IT201600087064A1

IT201600087064A1 - Motore a combustione interna comprendente un circuito di raffreddamento a liquido

Info

Publication number: IT201600087064A1
Application number: IT102016000087064A
Authority: IT
Inventors: Enzo Pierro
Original assignee: Fpt Ind Spa
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-02-24
Also published as: CN114542318A; WO2018037368A1; US20190178201A1; ES2913238T3; US10907572B2; EP3504416A1; CN109642517B; BR112019003623A2; CN109642517A; RU2723279C1; US20210108591A1; BR112019003623B1; EP3504416B1; US11248556B2

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA COMPRENDENTE UN CIRCUITO DI RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO”

Campo di applicazione dell’invenzione

La presente invenzione si riferisce al campo dei circuiti di raffreddamento di motori a combustione interna.

Stato della tecnica

La testa ed i cilindri dei motori a combustione interna devono essere adeguatamente raffreddati. Il circuito di raffreddamento comprende una porzione esterna al motore che include almeno un radiatore ed una porzione interna al motore, che include uno o più passaggi attraverso le zone termicamente critiche del motore stesso. Il liquido di raffreddamento proveniente dalla porzione esterna del circuito di raffreddamento viene, generalmente, immesso in una camera di raffreddamento (jacket) del cilindro e di lì procede verso la testa del motore per raffreddare gli organi in esso contenuti.

Immaginando un cilindro disposto verticalmente, il liquido refrigerante si muove dal basso verso l’alto, cioè dalla camera di raffreddamento del cilindro verso la testa. Successivamente viene raccolto per essere nuovamente circolato nella porzione esterna del circuito di raffreddamento.

E’ evidente che le zone maggiormente critiche sono in prossimità del cosiddetto piatto di fiamma (flame deck). Organi quali gli iniettori e le valvole, soprattutto di scarico (exhaust ports), devono essere opportunamente raffreddati.

US8584627 mostra una soluzione in cui il raffreddamento della testa è realizzata mediante due camere di cui una camera inferiore adiacente alla camera di scoppio ed una camera superiore adiacente e disposta superiormente e affiancata alla camera inferiore. Entrambe si estendono perpendicolarmente all’asse di sviluppo del cilindro.

Secondo tale schema, il liquido entra nella camera di raffreddamento del cilindro, e di lì una prima porzione irrora la camera inferiore ed una seconda porzione irrora la camera superiore. La prima porzione di liquido che ha irrorato la camera superiore, entra successivamente nella camera inferiore, unendosi alla seconda porzione.

Nella camera inferiore è alloggiata l’apertura di uscita che mette in comunicazione la porzione interna del circuito di refrigerazione del motore con la porzione esterna dello stesso.

La camera inferiore di US8584627 è pensata per raffreddare il piatto di fiamma (flame deck) e le luci di scarico della testa, ma la descrizione e i disegni non chiariscono la disposizione delle cosiddette aperture di bypass rispetto alle luci di aspirazione e scarico.

Le medesime considerazioni si applicano ai condotti che irrorano la camera superiore, che stando alla descrizione possono essere disposti su lati longitudinali opposti della testa.

Si ritiene che tale schema possa essere migliorato. Risulta, infatti problematico garantire l’irrorazione della camera superiore quando la pompa dell’acqua riduce la portata di liquido refrigerante.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di migliorare il suddetto schema di raffreddamento mostrato in US8584627. Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di fornire dettagli implementativi, assenti in US8584627.

L’idea di base della presente invenzione è quella di mantenere il circuito di raffreddamento della testa suddiviso in due camere come mostrato in US8584627, una camera superiore ed una camera inferiore. Questa ultima è adiacente al piatto di fiamma e pertanto interposta tra la camera superiore ed il piatto di fiamma.

Secondo la presente invenzione, la testa e precisamente la camera superiore è alimentata direttamente dall’esterno del motore. Di qui il liquido muove trasversalmente all’asse di sviluppo del cilindro e verso il basso, allagando la camera inferiore della testa, e raggiunge l’apertura di uscita realizzata nella camera inferiore della testa.

