IT201800006184A1 - Motore a combustione interna - Google Patents

Description

Motore a combustione interna

Descrizione

La presente invenzione ha come oggetto un motore a combustione interna a quattro tempi, del tipo fornito di pistoni mobili rispetto a una camera di combustione definita in un blocco motore e in una testata.

Sono note svariate versioni di motore a quattro tempi del tipo sopra definito. Attenendosi alle principali, esse possono essere suddivise in due categorie secondo il principio di funzionamento: una prima categoria si riferisce in generale ai motori operanti con il ciclo Beau de Rochas, o ad accensione comandata mediante una candela, e una seconda categoria si riferisce ai motori operanti con il ciclo Diesel, in cui la combustione di una miscela combustibile-comburente è provocata mediante compressione.

I due cicli di funzionamento principali, sebbene non siano gli unici, attualmente sono quelli principalmente usati nei motori del tipo sopra delineato, per autotrazione, o per motori nautici o ancora per la generazione di energia elettrica.

Questo tipo di motori si contraddistingue per la presenza di pistoni inseriti in rispettivi cilindri, che delimitano insieme una camera di combustione che viene alimentata di miscela e da cui sono estratti i cosiddetti fumi o prodotti della combustione.

I cilindri generalmente scorrono con un moto alternativo in un percorso definito dalla forma del cilindro, che solitamente è cilindrico, per cui il percorso è rettilineo.

Ciascun pistone, per ciascun ciclo di funzionamento, compie due corse in una direzione e due corse nella direzione opposta. Tali corse assicurano l’esecuzione delle quattro fasi di cui sono composti i cicli suddetti. Con riferimento al ciclo Beau de Rochas, le fasi sono le seguenti:

• una fase di aspirazione a pressione atmosferica dal punto morto superiore al punto morto inferiore – in questa fase è aperta almeno una valvola di alimentazione la cui luce di ingresso è aperta nella camera di combustione;

• una fase di compressione adiabatica dal punto morto inferiore al punto morto superiore, in cui le valvole sono chiuse;

• una fase di combustione, che si innesca con una scintilla di una candela di accensione quando il pistone si trova in prossimità del punto morto superiore;

• una fase di espansione adiabatica dal punto morto superiore al punto morto inferiore, in cui le valvole sono chiuse;

• una fase di uno scarico libero iniziale a volume costante, quando il pistone si trova in prossimità del punto morto inferiore - in questa fase è aperta almeno una valvola di scarico la cui luce di uscita è aperta nella camera di combustione; e

• una fase di scarico forzato a pressione costante, sempre con la valvola di scarico aperta, dal punto morto inferiore al punto morto superiore, che riporta il ciclo alla posizione di partenza.

Le fasi del ciclo Diesel variano, ma permangono le quattro corse complessive e l’apertura delle valvole.

Oltre ai pistoni che si muovono secondo quanto descritto, sono anche noti motori detti rotativi o motori Wankel, in cui è previsto un pistone rotante o rotore, e che viene alimentato da un impianto di alimentazione con travasi che sono posizionati o in una cassa statorica trocoidale o in piastre laterali della camera statorica (posizione laterale), e in cui lo scarico dei prodotti esausti avviene tramite un impianto di scarico che analogamente presenta luci di scarico in posizione periferica o laterale.

Sono noti inoltre tantissime varianti con pistoni sostanzialmente rotativi, o con disposizioni diverse rispetto a quelle sopra descritte.

A titolo di esempio possono essere citati i motori descritti nei brevetti USA No. 6,431,139 B1 e No.

8,944,025 B2.

Se, da una parte, i motori rotativi spesso soffrono di problemi di tenuta tra il rotore e la camera di combustione statorica che ne limitano l’affidabilità, la tecnologia dei motori con pistoni alternativi è ben consolidata.

