IT201800010684A1 - Motore rotativo a combustione interna - Google Patents

Description

MOTORE ROTATIVO A COMBUSTIONE INTERNA

Descrizione

Campo di applicazione

La presente invenzione si colloca nel settore tecnico dei motori a combustione interna ed ha particolarmente per oggetto un motore a combustione interna di tipo rotativo.

Stato della tecnica

Come è noto, i comuni motori a combustione interna a movimento alternativo, pur essendo di gran lunga i più diffusi, in particolare nel settore automobilistico, presentano una serie di difetti, sia di tipo meccanico che termodinamico, che ne limitano sensibilmente l’efficienza.

Innanzitutto, in tali motori il momento della forza esercitata sul pistone varia da un valore nullo in corrispondenza del punto morto superiore ad un valore massimo per finire nuovamente a zero al punto morto inferiore, cosicché non vi è possibilità di sfruttare pienamente tutta la pressione rilasciata dalla combustione.

Una ulteriore limitazione è legata invece alla conversione del moto lineare del pistone nel moto rotante dell’albero a gomiti, accompagnata dal cambio di direzione di linea di forza.

Infatti, durante tale moto quando i valori di pressione e temperatura, e quindi dell’energia interna del fluido di lavoro, sono massimi, il braccio della forza esercitata sul pistone rispetto all’asse di rotazione è quasi nullo e di conseguenza il lavoro utile e la coppia generate sono molto piccoli.

Il cambio di volume (ed un grande cambio della velocità del pistone) è ottenuto dal movimento del pistone dal punto morto superiore a quello inferiore, in corrispondenza dei quali il rallentamento del pistone per il cambio di direzione di movimento induce un’accelerazione alternata che causa un’operatività non uniforme.

Gli ordinari motori a quattro tempi forniscono lavoro per 180° durante una rivoluzione di 720° dell’albero a gomiti. La specifica natura del processo meccanico compiuto nel cilindro, col pistone collegato dalla biella all’albero a gomiti, così che il moto alternativo del pistone possa essere convertito in moto rotante, stabilisce la geometria e la dimensione del motore.

Per questa ragione un più grande braccio di forza e di conseguenza una più grande coppia non possono essere ottenuti con motori di piccola dimensione.

Il braccio della forza varia da zero ad una lunghezza che ammonta al massimo alla metà della corsa del pistone, che è il raggio dell’albero a gomiti.

Tuttavia, nel momento in cui il braccio della forza raggiunge il massimo, la pressione è già in caduta a causa dell’espansione, e non appena l’albero a gomiti gira, il braccio della forza di nuovo si azzera, con la conseguenza aggiuntiva che un eventuale prolungamento del tempo di espansione porterebbe vantaggi pressoché nulli.

Da un punto di vista termodinamico, i comuni motori alternativi prevedono che tutte le fasi del processo siano compiute all’interno di un singolo volume, il che risulta molto sfavorevole riguardo al conseguimento di una più alta efficienza di utilizzazione dell’energia.

Infatti, in tali motori l’aggiunta di calore e l’aumento dell’energia interna del fluido di lavoro avvengono durante un periodo sfavorevole di tempo, quando, a causa delle caratteristiche meccaniche, nessun lavoro può essere prodotto.

Il lavoro è principalmente generato durante l'espansione adiabatica, quando l'energia interna del fluido di lavoro è decresciuta. Questa è una delle ragioni che impediscono ai motori alternativi di avere un migliore rendimento termico.

Inoltre, una grande quantità di calore, rilasciato durante la combustione, è trasferita alle pareti che circondano il volume di combustione e tale calore è immediatamente portato via dall’acqua di raffreddamento e, una volta dissipato nell’ambiente, perso irrecuperabilmente.

Altro calore è perso irrecuperabilmente attraverso le grandi superfici esterne per radiazione. Se a questo si aggiunge il calore perso irrecuperabilmente dai gas di scarico, ne consegue un rendimento energetico complessivo sensibilmente ridotto. Per superare almeno in parte i suddetti inconvenienti sono state progettate diverse tipologie di motori che prevedessero per i pistoni movimenti differenti rispetto a quello alternativo.

