Lo reclamado es:
1. Un método para equilibrar dinámicamente un motor de tipo v que tiene un patrón de disparo de grados irregulares e incluye un cigüeñal que tiene al menos un cigüeñal y al menos dos conjuntos de pistón, al menos dos barras de conexión para conectar los conjuntos de pistón al cigüeñal, Comprendiendo el método:
(A) colocar el cigüeñal en una máquina equilibradora giratoria;
(B) fijar un par de discos estáticamente equilibrados a extremos opuestos del cigüeñal, siendo el radio de cada disco mayor que el radio del cigüeñal y la masa combinada de los dos discos mayor que la masa del cigüeñal;
(C) fijar pesos de bobina al cigüeñal, siendo el peso de los pesos de bobina igual al cien por ciento del peso giratorio del conjunto de manivela / biela / pistón más el cincuenta y cinco por ciento del peso alternativo de la biela / biela / Pistón de montaje;
(D) hacer girar el cigüeñal y los discos acoplados en la máquina de equilibrado para determinar si existe algún desequilibrio dinámico; y
(E) retirar o añadir peso al cigüeñal para compensar el desequilibrio dinámico del cigüeñal.
Descripción:
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere en general a un método para producir un tipo de motor alternativo que tiene un patrón de disparo de grados irregulares, y más particularmente a un método para equilibrar un cigüeñal en dicho motor.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Desde la crisis del petróleo de principios de los setenta, ha habido una creciente demanda de automóviles más pequeños y más eficientes en combustible. Los fabricantes de automóviles en los Estados Unidos han respondido a esta demanda mediante la introducción de vehículos impulsados por motores de cuatro cilindros de diseño reciente. Estos nuevos diseños representan la considerable inversión en instalaciones de diseño, desarrollo y fabricación por parte de los fabricantes de automóviles y sus proveedores. Estos incrementos de costes sólo pueden recuperarse trasladándolos al consumidor.
Los vehículos más pequeños se deben diseñar con los compartimientos más pequeños del motor que no pueden acomodar los motores de seis y de ocho cilindros producidos comúnmente por la industria de automóvil de Estados Unidos durante los últimos 40 años. Las familias de motores desarrolladas para los vehículos más pequeños a menudo son diseños completamente nuevos que son intrínsecamente costosos. Con el fin de satisfacer las expectativas de rendimiento del cliente, los fabricantes han aumentado el desplazamiento del motor, pero con el aumento del desplazamiento, los motores de cuatro cilindros tienen características de vibración duras. La práctica actual es amortiguar estas características de vibración con la adición de ejes de equilibrado, pero estos ejes aumentan el peso del motor, aumentan el costo de producción y consumen cierta energía en su operación que compromete en gran medida el valor de los cuatro Diseño del cilindro. La otra alternativa, un pequeño motor de desplazamiento de 60 grados V-6, es una solución aún más costosa.
Bajo el método actual para equilibrar los cigüeñales del motor, el requisito es equilibrar de forma estática primero el cigüeñal, sin tener en cuenta el peso del conjunto de pistón y biela antes de equilibrar dinámicamente el cigüeñal, colocando así un límite superior de 2.000 centímetros cúbicos sobre el total Desplazamiento de los motores de cuatro cilindros. El económico inherente en la producción de un desplazamiento verdaderamente grande cuatro o incluso motor de dos cilindros se ha considerado como imposible o impráctico para lograr utilizando procedimientos de equilibrio actuales.
RESUMEN Y OBJETOS DE LA INVENCIÓN
Después de mucha investigación sobre el problema mencionado anteriormente, el presente método se ha desarrollado para diseñar y producir combustión interna, motores alternativos con menos cilindros, pero con un desplazamiento total del motor igual a motores más grandes actualmente en uso en la industria automotriz. Esto se logra aumentando las dimensiones del diámetro y de la carrera y eliminando una serie de cilindros en un bloque de motor, de manera que un motor de dos cilindros pueda tener el mismo desplazamiento y la potencia de caballo de un motor de cuatro cilindros. Para compensar las fuerzas vibratorias incrementadas que resultan del aumento de la masa de las piezas de vaivén y del disparo desigual de los cilindros, se ha desarrollado un nuevo método para equilibrar dinámicamente el cigüeñal del motor.