Tuttavia, si deve notare che ciascun pistone compie una sola corsa su quattro in cui effettivamente viene trasmessa all’albero motore energia motrice attraverso una rispettiva biella, per cui si può concludere che il volume richiesto da un motore di questo tipo per generare una potenza desiderata costituisce un ingombro che può essere problematico.

Per ridurre l’ingombro di un motore di questo tipo mantenendo la potenza desiderata possono essere adottati cicli a due tempi, che però hanno un’efficienza termodinamica ridotta e producono gas esausti la cui composizione è particolarmente inquinante, tanto che nell’ambito dell’autotrazione molti pasi hanno deciso di vietarne l’impiego.

Un’altra soluzione consiste nell’adottare forme di sovralimentazione, ovvero fasi di alimentazione della miscela carburante a pressioni elevate, ma questa pratica aumenta la complessità del motore e ne riduce l’affidabilità di esercizio.

Un’ulteriore soluzione potrebbe essere rappresentata dall’impiego, in motori a combustione interna, di pistoni a doppio effetto: inseriti in un cilindro con rispettive camere di combustione alle estremità. Tuttavia, questo tipo di configurazione risulta essere complessa, fragile dal punto di vista meccanico e di difficile regolazione.

Il problema tecnico che è alla base della presente invenzione è di fornire un motore a combustione interna che consenta di ovviare all’inconveniente menzionato con riferimento alla tecnica nota.

Tale problema viene risolto da un motore come sopra specificato che si caratterizza per il fatto di comprendere:

• almeno una camera di combustione sostanzialmente di forma sferica, suddivisa da un setto, in corrispondenza di un piano mediano, che la divide in due semi-camere di combustione, ciascuna provvista di ingressi per l’alimentazione di miscela combustibile e lo scarico di gas esausti;

• un pistone oscillante, di forma semi-sferica che si coniuga con quella della camera di combustione, incernierato alla testata in corrispondenza di detto piano mediano e predisposto per oscillare occupando alternativamente le suddette semi-camere di combustione di una camera di combustione; e

• almeno una biella, girevolmente connessa a detto pistone oscillante in corrispondenza di una cerniera di biella posizionata decentrata rispetto a un piano mediano del pistone oscillante, per trasmettere il moto oscillatorio a un albero a gomiti operante come albero motore del motore a combustione interna.

Il principale vantaggio del motore a combustione interna secondo la presente invenzione risiede nel consentire, a parità di potenza erogabile, una consistente riduzione dei pesi e degli ingombri del motore, offrendo la possibilità di ottenere una fase di spinta dell’albero motore per ciascuna sua rotazione completa anziché due per ciascun pistone.

Inoltre, le superfici sferiche coniugate del pistone oscillante e della camera di combustione garantiscono un’eccellente tenuta e consentono un ulteriore risparmio di spazio per l’assenza del cilindro.

La presente invenzione verrà qui di seguito descritta secondo un suo esempio di realizzazione preferita, fornito a scopo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

∗ la figura 1 mostra una vista prospettica di un esempio di realizzazione di motore a combustione interna del tipo a doppia biella, ovvero con due pistoni distinti;

∗ la figura 2 mostra una vista dall’alto della testata del motore di figura 1, che illustra la distribuzione del motore a combustione interna;

∗ la figura 2A mostra una sezione trasversale in alzato della testata di figura 2, presa secondo il piano B-B mostrato in figura 3;

∗ la figura 3 una sezione longitudinale in alzato del motore di figura 1, presa secondo un piano longitudinale verticale mediano;

∗ la figura 4 mostra una sezione trasversale in alzato del motore di figura 1, presa secondo il piano A-A di figura 3;

∗ le figure 4A e 4B mostrano rispettivi dettagli ingranditi del motore di figura 1, indicati con F ed E rispettivamente in figura 4;

∗ la figura 5 mostra una vista prospettica di un semi-blocco laterale che forma il motore di figura 1;

∗ la figura 6 mostra una vista prospettica dal basso, o rovesciata, della testata di figura 2;