In questo modo si riesce a garantire un continuo ed adeguato afflusso di liquido refrigerante anche in condizioni di bassa portata della pompa del liquido refrigerante e allo stesso tempo si assicura un adeguato ed efficiente raffreddamento della testa del motore

Secondo una variante preferita dell’invenzione il liquido entra nella camera superiore della testa muove da una zona circostante i condotti di scarico verso una zona circostante i condotti di aspirazione e raggiunge la camera inferiore attraverso aperture adiacenti all’iniettore, che permettono al liquido di raffreddare l’iniettore, il quale è posizionato in posizione circa centrale.

Preferibilmente, l’apertura di uscita della testa è disposta sullo stesso lato dell’apertura di ingresso della testa. Pertanto, il percorso compiuto dal liquido di raffreddamento è sostanzialmente a forma di U.

La camera di raffreddamento del cilindro è preferibilmente alimentata di liquido refrigerante mediante un’apertura esterna indipendente da quella della testa.

La camera di raffreddamento del cilindro e la camera inferiore della testa possono essere eventualmente collegate attraverso un foro calibrato per la deaerazione della camera di raffreddamento del cilindro.

Secondo una variante preferita dell’invenzione che si combina con una qualunque delle precedenti, l’apertura di ingresso della camera di raffreddamento del cilindro è disposta sullo stesso lato dell’apertura di ingresso della testa, cosicché anche nella camera di raffreddamento del cilindro il liquido refrigerante muove da una zona corrispondente alle luci di scarico verso una zona adiacente alle luci di aspirazione per poi essere raccolta esternamente al basamento del motore a combustione interna su un lato opposto all’apertura di ingresso.

E’ oggetto della presente invenzione un motore a combustione interna comprendente un circuito di raffreddamento a liquido conformemente alla rivendicazione 1.

Un ulteriore oggetto della presente invenzione è un metodo di raffreddamento di un motore a combustione interna.

Le rivendicazioni descrivono varianti preferite dell’invenzione e formano parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:

nella figura 1 è indicato schematicamente un circuito di refrigerazione secondo una variante preferita della presente invenzione;

nella figura 2 è indicata una sezione trasversale della camera di raffreddamento inferiore della testa di un motore a combustione interna realizzata secondo i principi della presente invenzione;

nella figura 3 è indicata una sezione del motore a combustione interna di figura 2 secondo un asse di simmetria di un cilindro del motore a combustione interna e perpendicolarmente a relativo albero motore.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Nell’ambito della presente descrizione il termine “secondo” componente non implica la presenza di un “primo” componente. Tali termini sono infatti adoperati soltanto per chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

La figura 1 riporta schematicamente una porzione di un motore a combustione interna con in particolare evidenza il relativo circuito di raffreddamento interno al motore stesso. Lo schema è riportato secondo una sezione longitudinale di un cilindro, cioè parallela ad un asse di sviluppo X del cilindro 3 in direzione perpendicolare all’albero motore (uscente dal foglio, non mostrato), cosicché sul lato sinistro della figura sono idealmente presenti le luci di aspirazione e sul lato destro quelle di scarico.

Il condotto di aspirazione 18 ed il condotto di scarico 6 sono rappresentati in tratteggio, sia nella figura 1 che nella figura 3.

Il circuito comprende una camera 2 di raffreddamento del cilindro 3. Essa può essere singola, oppure può a sua volta essere suddivisa in porzioni. Inoltre quando il motore a combustione interna comprende più cilindri, ogni cilindro può comprendere una propria e dedicata (individual) camera di raffreddamento, oppure due o più cilindri ne possono condividere una. Inoltre, se la camera 2 di raffreddamento è condivisa da più cilindri essa può essere suddivisa in porzioni, tutte condivise da detti più cilindri.

La camera 2 di raffreddamento del cilindro 3 è preferibilmente collegata direttamente alla porzione “esterna” del circuito di raffreddamento del motore mediante l’apertura 19. Tale porzione esterna comprende almeno un radiatore (non mostrato) per cedere calore all’ambiente esterno. Una pompa (non mostrata) permette la ricircolazione del liquido refrigerante.

