PT107413A

PT107413A - Motor de combustão interna

Info

Publication number: PT107413A
Application number: PT107413A
Authority: PT
Inventors: Mário Rui Sanches Páscoa Vaz
Original assignee: Mário Rui Sanches Páscoa Vaz
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-17
Also published as: US20160326874A1; WO2015108430A4; WO2015108430A1

Abstract

ROTOR (2), QUE GIRA, POR FORÇA DA COMBUSTÃO E CONSEQUENTE EXPANSÃO DE GASES, INSERIDO NUM CILINDRO (1). POSSUI CAVIDADES QUE, AO GIRAR, EM CONJUGAÇÃO COM A ABERTURA E FECHO DE VÁLVULAS (3 E 4), VAI FORMANDO CÂMARAS QUE SE DESTINAM AOS PROCESSOS DE ADMISSÃO DE GASES, COMPRESSÃO, COMBUSTÃO E ESCAPE. O ROTOR TEM CAVIDADES QUE SE DESTINAM A ALBERGAR AS CÂMARAS DE ADMISSÃO E COMPRESSÃO (11) E CAVIDADES DIFERENCIADAS QUE SE DESTINAM A ALBERGAR AS CÂMARAS DE COMBUSTÃO E ESCAPE (9 E 10), OU SEJA, OS GASES SÃO ADMITIDOS E COMPRIMIDOS NUMA CÂMARA E TRANSFERIDOS PARA OUTRA CÂMARA, ONDE OCORRE A COMBUSTÃO E O ESCAPE. A PASSAGEM DOS GASES, JÁ COMPRIMIDOS, DA PRIMEIRA CÂMARA PARA A SEGUNDA EFETUA-SE ATRAVÉS DE UMA ABERTURA (5) NA PAREDE INTERNA DO CILINDRO. NESTA ABERTURA LOCALIZAM-SE AS VELAS DE IGNIÇÃO (6) E/OU OS INJETORES DE COMBUSTÍVEL, CONSOANTE O COMBUSTÍVEL A UTILIZAR.

Description

Descrição

Motor de Combustão Interna Área técnica da invenção

Os motores de combustão interna destinam-se a equipar máquinas tão diferenciadas como motosserras, navios, aviões a hélice ou comboios, contudo, a utilização mais notória e usual dos motores de combustão interna são os automóveis. 0 motor de combustão interna que aqui se apresenta pretende ser uma opção face aos restantes motores de combustão interna existentes.

Estado da técnica

Os motores de combustão interna mais difundidos são compostos pelo conjunto embolo-biela-cambota, que equipam a generalidade dos automóveis, utilizando combustíveis como a gasolina ou o diesel, sendo também conhecidos o motor Wankel (patenteado em 1933) e o motor Quasiturbine (patenteado em 1996).

Todos os motores acima referidos têm um ciclo de funcionamento comum: a admissão, compressão, combustão e escape. 0 motor de combustão interna que aqui se apresenta efetua o mesmo ciclo que os outros.

Os usuais motores, a dois ou quatro tempos, caracterizam-se pelo movimento do seu êmbolo, ser transmitido pelas bielas ao veio de manivelas ou cambota. Este mecanismo implica que o êmbolo do motor efetue sucessivos movimentos em sentidos opostos, o que, por si, representa um desperdício de energia, face a motores que recorram a rotores. 0 motor Wankel consiste num rotor aproximadamente triangular, que gira dentro de uma câmara oval, utilizando as extremidades do formato oval para permitir a expansão dos gases provocada pela combustão, provocando assim o movimento giratório ao rotor. As 3 extremidades do rotor têm de estar em permanente contato com a oval, implicando um percurso irregular de rotação do rotor, o que tem causado problemas de fiabilidade, que fizeram com que o ultimo automóvel com este tipo de motor tivesse deixado de se comercializado em 2009, apesar de se considerar que este motor atinge maiores performances que os motores tradicionais. O mesmo aproveitamento do formato oval do cilindro externo sucede com o Quasiturbine. O rotor do motor de combustão interna que aqui se apresenta gira no interior de um cilindro circular e não num cilindro oval como o Wankel e o Quasiturbine. Recorre a válvulas, cujo percurso se cruza com o do rotor, enquanto nos motores Wenkel e Quasiturbine não existem quaisquer mecanismos cujo percurso cruze o percurso dos seus rotores.

Uma das diferenças mais significativas do motor de combustão interna que aqui se apresenta, face aos restantes que possuem rotor, é a existência de câmaras destinadas exclusivamente às fases de admissão e compressão, e câmaras destinadas exclusivamente às fases de combustão e escape, existindo uma passagem que permite que os gases, já comprimidos, sejam transferidos das primeiras para as segundas.