∗ la figura 6A mostra una vista prospettica dall’alto della testata di figura 2, senza gli organi di distribuzione;

∗ la figura 6B mostra una sezione longitudinale in alzato della testata illustrata in figura 6A;

∗ la figura 6C mostra una sezione trasversale in alzato della testata, presa secondo il piano E-E della figura 6A;

∗ la figura 7 mostra una vista prospettica di un pistone oscillante usato nel motore di figura 1;

∗ la figura 7A mostra una vista laterale del pistone oscillante di figura 7;

∗ le figure 7B e 7C mostrano rispettive viste in sezione trasversale, prese secondo i piani B-B e A-A di figura 7A;

∗ la figura 7D mostra un dettaglio ingrandito del pistone di figura 7, indicato con C in figura 7C;

∗ la figura 8 mostra una vista prospettica orizzontale di una biella impiegata nel motore di figura 1;

∗ la figura 8A mostra una vista prospettica orizzontale di un raccordo di biella impiegato nel motore di figura 1; e

∗ la figura 9 mostra schematicamente le fasi fi funzionamento A) B) C) D) ed E) del motore di figura 1 riferite a un pistone di figura 7 visto lateralmente.

Con riferimento alle figure, un motore a combustione interna e a quattro tempi, operante secondo il ciclo Beau de Rochas o Otto, quindi del tipo ad accensione comandata, è indicato nel suo complesso con 100.

Esso è formato dall’accoppiamento di due semiblocchi destro 1 e sinistro 8 accoppiati su un piano longitudinale e verticale mediano, in modo da formare una sede per un albero a gomiti 6, richiuso nella porzione inferiore da un elemento di chiusura 101. L’albero a gomiti 6, del tipo azionato in rotazione da una o più bielle a esso collegate girevolmente, opera nel presente motore da albero motore, e sarà quindi connesso a organi di trasmissione che non sono parte del motore, ma che potranno essere di tipo convenzionale.

Superiormente, il blocco motore risultante da detto accoppiamento è chiuso da una testata 11 conformata a lastra, fornita di opportune forature e sedi per disporre gli organi di distribuzione, le valvole e le candele controllate da un teleruttore non mostrato nelle figure, con una copertura superiore Gli organi di distribuzione comprendono un albero a camme 14 o albero di distribuzione, che comanda le valvole attraverso rispettive punterie 22 e attuatori di valvola di alimentazione 21 e di valvola di scarico 25. La punteria 24 è fornita di un dado di regolazione 29 che la unisce al rispettivo attuatore in corrispondenza di un’estremità attuatrice 22, e di una guida 23.

Le valvole 103 sono del tipo a fungo con una testa 18 che si dispone in chiusura in una rispettiva sede di valvola 12; essa scorre in una guida di valvola 13 ed è comandata da un cappuccio calzato sull’estremità dello stelo su cui agisce il rispettivo attuatore; ciascuna valvola 103 comprende inoltre un arresto 19, disposto in corrispondenza dell’estremità prossimale dello stelo della valvola 103, che si inserisce in una sede di arresto 20, e una rispettiva molla 33 elicoidale che ne assicura il ritorno in posizione di chiusura.

Le valvole sono predisposte per chiudere e aprire rispettivi ugelli di estremità di condotti di alimentazione 120 e di scarico 121 dei gas esausti.

L’albero a camme 27 si estende da una sede frontale 14 a una sede posteriore 15, con una sede intermedia 26. Ciascun attuatore 21, 25 è disposto su una rispettiva guida 17.

Le candele 2 sono disposte in una posizione intermedia in ciascuna coppia valvola di alimentazione e valvola di scarico.

I due semi-blocchi 1, 8 formano, una volta accoppiati, una camera di combustione 104 di forma sostanzialmente sferica; essa è suddivisa in due semi-camere di combustione 105, a loro volta semisferiche, da un setto mediano 106 che è formato di pezzo con la testata 11.