Secondo la presente invenzione, il circuito di raffreddamento della testa è formato, come in US8584627, da due camere di cui una camera inferiore 8 adiacente al piatto di fiamma (flame deck) 14 ed una camera superiore 5 adiacente alla camera inferiore e ad essa sovrapposta. In altre parole, la camera inferiore si trova, come un sandwich, tra il piatto di fiamma 14 e la camera superiore 5.

Secondo la presente invenzione, la camera superiore 8 è irrorata direttamente dalla porzione esterna del circuito di raffreddamento mediante un dedicato manicotto (non mostrato).

Pertanto, preferibilmente il motore comprende due ingressi indipendenti: uno nel basamento B, 19 per alimentare la camera di raffreddamento del cilindro e 13 per alimentare la camera superiore della testa H.

Preferibilmente, l’ingresso 13 è posizionato in prossimità dei condotti di scarico, cosicché il liquido che entra nella camera superiore della testa muove da una zona circostante i condotti di scarico, trasversalmente, verso una zona circostante i condotti di aspirazione e raggiunge la camera inferiore attraverso aperture 10 e 11 adiacenti all’iniettore 9, che permettono al liquido di raffreddare l’iniettore, il quale è posizionato in posizione circa centrale e le aperture 7 di estremità disposte di fianco alle luci di aspirazione lungo il lato opposto all’apertura di ingresso 13.

L’apertura di uscita 17 della testa, che consente al liquido di essere raccolto dopo aver svolto il suo compito, è posizionata sullo stesso lato dell’apertura 13, cosicché, il liquido refrigerante, dopo aver raggiunto la camera inferiore si muove in verso opposto a prima, vale a dire dalle luci di aspirazione alle luci di scarico seguendo un percorso sostanzialmente a U.

Preferibilmente, la camera inferiore 8 comprende un tratto terminale 16 che si estende verso l’alto dalla camera inferiore alla camera superiore e circonda il tratto terminale del/dei condotti di scarico 6, in modo da raccogliere dell’ulteriore calore da questi, prima che il liquido di raffreddamento sia ceduto alla porzione esterna del circuito di raffreddamento.

La camera di raffreddamento del cilindro 2 è preferibilmente raffreddata mediante un indipendente flusso di liquido che la attraversa sostanzialmente dalle luci di scarico verso le luci di aspirazione. Questa volta, il liquido è raccolto sul lato opposto del basamento, a sinistra del foglio, rispetto all’ingresso 19 e pertanto opposto anche rispetto all’ingresso 13 della testa e all’uscita 17 della testa.

In figura 1 è mostrato un condotto DG che mette in comunicazione la camera di raffreddamento del cilindro con la camera inferiore. Tale apertura, preferibilmente calibrata attraverso la guarnizione della testa, è atta a consentire la deaerazione della camera di raffreddamento del cilindro.

La figura schematica 1 riporta anche un asse tratto-punto X che rappresenta l’asse di rotazione del cilindro 3 su cui è preferibilmente centrato l’iniettore 9. Ciononostante, una sezione trasversale del cilindro 3, vale a dire perpendicolare all’asse di sviluppo del cilindro 3, può essere elissoidale e l’iniettore 9 può essere disposto in modo non centrato.

La figura 2 mostra una sezione trasversale all’asse X, passante per la camera inferiore 8.

E’ preferibile che tale sezione risulti essere simmetrica rispetto all’asse Y perpendicolare all’asse X. Ciò implica che ogni riferimento usato su un lato della figura è implicitamente presente sull’altro lato della stessa.

Si preferisce che la testa del motore sia del tipo a 4 valvole, cioè con due valvole di aspirazione IV e due di scarico EV con l’iniettore 9 disposto sostanzialmente nel centro.

La figura 2 prevede che l’asse di simmetria Y sia disposto in modo che su ciascun lato è presente una valvola di aspirazione IV ed una di scarico EV. In altre parole, le due valvole di scarico risultano adiacenti tra loro e le due valvole di aspirazione risultano adiacenti tra loro.