Também se diferencia dos motores Wankel e Quasiturbine por estes necessitarem de girar 360° para completarem o seu ciclo de funcionamento, enquanto o motor de combustão interna que aqui se apresenta pode necessitar de apenas 180° se o rotor possuir dois conjuntos de câmaras de admissão/compressão e combustão/escape e o cilindro exterior possuir dois conjuntos de válvulas e respetivas aberturas de passagem de gases comprimidos para as câmaras de combustão. Caso o motor disponha de um número superior de conjuntos de válvulas e de câmaras, então pode completar um ciclo completo percorrendo um menor número de graus.

Sumário da Invenção O motor de combustão interna que aqui se apresenta é composto pelo cilindro que alberga o rotor e as válvulas. O cilindro e o rotor encontram-se ligados por chumaceiras, ou mecanismos similares, que permitam a rotação do rotor, sempre no mesmo sentido, no interior do cilindro. As câmaras de admissão, compressão, combustão e escape são constituídas pelos espaços criados entre o rotor e o cilindro exterior, coordenados com a abertura e fecho das válvulas. 0 cilindro possui ainda janelas para admissão e escape dos gases. 0 percurso das válvulas cruza o percurso do rotor, pelo que estas peças funcionam de forma coordenada, por forma a assegurar os processos de admissão, compressão, combustão e escape. A particularidade do motor de combustão interna que aqui se apresenta é a de ter câmaras talhadas no rotor, destinadas a efetuar a admissão e a compressão e câmaras diferenciadas para proceder à combustão e ao escape. A cada câmara de admissão/compressão corresponde uma câmara de combustão/escape. Cada rotor pode alojar um, dois, ou múltiplos conjuntos de câmaras admissão/compressão e igual número de câmaras de combustão/escape. 0 início do ciclo de funcionamento verifica-se com o processo de admissão. Ao girar, no sentido do seu funcionamento, a cavidade do rotor cria um espaço a seguir às válvulas de admissão/compressão. Uma vez que, nessa posição, as janelas de admissão se encontram abertas, tal espaço é preenchido pelos gases de admissão. 0 rotor continua a girar, até, no seu percurso circular, atingir a próxima válvula de admissão/compressão e só aí estes gases serão comprimidos, dado o fecho dessa válvula de admissão/compressão. Imediatamente antes desta válvula, existe um espaço, no cilindro, que permite que, no final da compressão, estes gases comprimidos, sejam transferidos para a câmara em que vai decorrer a combustão. Este espaço, câmara de combustão, é criado pelo fecho da válvula de combustão/escape. Com a combustão e a consequente expansão dos gases, o rotor é forçado a girar no sentido do seu funcionamento porque, nesta fase, a válvula de combustão/escape encontra-se fechada, ou seja, mais próxima do eixo do rotor, e impedida de abrir livremente. Com a combustão, a câmara de combustão vai maximizar o seu volume e girar até atingir a próxima saída de escape, onde os gases resultantes da combustão serão expelidos para o exterior do cilindro, dado o fecho da válvula de combustão/escape, ou seja, esta válvula desloca-se no sentido do centro do motor, conjugado com a progressiva diminuição do volume da câmara de escape, obtido pela continuidade do movimento do rotor. A fase de escape conclui o ciclo de funcionamento, não obstante, enquanto decorre um ciclo, outros ciclos se podem iniciar, inclusive, em simultâneo.

No caso das Fig.l a 5, que se anexam, são utilizados dois conjuntos de câmaras em cada rotor, pelo que dois ciclos se iniciam em simultâneo.

Descrição da concretização preferida A fim de ser mais compreensível a descrição do motor de combustão interna que aqui se apresenta, recorremos à

Fig.l, que representa o motor em corte, pelos tracejados a traço-ponto. Assim, em todas as figuras, a representação que se encontra mais à esquerda, ou mais abaixo na página, consoante o sentido de leitura, mostra as janelas de admissão e a que se encontra mais à direita, ou mais acima, as janelas de escape, situadas na base oposta do cilindro. Consequentemente, a representação do rotor da esquerda, ou mais abaixo na página, gira no sentido dos ponteiros do relógio e a representação da vista oposta, gira no sentido anti-horário, tal como assinalado pelas setas existentes nas Fig.2 a 5. 0 funcionamento do motor de combustão interna que aqui se apresenta, tem como base um rotor (2), que gira sobre o seu próprio eixo, inserido num cilindro (1) que tem o seu eixo coincidente com o eixo do rotor. 0 rotor possui cavidades que se destinam executar os processos admissão, compressão, combustão e escape, estando estes processos conjugados com o movimento das válvulas, (3) e (4), através do recurso a uma árvore de carnes ou qualquer outro mecanismo que a possa substituir, e por esse motivo, não representado nas figuras que se anexam.