A la vista de lo anterior, es un objeto de la presente invención reducir el coste de fabricación y montaje de motores de combustión interna del tipo alternativo.
Otro objeto de la presente invención es reducir el tamaño y simplificar el peso de tales motores reduciendo el tamaño del bloque motor y los componentes auxiliares (cabezas de cilindro, admisión, colector de escape, cigüeñal).
Otro objetivo es simplificar el diseño del motor reduciendo el número de piezas móviles necesarias, reduciendo así el coste de fabricación, montaje e instalación.
Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método para equilibrar las fuerzas de rotación y de movimiento alternativo que actúan sobre el cigüeñal del motor permitiendo que funcione suavemente.
Otro objeto de la presente invención es aumentar la eficiencia de los motores de combustión interna a través de una reducción en las pérdidas de bombeo del cilindro que son posibles eliminando un número de cilindros necesarios para un desplazamiento dado.
Otros objetos y ventajas de la presente invención resultarán evidentes y evidentes a partir de un estudio de la siguiente descripción y de los dibujos adjuntos que son meramente ilustrativos de tal invención.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
HIGO. 1 es una vista en sección transversal de un motor de tipo V producido de acuerdo con la presente invención;
HIGO. 2 es una vista en planta desde arriba, con la cabeza de cilindro retirada;
HIGO. 3 es una vista en planta superior lateral de un distribuidor utilizado en conexión con el motor;
HIGO. 4 es una vista en alzado lateral del motor;
HIGO. 5 es una vista en alzado de un árbol de levas utilizado en conexión con el motor; y
HIGO. 6 es una vista en alzado de un cigüeñal utilizado en conexión con el motor.
HIGO. La figura 7 es un alzado frontal de una máquina equilibradora con un cigüeñal montado en ella;
HIGO. La figura 8 es una sección transversal del equilibrador con un cigüeñal montado en el mismo.
DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION
Con referencia adicional a los dibujos, se muestra un ejemplo de un motor 10 que se produjo de acuerdo con la presente invención. La construcción de este motor es similar a la del estándar de ocho cilindros, tipo V-motor en uso en la actualidad. Las similitudes entre los dos diseños permitirían a los fabricantes utilizar muchos componentes estándar, materiales y máquinas herramienta ya en uso con los motores de la industria automotriz actual.
Con referencia ahora a la FIG. Como se muestra en la figura 1, el motor 10 de tipo V incluye un bloque de motor 12 que tiene un cárter inferior 14 y bancos de dos cilindros 16 dispuestos a 90 grados uno con respecto al otro.
Cada banco de cilindros 16 incluye un solo cilindro 18. El diseño del bloque de motor 12 es sustancialmente el mismo que el motor de tipo V más grande en el presente uso. Un cigüeñal 20 que incluye una rueda dentada de cigüeñal formada integralmente y un único cigüeñal 24 montado dentro del cárter 14 de la manera normal de tales motores. Un pistón alternativo 28 está dispuesto dentro de cada cilindro 18 y conectado al cigüeñal 20 por medio de una biela 32. En la presente invención, el cigüeñal incluye un único manivela 24 y un larguero al cual las varillas de conexión 32 de cada pistón 28 están adjunto. Esto crea un cigüeñal más simple, más fuerte y menos costoso que uno en el que los tirantes para cada biela de pistón 32 están separados y desplazados. Este cigüeñal de articulación única 20 dará lugar a un orden de disparo de grado irregular que normalmente daría como resultado una vibración sustancial durante el funcionamiento. Sin embargo, un nuevo método para equilibrar dinámicamente el cigüeñal 20 del motor de dos cilindros elimina esta vibración y hace posible un funcionamiento normal y suave con grandes taladros de cilindro. Este método de equilibrado se discute más detalladamente en las partes subsiguientes de esta memoria descriptiva.