In tali tipologie di motori rientrano i motori a pistoni rotativi, quali il motore Wankel o un motore rotativo descritto in WO03/058045.

WO03/058045 descrive un motore a pistoni rotativi in cui il ciclo di lavoro avviene all’interno di un volume delimitato da una coppia di rotori, uno esterno ed uno interno, montati su uno stesso albero e resi solidali mediante un setto scorrevole alloggiato radialmente nel rotore interno e reso solidale al rotore esterno mediante un giunto cilindrico.

La differenza essenziale del nuovo processo proposto consiste nel fatto che gli eventi del processo sono eseguiti contemporaneamente in una serie di volumi di compressione ed espansione isolati dall’ambiente e tra di loro che facilitano un controllo termico più favorevole del processo.

L’aspirazione e la compressione avvengono in un cilindro, mentre in un ulteriore cilindro montato sullo stesso albero si verifica la combustione del combustibile e l'accumulo di calore durante l'espansione.

In questo modo si favorisce la rimozione del calore durante la compressione ed allo stesso tempo si migliora l’apporto di calore durante l'espansione, come nel ciclo di Carnot, che si traduce in una migliore efficienza energetica e riduzione delle perdite per radiazione. Inoltre, è anche possibile sfruttare il calore trattenuto nelle pareti che circondano i cilindri.

Tale motore si presenta come un motore rotativo molto efficiente, sia dal punto di vista meccanico che da quello termodinamico.

Da un punto di vista meccanico, il motore presenta un braccio della forza motrice quasi costante, è privo di valvole e pezzi di particolare difficoltà realizzativa che lo rendono di semplice realizzazione, comprende cuscinetti a sfere che ne facilitano l’equilibratura dinamica.

Dal punto di vista termodinamico prevede un ciclo innovativo, che consente, durante ogni ciclo, una fase di compressione particolarmente efficiente perché si svolge “a freddo” e non in cilindri surriscaldati, come quelli dei comuni propulsori alternativi, ed una fase di espansione particolarmente prolungata durante la quale viene utilizzato sia il calore del combustibile iniettato, sia il calore proveniente dalle superfici che circondano il fluido di processo e che, per una parte della durata del ciclo, risultano essere più calde del fluido stesso, potendogli quindi trasferire calore, utile alla produzione di lavoro e utilizzando quindi meglio il calore di combustione del combustibile.

Ne consegue che, almeno da un punto di vista teorico, questo motore presenta un rendimento complessivo teorico molto elevato.

Tuttavia, anche questo motore si è dimostrato migliorabile.

In particolare, si è osservato che, a causa della presenza del setto scorrevole vincolato ad entrambi i rotori, il rotore esterno e quello interno di uno stesso cilindro sono vincolati a ruotare alla stessa velocità angolare, per cui le rispettive aree di tangenza, che hanno raggi di rotazione diversi, avendo velocità periferiche diverse, strisciano l’una rispetto all’altra.

Questo strisciamento preclude una corretta tenuta reciproca o, quantomeno, provoca un’usura precoce dei due cilindri, esterno ed interno, nei punti di contatto, causando una cattiva tenuta delle camere in cui il fluido lavora.

Ancora, lo scorrimento laterale dei setti scorrevoli rispetto alle pareti laterali ferme produce un considerevole attrito tra le parti.

Un ulteriore strisciamento si verifica tra le superfici frontali esterne dei rotori esterni e le superfici fisse delle pareti laterali, anche in questo caso producendosi un considerevole attrito reciproco.

Presentazione dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di superare gli inconvenienti sopra indicati, realizzando un motore rotativo a combustione interna che presenti elevata efficienza. Uno scopo particolare è quello di realizzare un motore rotativo a combustione interna che consenta di migliorare il sopra descritto motore rotativo, andando a ridurre gli attriti ed a migliorare la tenuta del fluido di lavoro.