Su entrambi i lati del setto mediano 106 sono ricavati, nella testata 11, rispettivi recessi 122 che sono affacciati ciascuno a una rispettiva semicamera di combustione 105. Ogni recesso 122 contiene un rispettivo ingresso per l’alimentazione di miscela combustibile e uno scarico per l’uscita di gas esausti, come sopra descritti con riferimento agli organi di distribuzione.

Ogni recesso 122 comprende inoltre l’estremità scintillante di una candela 2.

Il setto mediano 106 comprende una sede per un asse di pistone 107 che verrà descritto nel seguito.

Il motore 100 comprende pertanto un pistone oscillante 4 di forma sostanzialmente emisferica, la cui superficie esterna si coniuga con detta camera di combustione 104 mediante una rispettiva camicia del pistone 3. Il pistone 4 comprende appunto un asse 107 di oscillazione accoppiato con detto setto mediano 106 mediante una camicia di accoppiamento 108.

L’oscillazione del pistone 4 lo porta a riempire alternativamente una e l’altra semi-camera della camera di combustione 104. Ciascuna semi-camera 105 è servita da rispettive valvole di alimentazione e di scarico, e da una candela 2.

Ciascun pistone 4 è incernierato all’estremità di una biella 5 in corrispondenza di una cerniera di biella 109. La biella 5 è fissata all’albero a gomiti 6 mediante un rispettivo raccordo 7.

La cerniera di biella 109 a sua volta è disposta con un perno inserito in una sede costituita da un foro 110 che attraversa il pistone, la cui posizione è sostanzialmente decentrata rispetto a un piano mediano del pistone oscillante 4.

Si noti che il motore 100 qui descritto presenta una coppia di pistoni 4 disposti in rispettive camere di combustione 104 affiancate. Questa sistemazione a coppie garantisce una migliore equilibratura, e presenta bielle 5 che si muovono mantenendosi in una configurazione simmetrica una rispetto all’altra rispetto a un piano mediano longitudinale e verticale del motore.

Il motore 100 potrà comprendere più di una coppia di camere di combustione e di pistoni, disposti in linea.

Un’altra configurazione potrà prevedere una coppia di camere di combustione disposte su una linea perpendicolare alla direzione in cui è disposto l’albero a gomiti che riceve il moto attraverso bielle opportunamente predisposte. Anche in questo caso, il motore potrà comprendere più coppie affiancate, formando due bancate parallele di camere di combustione.

Sono possibili inoltre altre configurazioni, come per esempio una configurazione stellare, e altre forme di alimentazione e distribuzione. In particolare, potranno essere previsti più iniettori di miscela per ciascuna semi-camera di combustione; la distribuzione potrà essere del tipo a camme e priva di punterie, con due alberi a camme disposti longitudinalmente sulla testata 11, agenti direttamente sugli steli di valvola delle valvole allineate.

Con riferimento alla figura 9, vengono descritte le fasi di funzionamento del motore sopra descritto, riferite a un ciclo a quattro tempi Beau de Rochas.

Nella configurazione (A), il lato sinistro (sx) si trova nella fase di aspirazione della miscela combustibile dal rispettivo ingresso di alimentazione la cui valvola di scarico è in posizione aperta, mentre il lato destro (dx) si trova nella fase di scarico libero dei gas esausti, attraverso il rispettivo scarico la cui valvola di scarico è in posizione aperta.

Passando dalla configurazione (B), le suddette fasi di aspirazione e di scarico hanno termine con la chiusura delle rispettive valvole; durante il passaggio da (A) a (B) lo scarico sul lato destro (dx) è diventato forzato, mentre sul lato sinistro (sx) l’aspirazione è continuata fino al termine della traslazione verso il basso della rispettiva porzione destra di pistone. Sul lato destro (dx) si apre la rispettiva valvola di alimentazione, per dare inizio all’aspirazione.