Deve esser chiaro che la posizione delle luci di scarico e dell’iniettore può essere variata leggermente rendendo detto asse di simmetria Y una sorta di asse di separazione tra due lati non simmetrici della testa.

Le aperture 7, 10 e 11 comunicano con la sovrastante camera superiore 5.

Per una migliore comprensione delle figure, in figura 1 sono indicati anche i flussi F1, F2, F3 che attraversano le rispettive aperture 11, 10 e 7.

Una prima porzione di liquido refrigerante F1 passa dalla camera superiore 5 alla camera inferiore 8 attraverso l’apertura 11 che è realizzata tra la sede dell’iniettore e le valvole di scarico EV. Pertanto, tale apertura 11 giace sul o è prossima al asse Y.

Una seconda porzione di liquido refrigerante F2 passa dalla camera superiore 5 alla camera inferiore 8 attraverso l’apertura 10 che è realizzata tra la sede dell’iniettore e le valvole di aspirazione IV. Pertanto, anche tale apertura 10 giace sul o è prossima all’asse Y.

Una terza porzione di liquido F3 si suddivide, preferibilmente equamente, tra le aperture 7 disposte sul lato opposto del motore rispetto all’apertura 13. Per questa ragione le due sottoporzioni di F3 sono indicate con il simbolo F3/2. Tale terza porzione di liquido lambisce le zone circostanti le luci di aspirazione IV e procede circonferenzialmente verso l’apertura di uscita 17.

E’ evidente che le aperture 11, 10, 7 sono realizzate in modo da mettere in comunicazione le camere 8 e 5, ma esse possono essere inclinate, cioè non necessariamente parallele all’asse X.

Preferibilmente, le aperture 11, 10, 7 sono in comunicazione con l’esterno della testa attraverso una superficie superiore della stessa ed isolate dall’esterno mediante mezzi di otturazione. In particolare dopo la fusione della testa, si praticano opportuni fori e dopo un’ispezione che consenta di appurare che le aperture 7, 10 e 11 siano corrette si procede ad otturare i fori di ispezione mediante tappi filettati o mediante saldatura.

La seconda porzione di liquido F2 entra nella camera inferiore 8 per l’apertura 10, collocata tra le luci di aspirazione IV e l’iniettore 9, per raffreddare il volume che circonda l’iniettore 9. Giacendo, circa, sull’asse Y, circa metà F2/2 di detta seconda porzione scorre lungo un lato dell’iniettore e l’altra restante parte F2/2 scorre lungo l’altro lato dell’iniettore. Successivamente, una prima sottofrazione F21/2 di tale prima frazione, muovendo radialmente verso l’esterno della camera inferiore preferibilmente attraverso una zona intermedia tra le luci di aspirazione IV e le luci di scarico EV, si unisce alla terza porzione F3/2 di liquido refrigerante (F3/2 F21/2) e prosegue perimetralmente fino all’apertura di uscita 17. Una seconda sottofrazione F22/2 della (metà della) seconda frazione F2 prosegue attorno all’iniettore 9 per unirsi alla prima frazione F1 di liquido refrigerante che si muove in una zona tra le valvole di scarico EV per raggiungere l’apertura di uscita 17.

Nell’ambito della presente descrizione si può parlare di luci o valvole indifferentemente, posto che il raffreddamento delle valvole è operato attraverso le relative luci.