Existem outros sistemas, de que o motor de combustão interna que aqui se apresenta não pode prescindir, igualmente não representados nas figuras, como por exemplo, o sistema de lubrificação, de arrefecimento, ou o elétrico, uma vez que, o que se pretende aqui apresentar é o conceito de funcionamento do motor de combustão interna que aqui se apresenta.

No rotor (2), nas câmaras em que decorrem as fases de admissão e compressão existem paredes laterais que impedem que alguma vez estas câmaras se exponham às janelas de escape (8). Nas câmaras onde ocorrem a combustão e o escape, existem paredes laterais que impedem que estas câmaras se exponham às janelas de admissão (7), ou seja, as admissões são efetuadas numa das bases do cilindro e os escapes na base oposta. É no cilindro externo que existem as janelas que permitem a entrada de gases de admissão e saída de gases de escape bem como cavidades (5) que, em determinadas posições do rotor, permitem a passagem dos gases comprimidos da câmara de admissão/compressão para a câmara de combustão/escape. Tais cavidades, além de permitirem a passagem dos gases comprimidos, alojam a vela de ignição (6), nos casos em que o combustível a isso obriga, como no caso da utilização de gasolina, e/ou os injetores de combustível, caso se opte por este tipo de alimentação, muito usual nos motores que utilizam combustíveis como o gasóleo.

Este motor de combustão interna que aqui se apresenta recorre a duas válvulas por cada conjunto de câmaras de admissão/compressão (11) e combustão(9)/escape(10). Uma dessas válvulas fecha, ou seja, movimenta-se no sentido do centro do motor, quando decorre a combustão e escape e a outra válvula fecha na fase admissão e compressão. Assim podemos designar as primeiras por válvulas de admissão/compressão (3) e as segundas por válvulas de combustão/escape (4).

As válvulas, assim como o rotor, ocupam todo a largura do cilindro, entre bases, de forma a impossibilitar a passagem de gases entre câmaras, exceto pelos orifícios de passagem de gases comprimidos (5) , destinados precisamente a esse efeito.

As Fig.l a 5 espelham o funcionamento de um motor de combustão interna que aqui se apresenta, que recorre ao ciclo de Otto (ignição por faísca) utilizado nos motores que recorrem à gasolina como combustível, pelo que, nos desenhos, estão representadas as velas de ignição (6) nos orifícios de passagem de gases comprimidos, entre cada um dos conjuntos de válvulas (3 e 4).

Nos motores convencionais, a taxa de compressão dos gases de admissão, caso o combustível seja gasolina, situa-se usualmente entre 8:1 e 12:1, ou seja, a câmara de admissão tem um volume entre 8 e 12 vezes maior que o volume da câmara em que ocorre a ignição. No caso dos motores que utilizam como combustível o gasóleo, as velas são desnecessárias, recorrendo-se ao ciclo do Eng.° Rudolf Diesel (ignição por compressão) e o desenho das câmaras é redimensionado para que a taxa de compressão se situe entre os valores 15:1 e 25:1 em vez de entre 8:1 e 12:1 como no caso da gasolina. A Fig.l mostra o motor de combustão interna que aqui se apresenta, em corte, pelas linhas a traço-ponto, podendo-se observar, na representação mais à esquerda, o lado em que se veem as janelas de admissão, estando estas completamente expostas, dada a posição do rotor, pelo que desenhadas a traço contínuo e apenas a tubagem de admissão (12) se encontra oculta, pelo que está representada a tracejado. No centro, pode-se ver o conjunto, em corte, sendo possível observar uma das duas tubagens de gases de admissão (12) e uma das duas tubagens de gases de escape (13) . Atente-se que, nesta posição do rotor e de corte, existe um pequeno espaço entre o rotor e o cilindro, representando a câmara de escape bem como a parede que aí existe, que impede que esta câmara alguma vez se exponha às janelas de admissão. Na representação mais à direita desta Fig.l, podemos observar as janelas de escape parcialmente encobertas pelo rotor. As partes encobertas estão representadas a tracejado, tal como todas as invisibilidades, face à perspetiva em causa, não apenas nesta Fig.l como em todos os restantes desenhos.