Passando dalla configurazione (B) alla configurazione (C), in corrispondenza del lato sinistro (sx) si ha la fase di compressione, mentre in corrispondenza del lato destro (dx) si ha la fase di aspirazione fino alla fine della corsa della porzione sinistra del pistone e alla chiusura della rispettiva valvola di alimentazione nella configurazione (C).

Nella configurazione (C), sul lato sinistro (sx), scocca la scintilla che accende la miscela compressa.

Nel passaggio dalla configurazione (C) a (D), sul lato sinistro (sx) si ha la fase di espansione e combustione, che produce i gas esausti, nella quale questa porzione di pistone esercita una forza sull’albero a gomiti attraverso la biella.

Nella configurazione (D), sul lato sinistro (sx) si apre quindi la valvola di scarico.

Nel passaggio dalla configurazione (C) a (D), su lato destro (dx) si ha la fase di compressione della miscela, che precede lo scoccare della scintilla di accensione nella configurazione (D).

Nel passaggio dalla configurazione (D) a (E), sul lato sinistro (sx) si ha la fase di scarico dei gas esausti, che termina nella configurazione (E) con la chiusura della rispettiva valvola, e l’apertura della valvola di alimentazione.

Nel passaggio dalla configurazione (D) a (E), sul lato destro (dx) si ha la fase di espansione e combustione, che produce i gas esausti, nella quale questa porzione di pistone esercita una forza sull’albero a gomiti attraverso la biella.

Nella configurazione (E), sul lato destro (dx) si apre quindi la valvola di scarico, e così via.

Al sopra descritto motore a combustione interna un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potrà apportare numerose ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro comprese nell'ambito di protezione della presente invenzione, quale definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore a combustione interna (100) a quattro tempi, del tipo fornito di pistoni mobili rispetto a una camera di combustione definita in un blocco motore e in una testata (11), comprendente: • almeno una camera di combustione (104) sostanzialmente di forma sferica, suddivisa da un setto (106), in corrispondenza di un piano mediano, che la divide in due semi-camere di combustione (105), ciascuna provvista di ingressi per l’alimentazione di miscela combustibile e lo scarico di gas esausti; • un pistone oscillante (4), di forma sostanzialmente emisferica che si coniuga con quella della camera di combustione (104), incernierato alla testata (11) in corrispondenza di detto piano mediano e predisposto per oscillare occupando alternativamente le suddette semi-camere di combustione (105) di ciascuna camera di combustione (104); e • almeno una biella (105), girevolmente connessa a detto pistone oscillante (4) in corrispondenza di una cerniera di biella (109) posizionata decentrata rispetto a un piano mediano del pistone oscillante (4), per trasmettere il moto oscillatorio a un albero a gomiti (6) operante come albero motore del motore a combustione interna.
2. 2. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1, che opera secondo il ciclo Beau de Rochas, ciascuna semi-camera di combustione (105) comprendendo una candela (2).
3. 3. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1, che presenta almeno una coppia di pistoni (4), disposti in rispettive coppie di camere di combustione (104) affiancate.
4. 4. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 3, in cui detta almeno una coppia di camere di combustione (104) affiancate è allineata parallela all’albero a gomiti (6).
5. 5. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1, in cui, su ciascun lato del setto (106) sono ricavati, nella testata (11), rispettivi recessi (122) che sono affacciati ciascuno a una rispettiva semi-camera di combustione (105), ogni recesso (122) contenente un rispettivo ingresso per l’alimentazione di miscela combustibile e uno scarico per l’uscita di gas esausti.
6. 6. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto pistone oscillante (4) di forma sostanzialmente emisferica, la cui superficie esterna si coniuga con detta camera di combustione (104) mediante una rispettiva camicia del pistone (3).
7. 7. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detta cerniera di biella (109) comprende un perno inserito in una sede costituita da un foro (110) che attraversa il pistone oscillante (4), la cui posizione è sostanzialmente decentrata rispetto a un piano mediano del pistone oscillante (4).