empurram o embolo principal (4) rumo ao ponto morto inferior (PMI). No movimento rumo ao Ponto Morto inferior (PMI) o embolo central (5) sai da câmara central do êmbolo (4") e os gases quentes provenientes da combustão misturam-se com os gases frescos que ficaram isolados na câmara principal (4'), aquecendo-os. Neste momento, início de descida do embolo central (5) e final de subida do embolo principal (4) o volume da câmara se mantém constante permitindo a perfeita troca térmica entre os gases e melhor aproveitamento energético. A queima só ocorre nos gases contidos na pré-câmara central (4"'), porém ao se misturarem com os gases comprimidos pelo embolo principal (maior) (4) aquecem estes últimos, produzindo trabalho. O processo empurra ambos os êmbolos (4,5) rumo ao ponto morto inferior (PMI). Próximo do ponto morto inferior (PMI) a válvula de exaustão (V1) é aberta permitido com que os gases queimados saiam. No ponto morto inferior (PMI) do embolo central e ainda com a válvula de exaustão (V1) aberta abre-se a válvula de admissão (V), permitindo a entrada que ar fresco no cilindro (3). È desejável, para melhor rendimento, o uso de sobrealimentadores para forçarem a entrada de ar fresco no cilindro.
A válvula de exaustão (V1) é fechada no ponto morto inferior (PMI) porem a válvula de admissão (V) continua aberta por um ângulo pequeno da árvore de manivelas (1) para enchimento do cilindro. Com os êmbolos (4,5) deslocando-se rumo a o ponto morto superior (PMS) a válvula de admissão (V) é fechada iniciando a compressão do ar admitido e iniciando novamente o ciclo. Motor três tempos a ignição por compressão
Neste tipo de motor, após a admissão do ar puro e fechamento das válvulas de admissão (V) e exaustão (V1), os êmbolos acionados pela árvore de manivelas (1) descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS), comprimindo o ar, a rápida compressão dos gases e a relação de compressão bastante alta fazem com que os gases atinjam temperatura superior a 400 °C. Com o êmbolo central (5) no ponto morto superior (PMS) é injetado combustível dentro de câmara do embolo central (4"). O combustível se aquece rapidamente entrando em combustão. A queima do combustível misturado com o ar gera calor e expansão dos gases que empurram o embolo central (5) rumo ao ponto morto inferior (PMI). Durante o momento que descreve a descida do embolo central (5) e subida do embolo principal (4) o volume na câmara é constante permitindo a perfeita queima do combustível e aproveitamento da energia transformando-a em trabalho. O processo empurra ambos os êmbolos rumo ao ponto morto inferior (PMI). Próximo do ponto morto inferior a válvula de exaustão (V1) é aberta permitido com que os gases queimados saiam. No ponto morto inferior (PMI) do embolo central (5) e ainda com a válvula de exaustão (V1) aberta, abre-se a válvula de admissão (V), permitindo a entrada que ar fresco no cilindro. È desejável para melhor rendimento o uso de sobrealimentadores para forçarem a entrada de ar fresco no cilindro.
A válvula de exaustão (V1) é fechada no ponto morto inferior (PMI) porem a válvula de admissão (V) continua aberta por um ângulo pequeno da arvore de manivelas (1) para enchimento do cilindro. Com os êmbolos deslocando-se rumo a o ponto morto superior (PMS) a válvula de admissão (V) é fechada iniciando a compressão do ar admitido e reiniciando o ciclo. Motor a ignição por centelha ciclo cinco tempos
Admissão: Com a válvula de admissão (V) aberta e a de exaustão (V1) fechada os êmbolos central (5) e principal (4) descem rumo ao ponto morto inferior (PMI) admitindo ar fresco.
Compressão: no ponto morto inferior (PMI) dos êmbolos ocorre o fechamento da válvula de admissão (V) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) comprimindo ar admitido.
Combustão /expansão: O embolo central (5) trabalha adiantado e relação ao embolo principal maior (4) e quando próximo do final de seu curso entra na câmara central separando em dois a massa de ar admitido. Estando o embolo central (5) dentro da câmara central injeta-se combustível, que se mistura com o ar formando a mistura ar-combustível, em seguida a mistura é inflamada pela centelha da vela de ignição. A queima da mistura ar-combustível dentro das pré-câmaras central (4"') e do pistão menor (4") gera calor e expansão dos gases que empurram o embolo central (5) rumo ao ponto morto inferior (PMI).
Transferência de calor: No movimento rumo ao (PMI) o embolo central (5) sai da pré-câmara central (4"') e os gases quentes provenientes da combustão misturam- se com os gases frescos que ficaram isolados na câmara principal (4'), aquecendo- os. O processo empurra ambos os êmbolos rumo ao ponto morto inferior (PMI). A queima só ocorre nos gases contidos na pré-câmara central (4"'), porém ao misturarem com os gases comprimido pelo embolo principal (4) aquecem estes produzindo trabalho e ótimo aproveitamento térmico. Neste momento, início de descida do embolo central (5) e final de subida do embolo principal (4) o volume da câmara se mantém constante permitindo a perfeita troca térmica entre os gases e melhor aproveitamento energético.
