IT201800007110A1 - Pompa per circuito di raffreddamento di motore per veicolo. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:
“POMPA PER CIRCUITO DI RAFFREDDAMENTO DI MOTORE PER VEICOLO”.
TESTO DELLA DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce ad una pompa per circuito di raffreddamento di un motore per veicolo.
L’asportazione del calore in un motore a combustione interna alternativo rappresenta una necessità termodinamica connessa al fatto che qualsiasi ciclo termodinamico che trasforma energia termica in energia meccanica necessita almeno di una prima sorgente ad alta temperatura e di una seconda sorgente a bassa temperatura. Dalla prima sorgente viene asportato calore che energizza un fluido termodinamico il quale a seguito di un ciclo termodinamico produce lavoro meccanico e rivers verso la seconda sorgente energia termica a più bassa temperatura, così ripristinando le condizioni termodinamiche del fluido di lavoro. Nella realtà esiste una pluralità di livelli termici ad alta temperatura ed una pari pluralità di sorgenti termiche a bassa temperatura dalle quali e verso le quali si realizzano i predetti scambi termici.
Nei motori a combustione interna alternativi, i gas prodotti dalla combustione di un combustibile rappresentano la sorgente ad alta temperatura ed anche il fluido di lavoro del ciclo termodinamico di conversione (Otto, Diesel, Beau de Rochas, etc…). A seguito di tale processo di combustione i gas aumentano la loro temperatura (e pressione) ed espandono all’interno del cilindro, producendo un lavoro meccanico: il processo di espansione produce una diminuzione della temperatura dei i gas, scambiando energia termica con l’esterno, così rappresentando la pluralità delle sorgenti ad alta temperatura che alimentano il ciclo termodinamico.
L’energia termica scambiata verso l’esterno che consente di ripristinare le condizioni per un uno ciclo di trasformazioni avviene attraverso diversi complessi fenomeni di scambio termico che si esplicano verso l’acqua di raffreddamento del motore, verso l’olio di lubrificazione, sull’aria ambiente per gli scambi conduttivi, convettivi e radianti operati dalle masse metalliche e verso gli stessi gas di scarico che, dopo il processo di espansione, vengono riversati in atmosfera sotto forma di calore sensibile. Essendo questo processo intrinseco al funzionamento del motore, lo scambio termico sull’acqua di raffreddamento rappresenta il fenomeno principale e quello sul quale si è concentrata la tecnologia del raffreddamento motore.
La Fig. 1 illustra sommariamente un circuito di raffreddamento (100) di un motore (109).
Il circuito di raffreddamento (100) comprende:
- una pompa (101) che favorisce una pressurizzazione di un fluido all’interno di un circuito idraulico comprendente una serie di tubazioni di invio di acqua di raffreddamento ed anche lo stesso motore (109) (basamento e testata del motore) all’interno del quale l’acqua circola asportando calore per contatto con le pareti metalliche del motore; e
- una valvola (termostato) (102) che, quando la temperatura dell’acqua supera un certo valore, apre la circolazione del fluido verso un radiatore (104) che, scambiando energia termica con l’esterno, ripristina le condizioni termodinamiche dell’acqua in aspirazione alla pompa (101).
Quando il circuito verso il radiatore (104) è chiuso, l’acqua torna in aspirazione alla pompa (101), seguendo una sequenza di riscaldamento continuo.
La Fig. 1 illustra un layout essenziale del circuito di raffreddamento (100) del motore; tuttavia in realtà tale circuito di raffreddamento del motore viene realizzato in forma più complessa, dovendo prevedere altri servizi termici a bordo veicolo e relativi al motore. tali servizi termici comprendono:
- un dispositivo di riscaldamento (107) dell’abitacolo, - un dispositivo di raffreddamento dell’aria di sovralimentazione,
- un dispositivo di raffreddamento dei gas ricircolati ed - un dispositivo di raffreddamento del fluido refrigerante dell’impianto di condizionamento, in soluzioni “liquid cooled”.
L’ipotesi che la pompa (101) o il termostato (102) possano non funzionare correttamente, produce due situazioni di grande criticità:
A) l’arresto della pompa (101) genera assenza di circolazione del fluido ed un immediato surriscaldamento delle pareti metalliche del motore (109) in contatto con l’acqua. Segue una vaporizzazione dell’acqua che comunque lambisce le pareti del motore con la conseguente formazione di un film di vapore che impedisce uno scambio termico a causa di bassi coefficienti di scambio termico convettivo che si instaurano. Rapidamente le masse metalliche si portano a livelli termici non sostenibili per i componenti metallici basamento e testa motore ma anche per quelli interni (pistone, fasce elastiche di tenuta, etc…).