Preferibilmente, la prima porzione di liquido F1 e la seconda porzione di liquido rappresentano assieme circa il 50% - 60% del flusso complessivo che refrigera la testa. Di conseguenza la terza porzione di liquido F3 rappresenta il restante 50%-40% del flusso.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi. Quanto descritto nel capitolo relativo allo stato della tecnica, se non specificatamente escluso per effetto delle differenze esplicitamente descritte è da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore a combustione interna comprendente almeno un basamento (B) in cui è alloggiato un cilindro (3) ed una testa (H) atta ad essere accoppiata con il basamento ed un circuito di raffreddamento a liquido (1) in cui il circuito di raffreddamento a liquido comprende una apertura di ingresso (13) ed un’apertura di uscita (17), comunicanti con l’esterno del motore a combustione interna, - una camera inferiore (8) di raffreddamento alloggiata in detta testa (H) in posizione adiacente ad un piatto di fiamma (14) di detta testa; - una camera superiore (5) di raffreddamento alloggiata in detta testa (H) superiormente a detta camera inferiore, in modo che detta camera inferiore risulta interposta tra detta camera superiore e detto piatto di fiamma; caratterizzato dal fatto che detta apertura di ingresso è realizzata in detta camera superiore e detta apertura di uscita è realizzata in detta camera inferiore su un medesimo lato del motore a combustione interna, in modo che il liquido refrigerante compie un percorso sostanzialmente ad U muovendo tra detta camera superiore e detta camera inferiore.
2. Motore secondo la rivendicazione 1, in cui detta testa (H) comprende almeno una luce di scarico (EV) ed una luce di aspirazione (IV), ed in cui detta apertura di ingresso e detta apertura di uscita è disposta in prossimità di detta almeno una luce di scarico (4).
3. Motore secondo la rivendicazione 2, in cui detta testa comprende un iniettore (9) disposto in una posizione circa centrale della testa tra detta almeno una valvola di aspirazione e detta almeno una valvola di scarico ed in cui dette camera superiore e detta camera inferiore sono reciprocamente comunicanti mediante - una prima apertura (11) disposta tra detta almeno una valvola di scarico (EV) e detto iniettore (9), - una seconda apertura (10) disposta tra detta almeno una valvola di aspirazione (IV) e detto iniettore (9), - almeno una terza apertura (7) disposta su tra detta valvola di aspirazione (IV) ed un lato del motore opposto a detta apertura di ingresso (13).
4. Motore secondo la rivendicazione 3, in cui detta testa comprende una coppia di valvole di aspirazione (IV) adiacenti tra loro ed una coppia di valvole di scarico (EV) adiacenti tra loro ed in cui detta camera superiore e detta camera inferiore sono reciprocamente comunicanti mediante - una prima apertura (11) disposta tra dette valvole di scarico (EV) e detto iniettore (9), - una seconda apertura (10) disposta tra dette valvole di aspirazione (IV) e detto iniettore (9), - almeno una coppia di terze aperture (7), ciascuna disposta tra detta valvola di aspirazione (IV) ed un lato del motore opposto a detta apertura di ingresso (13).
5. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti 3 e 4, in cui detto liquido refrigerante muove in detta camera superiore secondo una direzione trasversale rispetto ad un asse (X) di sviluppo di detto cilindro, attraversa dette prima, seconda e terza apertura verso detta camera inferiore e muove in detta camera inferiore trasversalmente rispetto a detto asse (X) di sviluppo in direzione opposta a detta direzione trasversale.
6. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detta apertura di ingresso e detta apertura di uscita sono disposte in una zona adiacente a detta almeno una valvola di scarico.
7. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni 3 o 4, in cui dette prima, seconda e terza apertura di (11, 10, 7) sono in comunicazione con l’esterno della testa attraverso una superficie superiore della stessa ed isolate dall’esterno mediante mezzi di otturazione.
8. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti da 1 a 7, in cui detto basamento (B) comprende una camera (2) di raffreddamento del cilindro, avente una seconda apertura di ingresso (19) disposta sul medesimo lato del motore in cui è alloggiata detta apertura di ingresso (13) ed una seconda apertura di uscita (15) comunicante con l’esterno del motore a combustione interna e disposta sul lato opposto del motore in cui è alloggiata detta seconda apertura (19).
9. Motore secondo la rivendicazione 8, in cui detta seconda apertura (13) comunica con l’esterno del motore a combustione interna.
10. Motore secondo una delle rivendicazioni 8 o 9,3 ulteriormente comprendente una apertura (DG) tra detta camera (2) di raffreddamento del cilindro e detta camera inferiore (8) per consentire la deareazione della camera di raffreddamento del cilindro.
11. Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta camera inferiore comprende un tratto terminale (16) che si estende dalla camera inferiore verso l’alto e che circonda un tratto terminale di condotti di scarico (17) operativamente comunicanti con dette luci di luci di scarico (IV).