Exaustão: No ponto morto inferior (PMI) abre-se a válvula de exaustão (V1 ) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) fazendo a expulsão dos gases queimados.
Motor quatro tempos a ignição por compressão
Admissão: Com a válvula de admissão (V) aberta e a de exaustão (V1) fechada os êmbolos central (5) e principal (4) descem rumo ao ponto morto inferior admitindo ar fresco.
Compressão: no ponto morto inferior (PMI) dos êmbolos ocorre o fechamento da válvula de admissão (V) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) comprimindo ar admitido.
Combustão /expansão: Após a admissão do ar puro e fechamento das válvulas de admissão (V) e exaustão, os êmbolos acionados pela árvore de manivelas (1) descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS), comprimindo o ar, a rápida compressão dos gases e a relação de compressão bastante alta fazem com que os gases atinjam temperatura superior a 400 °C. Com o êmbolo central no ponto morto superior é injetado combustível dentro da pré-câmara (4") do embolo central. O combustível se aquece rapidamente entrando em combustão. A queima do combustível misturado com o ar gera calor e expansão dos gases que empurram os êmbolos rumo ao ponto morto inferior (PMI). Durante o momento que descreve a descida do embolo central (5) e subida do embolo principal (4) o volume na câmara é constante permitindo a perfeita queima do combustível e aproveitamento da energia transformando-a em trabalho. O processo empurra ambos os êmbolos rumo ao ponto morto inferior (PMI). Próximo do ponto morto inferior a válvula de exaustão (V1) é aberta permitido com que os gases queimados saiam.
Exaustão: No ponto morto inferior (PMI) abre-se a válvula de exaustão (V1 ) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) fazendo a expulsão dos gases queimados.
Motor quatro tempos a ar-comprimido
Admissão: Com a válvula de admissão (V) aberta e a de exaustão (V1) fechada os êmbolos central (5) e principal (4) descem rumo ao ponto morto inferior (PMI) admitindo ar fresco.
Compressão: no ponto morto inferior (PMI) dos êmbolos ocorre o fechamento da válvula de admissão (V1) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) comprimindo ar admitido.
Combustão /expansão: Após a admissão do ar puro e fechamento das válvulas de admissão (V) e exaustão (V1), os êmbolos acionados pela árvore de manivelas (1) descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS), comprimindo o ar, a rápida compressão dos gases e a relação de compressão bastante alta fazem com que os gases atinjam temperatura superior a 400 °C. No início de descida do embolo central (5) e final de subida do embolo principal (4) o volume da câmara se mantém constante, então se injeta ar-comprimido dentro da câmara de combustão, o ar fresco injetado ao entrar em contato com o ar aquecido pela compressão aumenta de temperatura e a pressão interna aumenta violentamente empurrando ambos os êmbolos rumo ao ponto morto inferior (PMI) produzindo trabalho. Exaustão: No ponto morto inferior (PMI) abre-se a válvula de exaustão (V1) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) fazendo a expulsão dos gases queimados.
Motor hibrido: ar-comprimido e diesel (Fig. 7):
Admissão: Com a válvula de admissão (V) aberta e a de exaustão (V1) fechada os êmbolos central e principal descem rumo ao ponto morto inferior (PMI) admitindo ar fresco.
Compressão: no ponto morto inferior (PMI) dos êmbolos ocorre o fechamento da válvula de admissão (V) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) comprimindo ar admitido.
Combustão /expansão: O ar comprimido pela rápida redução de volume do cilindro se aquece atingido temperatura superior a 400 °C, então se injeta diesel dentro da câmara do embolo central (4"'), o combustível injetado ao entrar em contato com o ar aquecido pela compressão absorve calor e entra em combustão empurrando ambos os êmbolos rumo ao ponto morto inferior (PMI) produzindo trabalho. No início de decida do embolo central (5) e final de subida do embolo principal (4) o volume da câmara se mantém constante permitindo que a queima e expansão dos gases ocorra quando o volume da câmara é menor produzindo pressões elevadas e queima perfeita.
Em cargas leves ao invés de injetar diesel injeta-se ar-comprimido por meio de injetor próprio. O ar injetado mistura-se com os gases aquecidos pela compressão e se aquecem rapidamente aumentando a pressão interna e produzindo trabalho. Exaustão: No ponto morto inferior (PMI) abre-se a válvula de exaustão (V1) e os êmbolos descrevem movimento rumo ao ponto morto superior (PMS) fazendo a expulsão dos gases queimados.
É importante salientar que, o ar comprimido que é injetado dentro do cilindro, quando o motor esta em regime leve de trabalho, estará armazenado em cilindros fixados ao chassi do caminhão. Seu abastecimento pode ser feito por meio de compressores movidos a energia elétrica instalados em postos de combustíveis e também por meio de sistema de freio motor que será descrito abaixo:
Assim, ao descer ladeiras veículos pesados como caminhões necessitam utilizar freio motor para evitar superaquecimento em seu sistema de freio. O freio motor consiste em uma borboleta que obstrui a saída de gases de exaustão reduzindo a velocidade do veiculo. Neste caso coloca-se um compressor de duplo estagio ligado à transmissão final do veiculo, quando o motorista aciona o freio motor o compressor é acionado reduzindo a velocidade do veiculo e armazenando esta energia sob a forma de ar-comprimido em cilindros instalados no chassi do veiculo. Quando em velocidade baixa utiliza-se este ar para movimentar o veiculo. Também pode ser utilizado como implemento de força em subidas íngremes adicionando ar comprimido junto com o combustível aumentando a potência gerada.