Un par de cabezas de cilindro 34 están montadas en la parte superior de los respectivos bancos de cilindros 16 mediante pernos de cabeza 36. La cabeza de cilindro 34 cierra el extremo superior de los cilindros 18 e incluye una pluralidad de aberturas de máquina. Más particularmente, la culata de cilindro 34 incluye una abertura de válvula de admisión 40 y una abertura de válvula de escape 42 que comunican con cada cilindro 18. Una válvula de admisión 44 y una válvula de escape 46 están montadas respectivamente dentro de la abertura 40 de válvula de admisión y la abertura 42 de válvula de escape Y se accionan para abrir y cerrar el mismo. La válvula de admisión 44 y la válvula de escape 46 están abiertas y cerradas por un árbol de levas 48.
El árbol de levas 48 está montado dentro del bloque de motor 12 entre los bancos de cilindros 16. El árbol de levas 48 incluye una pluralidad de levas 50 que tienen secciones elevadas o lóbulos 52. El número de levas 50 en el árbol de levas 48 depende, por supuesto, del número de Válvulas de admisión y escape en el motor. El árbol de levas 48 de la presente invención tiene sólo cuatro levas 48 para accionar dos válvulas de admisión 40 y dos válvulas de escape 42. (figura 3)
Montando sobre cada excéntrica 50 hay un empujador de válvula cilíndrico 54. A medida que el árbol de levas 48 gira y el lóbulo 52 se mueve bajo el empujador de válvula 54, el empujador de válvula 54 se eleva. El empujador de válvula 54 se acopla a su vez a un vástago de empuje 56 que se extiende entre el empujador de válvula 54 y un brazo oscilante 58 montado en la cabeza de cilindro 34. El empujador 56 empuja el brazo basculante 58 hacia adelante, Según sea el caso, de manera que la válvula se levante de su asiento y de manera que la válvula se abra. Cuando el lóbulo 52 de la leva se desplaza hacia fuera, la presión del resorte de válvula 60 en la válvula fuerza a la válvula a volver a encajar. Al mismo tiempo, el empujador de válvula 54 es forzado hacia abajo de manera que permanece en contacto con la leva 50.
Se apreciará que las válvulas de admisión y de escape 44 y 46 deben abrirse y cerrarse en el paso con el movimiento del pistón 28. La apertura y el cierre de las válvulas está controlado por el árbol de levas 48 como se ha descrito anteriormente. La posición del pistón 28 está relacionada con la posición del cigüeñal 20 ya que están conectados por la biela 32. De este modo, la rotación del cigüeñal 20 y del árbol de levas 48 debe sincronizarse para un sincronismo de válvula apropiado.
Con el fin de conseguir un sincronismo de válvula adecuado, un engranaje de árbol de levas se gira alrededor del extremo delantero del árbol de levas 48. El engranaje del árbol de levas puede engranarse con el piñón del cigüeñal 22, pero más comúnmente están conectados por una cadena de distribución. En cualquier caso, el movimiento del árbol de levas 48 y del cigüeñal 20 está sincronizado. El engranaje de árbol de levas es generalmente el doble de grande que el piñón de cigüeñal 22 de manera que el cigüeñal 20 haga dos rotaciones completas para cada rotación del árbol de levas 48. Así, las válvulas se abren sólo una vez cada dos revoluciones del cigüeñal
Un colector de admisión 66 distribuye una mezcla de gasolina y aire a cada cilindro 18 a través de la abertura de la válvula de admisión 40. Un carburador 68 está montado en la parte superior del colector de admisión 66. El movimiento descendente del pistón 28 dentro del cilindro 18 produce un vacío parcial en el Cilindro y tiende a tirar del aire a través del carburador 68 y del colector de admisión 66. A medida que el aire se mueve a través del carburador 68, recoge partículas atomizadas de gasolina. La mezcla de gas / aire es empujada a continuación a través del colector de admisión 66 más allá de una válvula de admisión abierta 44 en el cilindro 18. El encendido de la mezcla de gas / aire en el cilindro 18 mueve el pistón 28 hacia abajo dentro del cilindro 18 que a su vez hace girar el cigüeñal 20 como Se describirá con más detalle a continuación. A medida que el pistón 28 se desplaza hacia arriba dentro del cilindro 18, los gases quemados son forzados a pasar por la válvula de escape 46 ya través del colector de escape 70 que también está asegurado a las cabezas de cilindro 34.