B) La rottura del termostato (102) impedisce che l’acqua passando attraverso il radiatore (104) si raffreddi e ripristini le condizioni in aspirazione alla pompa (101) a seguito dello scambio termico verso l’esterno realizzato nel radiatore. La temperatura dell’acqua tende, quindi, a salire e progressivamente realizza situazioni che impediscono o riducono fortemente il raffreddamento delle superfici metalliche lambite dal fluido.
Dei due fenomeni summenzionati, quello che presenta una dinamica più rapida (ed una situazione di immediata criticità) è senz’altro rappresentato dalla perdita di funzionalità della pompa. Infatti l’elevate potenze termiche da asportare dalle masse metalliche del motore (circa 1/3 -1/4 della potenza del combustile) favoriscono un surriscaldamento sostanzialmente immediato, con perdita della funzionalità del motore e della sua integrità strutturale.
Al crescere della potenza specifica del motore (kW/l), cresce anche la potenza termica scambiata ed il processo di surriscaldamento delle masse metalliche diventa più severo e più rapido.
L’aumento della potenza del motore a parità di cilindrata, infatti, produce situazioni dove attraverso le stesse superfici di scambio termico bagnate dall’acqua deve transitare una potenza termica superiore. Questo viene correntemente assicurato tramite un aumento del coefficiente di scambio termico convettivo forzato tra acqua e masse metalliche, ma non esiste la possibilità di un aumento oltre determinati valori. Pertanto, all’aumento della potenza specifica dei motori (tendenza usuale nei motori moderni) fa seguito una dinamica dei fenomeni di surriscaldamento più rapida e, di conseguenza, un minor tempo a disposizione per poter mettere in atto azioni di controllo.
Una situazione simile si rileva nei motori di veicolo per il trasporto delle merci, definibili heavy duty. Infatti nei motori heavy duty, alle maggiori cilindrate necessarie per avere maggiori potenze propulsive (la potenza aumenta con una dimensione volumetrica) non corrisponde la disponibilità di superfici di scambio termico che aumentano con una dimensione connessa con le superfici. Pertanto anche per i motori heavy duty si ripropone la stessa criticità precedentemente descritta.
Il trascinamento della pompa (101) avviene usualmente tramite una puleggia trascinata da un elemento flessibile (cinghia) che preleva potenza da una puleggia motrice collegata al motore e la cede a vari organi ausiliari.
La Fig. 2 illustra una puleggia motrice (110) movimentata dal motore (109). La puleggia motrice (110) muove una cinghia (111). La cinghia (111) muove la pompa (101), un alternatore (112), un’idroguida (113) e altre utenze (114).
La Fig. 3 illustra, in sezione assiale, una porzione della pompa (101). La pompa (101) comprende un albero rotante (1) fissato ad un organo rotante (2) della pompa. L’albero rotante (1) è montato girevole entro un corpo cavo (3) destinato ad essere fissato alla carcassa della pompa. Un gruppo cuscinetti (4) è disposto tra l’albero rotante (1) e il corpo cavo (3) per consentire una rotazione dell’albero rotante (1) rispetto al corpo cavo (3).
Il corpo cavo (3) comprende:
- un primo codolo (30) che forma una prima camera (31) in cui è disposto il gruppo cuscinetti (4) ed
- un secondo codolo (32) che forma una seconda camera (33) rivolta verso l’organo rotante (2) e destinata quindi ad essere riempita di fluido di raffreddamento trattato dalla pompa.
Un gruppo di tenuta (5) è disposto tra la prima camera (31) e la seconda camera (32) per evitare che il fluido di raffreddamento passi dalla seconda camera (32) verso la prima camera (31).
Il gruppo di tenuta (5) comprende una parte fissa comprendete un collare fisso (6) fissato al corpo cavo (3) e una parte mobile comprendente un collare mobile (7) fissato all’albero rotante (1). Un primo anello strisciante (60) è montato nel collare fisso (6). Un secondo anello strisciante (70) è montato nel collare mobile (7) in modo che il secondo anello strisciante (70) possa strisciare sul primo anello strisciante (60) assicurando una tenuta.
Un gruppo molle (10) è disposto nel collare fisso (6) in modo da spingere il primo anello strisciante (60) verso il secondo anello strisciante (70).