Observações são relevantes no caso específico de dois tipos de motores, a saber: Motor ignição por compressão e Motor ignição por centelha, de acordo com as especificações abaixo:
Motor ignição por compressão: O motor acima descrito e suas variações podem fazer a queima de combustível de viscosidade alta como óleos vegetais e minerais (mamona, dendê dentro outros), pois devido ao longo período que ocorre quase sem variação de volume (aproximação do ponto morto superior (PMS) para o embolo central (5) até inicio de afastamento do ponto morto superior pelo embolo principal) permite com que o combustível injetado absorva calor, entre em combustão e expansão em um período longo sem perda de energia. Este período permite a perfeita queima de qualquer combustível pesado.
Motor ignição por centelha:
A separação da câmara principal feita quando o embolo central (5) entra na câmara central pode ocorrer antes que o sistema atinja o menor volume e consequentemente a maior pressão. O combustível injetado e queimado dentro das pré-câmaras central (4"') e do êmbolo central (4") não atingiu pressão suficiente para a detonação da mistura por compressão, isto é, autoignição que é extremamente prejudicial ao sistema, porém o embolo principal (4) continua subir aumentando a pressão fora das câmaras citadas. Quando o embolo central (5) sai da câmara central os gases provenientes da combustão se misturam aos gases que não participaram da queima aquecendo estes e produzindo trabalho. Desta forma é possível trabalhar com relações de compressão bastantes elevadas sem que ocorra o tão temido fenómeno da detonação, aumentando a eficiência energética deste motor.

Claims

REIVINDICAÇÕES
1) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, incluindo duto de admissão (D), válvula de admissão (V), injetor de ar (I) e válvula de exaustão (V1); CARACTERIZADO POR apresentar duas versões básicas, dentro do mesmo conceito, que é o de usar uma árvore de manivelas (1) com três moentes (2/11) por cilindro (3), existindo entre os referidos moentes (2) de um mesmo cilindro (3) uma defasagem angular permitindo acionar um êmbolo principal (4) e um êmbolo central (5); entre o êmbolo principal (4) e o êmbolo central (5) se forma a câmara principal (4'), ao passo que, no interior do êmbolo principal se configura a câmara do êmbolo (4") que, configura ainda prevista uma pré-câmara central (4"') no corpo do cilindro e, ainda, opcionalmente, uma pré-câmara central do êmbolo (4"").
2) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO POR a árvore de manivelas (1) receber três moentes por cilindro, existindo uma defasagem entre moentes de um mesmo cilindro (3) e que aciona dois êmbolos (4 e 5) em um mesmo cilindro; um moente (11) acopla a biela central (10') ao êmbolo central (5).
3) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO POR dois êmbolos dentro de um mesmo cilindro (3), sendo o êmbolo (4) denominado principal o maior e, o êmbolo (5) denominado central, menor; o êmbolo principal (4) trabalha diretamente em contato com o cilindro (3), delimitando uma câmara principal de combustão (4') e, em seu interior, existe um orifício passante (6) onde opera o êmbolo central (5).
4) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO POR o êmbolo principal (4) possuir na base alojamentos (8) onde são instaladas as bielas (8'), conectadas a estes por meio de pinos (9), sendo as referidas bielas (8') conectadas a árvores de manivelas (1), de modo a ligar esta última ao êmbolo principal (4); por outro lado, o êmbolo central (5) possui um orifício não passante em sua parte superior, que possui a função de pré- câmara (4"), ou seja, o local onde ocorre a combustão da mistura ar-combustível, estando ligado o êmbolo central (5) por meio de uma biela (10') à árvore de manivelas (1 ), incluindo sedes (8") para o moente superior (8"').
5) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO POR uso de uma câmara dupla, com separação por movimento de um ou mais êmbolos (4 e 5); ou ainda uma câmara tripla, sendo uma principal (4'), uma câmara central (4"') e uma pré-câmara central do êmbolo (4"), dividida (4""), permitindo a combustão de mistura ar-combustivel em uma parte e troca térmica em outra.
6) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, de acordo com a reivindicação 1 , CARACTERIZADO POR uso em motor três tempos a ignição por centelha; motor três tempos a ignição por compressão; motor a ignição por centelha ciclo cinco tempos; motor quatro tempos a ignição por compressão; motor quatro tempos a ar comprimido; motor híbrido: ar comprimido e diesel.
7) MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA APERFEIÇOADO, de acordo com as reivindicações 1 e 6, CARACTERIZADO POR aproveitamento da energia potencial em descidas e frenagens, para alimentar um compressor de ar.
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