La mezcla de gas / aire dentro de cada cilindro 18 es encendida por una bujía 72 atornillada en una abertura roscada formada en la culata de cilindro 34. Las sobretensiones de alto voltaje producidas por una bobina de encendido son dirigidas a las respectivas bujías 72 en un orden de encendido apropiado por un distribuidor 76. El distribuidor 76 incluye un rotor montado en la parte superior de un eje distribuidor y una tapa distribuidora 82 que tiene una pluralidad de terminales de alta tensión 84. El terminal central de alta tensión 84 está conectado mediante un cable de alta tensión a una bobina de encendido. Los terminales exteriores están conectados por hilos de bujía a respectivas bujías de encendido 72. A medida que el rotor 78 gira, conecta en secuencia los terminales de alta tensión central a los diversos terminales externos de alta tensión que dirigen el aumento de tensión de la bobina a la chispa de motor Enchufes 72.
Se aprecia que la sincronización de la chispa debe ser sincronizada con el movimiento de las válvulas y el pistón 28. Típicamente, esto se hace engranando un engranaje en el eje del distribuidor con un engranaje en el árbol de levas 48 de tal manera que el eje del distribuidor es accionado por El árbol de levas 48.
El modo de funcionamiento de tales motores es bien conocido por los expertos en la técnica, pero se describe brevemente a continuación. Esta operación del motor se divide en cuatro ciclos, que se llaman golpes. El primer golpe se denomina carrera de admisión. Durante esta carrera, el pistón 28 se mueve hacia abajo dentro del cilindro 18 y la válvula de admisión 44 está abierta. El movimiento descendente del pistón 28 crea un vacío parcial dentro del cilindro 18 que tira de una mezcla gas / aire desde el carburador 68 más allá de la válvula de admisión abierta 44 en el cilindro 18. Cuando el pistón 28 se acerca al fondo de su carrera de admisión, 44 se cierra. La carrera de compresión comienza con el pistón 28 moviéndose hacia arriba dentro del cilindro 18 con la válvula de admisión 44 y la válvula de escape 46 cerradas. El movimiento ascendente del pistón 28 comprime la mezcla de gas / aire a aproximadamente una décima parte de su volumen original haciéndolo más combustible. A medida que el pistón 28 alcanza la parte superior de la carrera de compresión, una corriente de alta tensión es dirigida desde la bobina de encendido a la bujía 72 por el distribuidor 76. La chispa resultante enciende la mezcla de gas / aire dentro del cilindro. El calor de combustión provoca la expansión forzada de los gases que empujan el pistón 28 hacia abajo. La fuerza hacia abajo es llevada a través de la biela 32 al cigüeñal 20, que se da un giro potente. Esto se llama el golpe de poder. Cuando el pistón 28 alcanza el fondo de su carrera de potencia, la válvula de escape 46 se abre. La carrera de escape comienza con el movimiento hacia arriba del pistón 28 que fuerza a los gases quemados a pasar por la válvula de escape 46 dentro del colector de escape 68.