As Fig.2 a 5 são menos detalhados mas servem para ajudar a explicar o funcionamento do motor de combustão interna que aqui se apresenta. A posição em que se encontra o rotor na Fig.l é a posição em que as velas provocam a ignição de onde se segue a consequente combustão e expansão dos gases, fazendo com que o rotor gire no sentido dos ponteiros do relógio se estivermos a observar a base do cilindro em que vemos as janelas de admissão, ou seja, a representação do lado esquerdo (ou inferior). Obviamente que, se atendermos à representação do lado direito, o rotor gira no sentido inverso ao dos ponteiros do relógio.

Nesta posição do rotor, as válvulas de combustão/escape encontram-se na posição fechada, ou seja, mais próximo do eixo do rotor, e a sua total abertura face à expansão dos gases de combustão é impedida pela existência de um mecanismo de comando, como por exemplo, uma árvore de carnes. Se numa das faces dessas válvulas decorre a ignição, na outra face das mesmas válvulas decorre a fase de escape, uma vez que as janelas de escape se encontram abertas e as válvulas fechadas, impedindo que os gases de escape permaneçam no interior do motor.

Ainda na Fig.l, as válvulas de admissão/compressão encontram-se totalmente abertas, permitindo a passagem das extremidades do rotor, tal como as duas janelas de admissão, permitindo a entrada dos gases de admissão.

Na Fig.2 podemos observar que a expansão dos gases, dada a combustão, já provocou a rotação do rotor em cerca de 45°, mas as câmaras de combustão ainda não atingiram o seu volume máximo. As combustões decorrem, nesta fase, frente às janelas de admissão, mas dadas as paredes laterais das câmaras de combustão, no lado das janelas de admissão, estas janelas encontram-se tapadas, pelo que representadas a tracejado. Verifica-se também que, desde o momento da ignição, as válvulas de combustão/escape abrem progressivamente, porque o seu mecanismo de comando a isso obriga. Nesta fase do ciclo do motor, o processo de escape já está quase concluído. Quanto às válvulas de admissão/compressão permanecem totalmente abertas desde o momento da ignição.

Na Fig.3, o rotor percorreu cerca de 125°. Nesta fase as válvulas de admissão/compressão iniciam o seu fecho, iniciando a compressão dos gases de admissão anteriormente admitidos, nas Fig.l e 2. Nesta fase já se iniciou o processo de escape uma vez que as câmaras de combustão/escape já atingiram as janelas de escape.

Na Fig.4, o rotor percorreu cerca de 145° e decorre a fase de compressão dos gases de admissão. Nesta fase o rotor terá de contar com a energia cinética acumulada para proceder à compressão total dos gases de admissão ou à energia libertada por outros rotores se o motor possuir mars do que um. Enquanto à frente das válvulas de admissão são comprimidos os gases admitidos anteriormente, atrás dessas mesmas válvulas expõem-se as janelas de admissão, que evitam qualquer efeito de vácuo entre as válvulas e o rotor, procedendo-se a nova admissão de gases. 0 processo de extração de gases de escape continua.

Na Fig.5, o rotor já percorreu cerca de 175°. As válvulas de combustão/escape iniciam o seu fecho, enquanto as válvulas de admissão/compressão já estão quase totalmente abertas. Nesta fase, a extremidade do rotor atinge o orificio que permite que os gases de admissão, comprimidos, transitem da câmara de admissão/compressão para a câmara de combustão/escape. A partir deste ponto, quando o rotor percorre 180°, volta ao momento da Fig.l, dada a sua simetria.

No caso dos desenhos apresentados o motor de combustão interna que aqui se apresenta cumpre todo o seu ciclo tendo o rotor girado 180°, ou seja, meia volta, uma vez que, para completar a rotação, ou seja, 360°, repete todo o processo. Assim, em cada volta completa do rotor ocorrem duas combustões em cada uma das duas câmaras de combustão. Caso o motor apresentasse três conjuntos de câmaras de admissão/compressão e combustão/escape assim como três conjuntos de válvulas admissão/compressão e compressão/escape bem como três conjuntos de janelas de admissão e de escape, poderia completar o seu ciclo em 1/3 de volta, ou seja, numa volta completa, cada câmara de combustão teria efetuado três vezes o processo de combustão. O ciclo completo deste motor de combustão interna que aqui se apresenta é tanto menor, em graus de rotação do rotor, quanto maior o número de conjuntos de câmaras de admissão/compressão e compressão/escape e respetivos restantes mecanismos, como conjuntos de válvulas e janelas, de que dispõe.