Tornando a Fig. 2, la movimentazione della pompa (101) è connessa al moto della puleggia motrice (110) che è direttamente collegata alla rotazione del motore (109). La velocità di rotazione del motore, del resto, è continuamente monitorata ed anche riportata all’attenzione del guidatore per diverse utilità funzionali al regime di funzionamento del motore, alla sicurezza, al confort di marcia, etc…
Tuttavia, il monitoraggio della velocità di rotazione del motore (109), in realtà, non assicura una certezza di rotazione della pompa (101) al rapporto di velocità desiderato. Lo slittamento della cinghia (111), la sua rottura e qualsiasi altra failure possono realizzare situazioni nelle quali il motore (109) risulta in rotazione (con l’indicazione del sensore della velocità di rotazione riportata al guidatore), ma la pompa (101) rimane ferma o giri ad una velocità inferiore a quella di normale funzionamento.
Il guidatore, quindi, non si accorge della failure connessa ad una scarsa circolazione di fluido se non assente ed osserverà tale failure e seguito del manifestarsi dell’aumento di temperatura dell’acqua motore conseguente al surriscaldamento delle masse metalliche. Risulta evidente, pertanto, che una misura diretta della velocità di rotazione della pompa (101) può scongiurare che il motore possa funzionare senza circolazione del fluido riportando immediatamente al guidatore la situazione di failure che si è venuta a creare.
Scopo della presente invenzione è di eliminare gli inconvenienti della tecnica nota, fornendo una pompa per circuito di raffreddamento di veicolo che sia in grado di fornire informazioni sulla velocità di rotazione della pompa in modo preciso, efficiente e versatile.
Altro scopo della presente invenzione è quello di fornire una tale pompa per circuito di raffreddamento di veicolo che sia in grado di fornire informazioni sulla velocità di rotazione della pompa, senza dover sconvolgere la struttura della pompa.
Questi scopi sono raggiunti in accordo all’invenzione con le caratteristiche della rivendicazione indipendente 1.
Realizzazioni vantaggiose dell’invenzione appaiono dalle rivendicazioni dipendenti.
La pompa per circuito di raffreddamento di motore di veicolo è definita nella rivendicazione 1.
Appaino evidenti i vantaggi della pompa secondo l’invenzione che consente in modo preciso, efficiente, e versatile di avere informazioni sulla velocità di rotazione dell’albero della pompa, senza dover sconvolgere la struttura della pompa e a prescindere dalla velocità di rotazione del motore del veicolo.
Ulteriori caratteristiche dell’invenzione appariranno più chiare dalla descrizione dettagliata che segue, riferita a sue forme di realizzazione puramente esemplificative e quindi non limitative, illustrate nei disegni annessi, in cui:
la Fig. 1 è una vista schematica di un circuito di raffreddamento di un motore per veicolo, secondo la tecnica nota;
la Fig. 2 è una vista schematica di una trasmissione a cinghia del motore del veicolo, secondo la tecnica nota;
la Fig. 3 è una vista in sezione assiale di una porzione di una pompa del circuito di raffreddamento di un motore di veicolo, secondo la tecnica nota;
la Figg. 4 è una vista in prospettiva di una porzione della pompa secondo l’invenzione;
la Fig. 5 è una vista in sezione assiale della porzione di pompa di Fig. 4;
la Fig. 6 è una vista in sezione assiale come Fig. 4, ma senza albero rotante della pompa;
la Fig. 7 è una vista in prospettiva del gruppo di tenuta della pompa di Fig. 4;
la Fig. 8 è una vista in sezione assiale del gruppo di tenuta di Fig. 7;
la Fig. 9 è una vista in sezione assiale di una porzione di pompa, secondo una seconda forma di realizzazione dell’invenzione che prevede un sensore ottico;
la Fig. 10 è un particolare ingrandito di Fig. 9; e
la Fig. 11 è una vista in prospettiva dal basso della parte mobile della tenuta meccanica di Fig. 11.
Con l’ausilio delle Figg. da 4 a 8 viene descritta la pompa secondo l’invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento (200).
In seguito elementi uguali o corrispondenti a quelli già descritti sono indicati con gli stessi numeri di riferimento e si omette la loro descrizione dettagliata.
Il collare fisso (6) ha una parete di fondo (65) distale rispetto all’anello strisciante (60). La parte di fondo (65) del collare fisso supporta il gruppo molle (10) che spinge il primo anello strisciante (60).
Mezzi indicatori (9) sono disposti nella parte mobile della tenuta meccanica e mezzi di rilevazione (8) sono disposi nella parte fissa della tenuta meccanica in modo da rilevare i mezzi indicatori (9).