La descripción anterior describe los componentes mecánicos básicos de un motor de tipo V. Además, el motor debe incluir un sistema de suministro de combustible, un sistema de refrigeración, un sistema de lubricación y un sistema de encendido. Los componentes y operaciones de cada uno de los sistemas mencionados anteriormente son bien conocidos por los expertos en la técnica y están fácilmente disponibles comercialmente. Además, el motor incluiría un colector de aceite 26 montado en la parte inferior de la caja de cigüeñal 14, y una cubierta de válvula 38 montada en cada cabeza 34.
El bloque 12 de la presente invención utiliza la dimensión del agujero, pistones, anillos, brazaletes, bielas y cojinetes de un motor de 400 cúbicos Cheverolet V-8 y desplaza 94 pulgadas cúbicas. El cigüeñal 20 comparte un tiro idéntico 24 con el de un cigüeñal estándar V-8 Cheverolet, pero es mucho más corto. (Figura 4) Similarmente, el árbol de levas 48 requiere sólo cuatro lóbulos 50 en comparación con un árbol de levas V-8 y sus 16 lóbulos. (Figura 3) El distribuidor 76 de la presente invención no es más que un distribuidor de material para un motor V-8 que tiene seis de los ocho terminales exteriores 84 eliminados.
Las piezas modificadas descritas anteriormente pueden fabricarse con moldes, matrices y útiles existentes con pocas modificaciones. Un cambio en el diseño, sin embargo, tendrá que ser hecho para que el motor V-2 funcione suavemente o esté libre de vibraciones. Este cambio se encuentra en el procedimiento de equilibrado normalmente utilizado para un cigüeñal de motor de tipo V.
El motor V-8 es un motor de encendido de grado par. En otras palabras, uno de los ocho cilindros se disparará cada vez que el cigüeñal 20 gire a noventa grados. Este sistema de disparo de grado uniforme permite al motor funcionar sin problemas sin vibraciones.
El motor de ejemplo V-2 de la presente invención, como se ha discutido anteriormente, usa un cigüeñal de un solo tiro 20 con una separación entre cilindros de 90 grados. Esta disposición provocará un disparo desigual de los cilindros. Cuando se dispara el cilindro No. 1, el cigüeñal girará 270 grados antes de que se dispare el cilindro No. 2. Después de que se dispare el cilindro nº 2, el cigüeñal 20 viajará 450 grados antes de que el cilindro nº 1 se vuelva a encender. Este disparo de grado desigual normalmente haría que el motor funcionara desigual o vibrara. Por lo tanto, el cigüeñal debe ser equilibrado para compensar este disparo de grado irregular.
El peso giratorio debe ser equilibrado en dos planos. Todas las piezas que giran en línea con el cigüeñal están equilibradas de modo que el peso de las piezas se distribuyen igualmente alrededor del centro de rotación. Esto se llama equilibrio estático. Dado que el cigüeñal en la mayoría de los motores de tipo V es normalmente largo, generalmente se debe comprobar que esté equilibrado de extremo a extremo. El cigüeñal 20, de la presente invención, sólo recibe un equilibrio dinámico. Sin embargo, una rueda volante y un equilibrador de armónicos, que están montados en extremos opuestos del cigüeñal 20, deben ser equilibrados estáticamente antes de ser instalados en el cigüeñal 20.