Este motor, dependendo da sua dimensão, é aplicável industrialmente em equipamentos como motosserras, motociclos, automóveis, camiões, geradores, comboios, aviões, navios e em todos os restantes equipamentos que atualmente utilizam motores de combustão interna.

Torres Vedras, 29 de Março de 2014

Claims

Reivindicações 1 - Motor de combustão interna, caracterizado por ter um rotor (2) que gira, sempre no mesmo sentido, no interior de um cilindro (1), possuindo cavidades destinadas a servir como câmaras de admissão e compressão (11), e cavidades destinadas a servir como câmaras de combustão (9) e escape (10), sendo estas câmaras constituídas pelos espaços criados entre o rotor e o cilindro exterior, conjugados com a abertura e fecho das válvulas (3 e 4), pelo que o cilindro alberga o rotor e as válvulas e contempla espaços ou aberturas para o funcionamento destas e aberturas que permitem a entrada dos gases de admissão (7) e a saida dos gases de escape (8), ou seja, o inicio do ciclo de funcionamento verifica-se com o processo de admissão, uma vez que, ao girar, no sentido do seu funcionamento, a câmara de admissão/compressão (11) cria um espaço a seguir às válvulas de admissão/compressão (3), que se encontra fechada, ou seja, mais próximo do eixo do rotor, e nessa posição, a janela de admissão (7) encontra-se aberta, pelo que, tal espaço é preenchido pelos gases de admissão, seguidamente, o rotor continua o seu percurso giratório, e estes gases são comprimidos pela próxima válvula de admissão/compressão encontrada no seu percurso, dado o fecho dessa válvula de admissão/compressão (3) e a continuidade do movimento giratório do rotor, contudo, imediatamente antes desta válvula, existe uma passagem de gases (5), que permite que, no final do processo de compressão, estes gases comprimidos, sejam transferidos para a câmara em que vai decorrer a combustão e este espaço, designado como câmara de combustão (9), é criado pelo fecho da válvula de combustão/escape (4) e é ai que decorre a ignição, por faisca ou por compressão, que provoca a combustão e a consequente expansão dos gases, sendo o rotor forçado a girar no sentido do seu funcionamento porque, nesta fase, a válvula de combustão/escape encontra-se fechada, ou seja, mais próxima do eixo do rotor, e impedida de abrir livremente, assim, após a combustão, a câmara de combustão vai maximizar o seu volume, provocando a rotação do rotor, até atingir a próxima janela de escape (8), onde os gases resultantes da combustão serão expelidos do interior do motor, dado o fecho da válvula de combustão/escape, e a progressiva diminuição do volume da câmara de escape (10), obtido pela continuidade do movimento do rotor, sendo que, a fase de escape conclui o ciclo de funcionamento, não obstante, enquanto decorre um ciclo, outros podem decorrer ou iniciar, inclusivamente, em simultâneo.
2 - Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por o rotor e o cilindro terem um, dois ou mais conjuntos de câmaras de admissão/compressão e de combustão/escape, assim como aberturas para passagem de gases das primeiras para as segundas câmaras, respetivamente.
3 - Motor de combustão interna, de acordo com as reivindicações n.° 1 e n.° 2, caracterizado por poder funcionar com diversos combustíveis, desde que as câmaras, sejam desenhadas e dimensionadas para provocar as taxas de compressão adequadas ao combustível a utilizar.
4 - Motor de combustão interna, de acordo com as reivindicações n.° 1, n.°2 e n.° 3, caracterizado por as câmaras de admissão/compressão e combustão/escape, poderem assumir diversas curvaturas, dimensões e proporções.
5 - Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por as janelas de admissão e de escape, se situarem nas superfícies planas do cilindro, na superfície curva do cilindro, nas válvulas de admissão e escape, ou conjugadas com a abertura e fecho destas.
6 - Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação n.° 1 e n.° 5 caracterizado por as válvulas, serem comandadas por árvores de carnes ou por qualquer outro mecanismo que produza os mesmos efeitos.
7 - Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação n.° 1, n.° 5 e n.° 6, caracterizado por as válvulas, poderem apresentar diversos formatos.
8 - Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por a admissão e escape poderem ser do tipo atmosférico ou recorrer a mecanismos de compressão, como compressores atmosféricos, turbos, ou qualquer outro sistema utilizado nos restantes tipos de motor.
9 - Motor de combustão interna, de acordo com a reivindicação n° 1, caracterizado por ter um ou vários cilindros e respetivos rotores, da mesma forma que, atualmente existem motores monocilindricos usualmente em motociclos e motores que são constituídos por vários cilindros e respetivos êmbolos, usualmente em automóveis. Torres Vedras, 29 de Março de 2014