I mezzi di rilevazione (8) sono disposti sulla parete di fondo (65) del collare fisso e rivolti verso l’interno, cioè verso l’albero della tenuta.
Il collare mobile (7) comprende un codolo (74) che viene calzato sull’albero rotante (1) in modo da fissare il collare mobile (7) all’albero rotante (1).
I mezzi indicatori (9) comprendono almeno un’aletta (90) fissata al codolo (74) del collare mobile in modo da sporgere dal codolo (74) del collare mobile in una direzione parallela all’asse dell’albero rotante (1) e disporsi in corrispondenza dei mezzi di rilevazione (8). Ad esempio possono essere previste due alette (90) disposte in posizioni diametralmente opposte.
I mezzi di rilevazione (8) sono atti a rilevare quando detta aletta (90) passa in corrispondenza dei mezzi di rilevazione (8).
Vantaggiosamente i mezzi di rilevazione (8) possono essere un sensore magnetico ad effetto Hall. In questo caso, le alette (90) sono dei magneti o in materiale magnetico.
Ovviamente i mezzi di rilevazione (8) possono comprendere altri tipi di sensori, quali sensori ottici, sensori capacitivi e simili.
I mezzi di rilevazione (8) sono collegati elettricamente ad un trasmettitore (80) disposto sul collare fisso (6). Il trasmettitore (80) è atto a trasmettere un segnale (quale un impulso) ogni volta che un’aletta (9) passa in corrispondenza dei mezzi di rilevazione (8). In questo modo un software può contare il numero di segnali trasmessi dal trasmettitore (80) nell’unità di tempo e quindi calcolare la velocità di rotazione dell’albero rotante (1).
I mezzi di rilevazione (8) ed il trasmettitore (80) possono essere due chip montati su una PCB fissata alla parete di fondo (65) del collare fisso. Il trasmettitore (80) può essere integrato nei mezzi di rilevazione (8).
Il trasmettitore (80) è operativamente collegato ad un ricevitore (82) disposto sul corpo cavo (3) e rivolto verso l’esterno del corpo cavo (3). Ad esempio, cavi elettrici (81) collegano il trasmettitore (80) al ricevitore (82). I cavi elettrici (81) passano in una camera (35) del corpo cavo in cui non c’è acqua, grazie al gruppo di tenuta (5) ed attraversano il corpo cavo (3) per collegarsi al ricevitore (82).
In alternativa, il trasmettitore (80) può essere collegato in modo wireless al ricevitore (82).
Il ricevitore (82) può essere montato su una PCB (83) fissata al corpo cavo (3). Sulla PCB (83) è montato un alimentatore (84) collegato mediante cavi elettrici (81) al trasmettitore (80) e ai mezzi di rilevazione (81) per alimentarli.
Il ricevitore (82) è collegato ad un’unità di controllo configurata in modo da calcolare la velocità di rotazione dell’albero rotante (1) della pompa.
Con riferimento alle Figg. 9 – 11, viene illustrata una pompa secondo una seconda forma di realizzazione l’invenzione, indicata complessivamente con il numero di riferimento (300).
Nella pompa (300) i mezzi di rilevazione (8) sono un sensore ottico (180).
Il sensore ottico (180) è disposto in una parete laterale interna (66) dell’anello fisso. Il sensore ottico (180) ha una parte sensibile rivolta verso il secondo anello strisciante (70).
I mezzi indicatori (9) sono una tacca o scanalatura (190) ricavata nel secondo anello strisciante, in modo da essere rilevata dal sensore ottico (180).
Con riferimento a Fig. 11, un anello (165) supporta il sensore ottico (108). L’anello (165) è fissato alla parete laterale interna (66) dell’anello fisso.
La parete laterale interna (66) dell’anello fisso comprende una pluralità di sedi incassate (67). Similmente l’anello (165) presenta una pluralità di sedi incassate (166) che si impegnano entro le sedi incassate (67) dell’anello fisso.
Vantaggiosamente il sensore ottico (108) è disposto in una delle sedi incassate (166) dell’anello.