Una máquina de equilibrado 90 se utiliza para equilibrar las partes giratorias del motor. Dado que los motores de tipo V tienen sus cigüeñales separados 90 grados entre sí, se debe añadir peso a los lanzamientos durante el proceso de equilibrado para compensar el espaciado de 90 grados. El peso se añade en forma de pesos de bobina 92, que están atornillados al cojinete de varilla del cigüeñal. En un motor de combustión de grado par, se calcula el peso del peso de bobina 92 añadiendo el peso de rotación total de un cigüeñal (que es el lado de cigüeñal de dos bielas puesto que el motor de tipo V tiene dos varillas por lance) y 50 por ciento de El peso alternativo de un cigüeñal. En otras palabras, el peso de las partes giratorias se añade a la mitad del peso de las partes de vaivén fijadas a cada cigüeñal. Un cálculo típico de bobweight para un motor V-8 puede ser el siguiente:
700 g de extremo giratorio de dos bielas. 800 g de peso total de 2 insertos de rodamiento. 880 g peso total giratorio de un cigüeñal 390 g un pistón 125 g pines 80 g un juego de anillos 100 g de un extremo alternativo de una biela. 695 g la mitad del peso alternativo de un crankthrow 880 g 695 g 1575 g bobweight
Normalmente, el cigüeñal está equilibrado estáticamente antes de ser equilibrado dinámicamente. Sin embargo, el cigüe~nal 20 de acuerdo con la presente invención no recibe un equilibrio estático. Normalmente, esto provocaría que el cigüeñal vibrara violentamente durante el procedimiento de equilibrado y probablemente pondría en peligro al operador de la máquina equilibradora. Para superar esta vibración en el procedimiento de equilibrio, dos discos sólidos 94 están unidos, uno en cada extremo, al cigüeñal antes de colocar todo el conjunto del cigüeñal, los pesos de bobina 92 y los discos 94 unidos en la máquina de equilibrado 90. Cada disco 94 tiene Un radio que supera el del tiro del cigüeñal, y juntos tienen una masa total que supera la del cigüeñal y las poleas 92 fijadas. El momento de inercia producido por el momento angular del cigüeñal de forma irregular se mueve por lo tanto más allá del radio del cigüeñal lanzar. El efecto general es mover el centro de masa de todo el conjunto más cerca del eje de rotación.
Además, el peso del material bobinado 92 que ha de a~nadirse durante el procedimiento de equilibrado debe ser calculado de forma diferente para compensar el des- prendimiento desigual de los cilindros.
Después de calcular el peso de rotación y la mitad del peso alternativo de un cigüeñal, se añade un factor de compensación que es igual al diez por ciento (10%) de este último número. Por lo tanto, si la mitad del peso alternativo es de 695 gramos calculado anteriormente, se añaden 69,5 g adicionales para compensar el disparo en grados irregulares del motor. Por lo tanto, el peso del cabezal 92 para el motor del Solicitante sería 1644,5 g (800 g + 695 g + 69,5 g). Debe tenerse en cuenta que el peso del peso de bobina 92 también puede calcularse añadiendo cien por ciento (100%) del peso giratorio de un cigüeñal y cincuenta y cinco por ciento (55%) del peso alternativo de un cigüeñal como una abreviatura método.
El motor V-2 completo construido como se describe anteriormente es de 21 pulgadas de largo por 20 pulgadas de ancho y 24 pulgadas de alto. El peso completo del motor, menos arrancador y fluido es de aproximadamente 180 libras. El motor producirá una salida de par máximo de 110 pies-libras. A 3000 RPM, que es 62.8 caballos de fuerza. Así, se puede ver que este motor es capaz de hacer el trabajo de la mayoría de los motores de cuatro cilindros.
Se puede ver fácilmente que un motor que se produce mediante los procedimientos descritos en la presente invención tendrá un equilibrado dinámico inherente de todas las masas en el conjunto giratorio del cigüeñal y las partes de movimiento alternativo adjuntas. También se puede ver fácilmente que el volumen de desplazamiento de los taladros de cilindro individuales ya no está restringido por el problema de equilibrar adecuadamente el cigüeñal y el conjunto de masas alternativo. De este modo, es posible eliminar un número de cilindros necesarios para producir un motor de un desplazamiento dado sin recurrir a dispositivos de amortiguación de vibraciones externos costosos, complicados y que roben energía.
La presente invención puede, por supuesto, llevarse a cabo de otras maneras específicas que las aquí expuestas sin apartarse del espíritu y de las características esenciales de la invención. Por lo tanto, las presentes realizaciones han de considerarse en todos los aspectos como ilustrativas y no restrictivas, y todos los cambios que están dentro del alcance de significado y de equivalencia de las reivindicaciones adjuntas están destinados a ser abarcados en el mismo.