Alle presenti forme di realizzazione dell'invenzione, possono essere apportate variazioni e modifiche equivalenti, alla portata di un tecnico del ramo, che rientrano comunque entro l'ambito dell'invenzione espresso dalle rivendicazioni annesse.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Pompa (200; 300) per circuito di raffreddamento di un motore per veicolo, detta pompa comprendendo: - un corpo cavo (3) destinato ad essere fissato ad una carcassa della pompa; - un albero rotante (1) montato girevolmente entro il corpo cavo (3); e - un gruppo di tenuta (5) disposto tra una prima camera (31) ed una seconda camera (33) del corpo cavo (3) per evitare il passaggio di un fluido di raffreddamento dalla seconda camera (33) alla prima camera (31) del corpo cavo; gruppo di tenuta (5) comprendendo: - una parte fissa comprendete un collare fisso (6) fissato al corpo cavo (3) e portante un primo anello strisciante (60); e - una parte mobile comprendete un collare mobile (7) fissato all’albero rotante (1) e portante un secondo anello strisciante (70) in modo che il secondo anello strisciante (70) possa strisciare sul primo anello strisciante (60) assicurando una tenuta; caratterizzata dal fatto che detta pompa (200) comprende inoltre: - mezzi indicatori (9) collegati a detta parte mobile della tenuta meccanica; e - mezzi di rilevazione (8) collegati a detto collare fisso (6) per rilevare quando detti mezzi indicatori (9) passano in corrispondenza dei mezzi di rilevazione (8), in modo da calcolare la velocità di rotazione dell’albero rotante (1).
- 2. Pompa (200; 300) secondo la rivendicazione 1, in cui detta pompa comprende: - un trasmettitore (80) disposto su detto collare fisso e collegato a detti mezzi di rilevazione (8); e - un ricevitore (82) disposto su detto corpo cavo (3) ed operativamente connesso a detto trasmettitore (80).
- 3. Pompa (200) secondo la rivendicazione 2, in cui detto trasmettitore (80) è collegato a detto ricevitore (82), mediante cavi elettrici (81) disposti entro una camera di detto corpo cavo in cui non c’è fluido di raffreddamento.
- 4. Pompa (200; 300) secondo la rivendicazione 3, in cui detta pompa comprende inoltre un alimentatore (84) disposto su detto corpo cavo (3) e collegato mediante cavi elettrici (81) al trasmettitore (80) e ai mezzi di rilevazione (81) per alimentarli.
- 5. Pompa (200) secondo la rivendicazione 1, in cui i mezzi di rilevazione (8) sono disposti su una superficie di fondo (65) di detto collare fisso distale da detto primo anello strisciante (60) e sono rivolti verso l’esterno del collare fisso.
- 6. Pompa (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi indicatori (9) comprendono almeno un’aletta (90) collegata a detto collare mobile (7).
- 7. Pompa (200) secondo la rivendicazione 6, in cui detto collare mobile (7) comprende un codolo (70) calzato su detto albero rotante (1) e detta almeno un’aletta (90) sporge da detto codolo in direzione parallela all’asse dell’albero rotante.
- 8. Pompa (200) secondo la rivendicazione 7, in cui detta pompa comprende due alette (90) disposte in posizioni diametralmente opposte.
- 9. Pompa (200) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detti mezzi di rilevazione (8) sono un sensore magnetico ad effetto Hall e detti mezzi indicatori (9) sono in materiale magnetico.
- 10. Pompa (300) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, in cui i mezzi di rilevazione (8) sono disposti su una parete laterale interna (66) di detto collare fisso e sono rivolti verso detto secondo anello strisciante (70) e i mezzi indicatori (9) sono disposti in detto secondo anello strisciante.
- 11. Pompa (300) secondo la rivendicazione 10, in cui i mezzi di rilevazione (8) sono un sensore ottico (180) ed i mezzi indicatori (9) sono una tacca o scanalatura (190) ricavata in detto secondo anello strisciante (70).
- 12. Pompa (300) secondo la rivendicazione 10, in cui in cui detto sensore ottico (108) è disposto in una sede incassata (166) di un anello (165) fissato alla parete laterale interna (66) di detto anello fisso.
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US20070110594A1 (en) * | 2005-11-02 | 2007-05-17 | Behr Gmbh & Co. Kg | Controllable drive for a motor vehicle, in particular for a coolant pump |
EP3137748A1 (en) * | 2014-04-30 | 2017-03-08 | FPT Industrial S.p.A. | Pump assembly for recirculating a cooling fluid of a heat engine |
US20170114792A1 (en) * | 2014-07-09 | 2017-04-27 | Hitachi Automotives Systems, Ltd. | Water pump and assembly method for water pump |
-
2018
- 2018-07-11 IT IT102018000007110A patent/IT201800007110A1/it unknown
-
2019
- 2019-07-01 WO PCT/EP2019/067588 patent/WO2020011582A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Publication number | Publication date |
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WO2020011582A1 (en) | 2020-01-16 |
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