Tali scopi, nonché altri che appariranno più chiari in seguito, sono raggiunti da un motore rotativo a combustione interna che, in accordo alla rivendicazione 1, comprende una unità di compressione avente almeno una luce di carico ed una luce di scarico per un fluido di lavoro da comprimere, una unità di combustione ed espansione di detto fluido di lavoro in comunicazione fluidica con detta unità di compressione ed avente almeno un ingresso per il fluido compresso ed una uscita per il fluido combusto ed almeno un ingresso per il combustibile, in cui detta unità di compressione comprende almeno un primo cilindro avente un primo rotore cilindrico esterno ed un primo rotore cilindrico interno alloggiato girevolmente in detto primo rotore esterno ed avente una superficie laterale cilindrica esterna definente con la superficie laterale cilindrica interna di detto primo rotore esterno una camera di compressione di detto fluido di lavoro, in cui detta unità di combustione ed espansione comprende almeno un secondo cilindro avente un secondo rotore cilindrico esterno ed un secondo rotore cilindrico interno alloggiato girevolmente in detto secondo rotore esterno ed avente una superficie laterale cilindrica esterna definente con la superficie laterale cilindrica interna di detto secondo rotore esterno una camera di combustione ed espansione di detto fluido di lavoro, ed in cui ognuno di detti rotori interni presenta una scanalatura assiale atta ad alloggiare un rispettivo setto mobile radialmente scorrevole nella rispettiva scanalatura assiale per inserirsi nelle rispettive camere di compressione e di combustione ed espansione con profondità variabile e variarne il volume durante un ciclo di lavoro.

I setti sono liberi di scorrere radialmente rispetto ai corrispondenti rotori esterni per consentire il rotolamento senza strisciamento delle superficie laterali esterne dei corrispondenti rotori interni sulle superficie laterali interne dei corrispondenti rotori esterni.

Grazie a questa combinazione di caratteristiche, si elimineranno gli attriti generati dallo strisciamento dei setti rispetto ai rotori esterni, migliorando la tenuta complessiva.

Ulteriori accorgimenti descritti più in dettaglio in seguito permetteranno di ridurre ulteriormente gli attriti e migliorare la tenuta, incrementando l’efficienza complessiva del motore.

Forme vantaggiose di esecuzione dell’invenzione sono ottenute in accordo alle rivendicazioni dipendenti.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un motore rotativo a combustione interna secondo l’invenzione, illustrata a titolo di esempio non limitativo con l’aiuto delle unite tavole di disegno in cui: la FIG. 1 è una vista prospettica del motore secondo l’invenzione privo del carter di contenimento per la visione del suo interno;

la FIG. 2 è una vista prospettica in spaccato del motore della Fig. 1;

la FIG. 3 è una vista in sezione assiale del motore della Fig. 1;

la FIG. 4 è una vista prospettica esplosa di un cilindro del motore della Fig. 1; la FIG. 5 è una vista prospettica del secondo rotore interno del motore della Fig. 1; la FIG. 6 è una vista prospettica ingrandita di un primo dettaglio del motore della Fig. 1 illustrante uno dei rotori interni;

la FIG. 7 è una vista prospettica ingrandita di un secondo dettaglio del motore della Fig. 1 illustrante uno dei setti mobili;

la FIG. 8 è una vista prospettica ingrandita di un terzo dettaglio del motore di Fig. 1 illustrante la scanalatura radiale di uno dei rotori interni;

le FIGG. dalla 9 alla 14 illustrano alcune componenti del motore secondo una sequenza operativa durante un ciclo di funzionamento;

la FIG. 15 è un diagramma della pressione di ciclo nel motore rotativo;

la FIG. 16 è un diagramma della temperatura di ciclo nel motore rotativo;

la FIG. 17 è il diagramma di Clapeyron nel motore rotativo;

la FIG. 18 è il diagramma del lavoro sviluppato in un ciclo dal motore rotativo.

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferito Con riferimento alla Fig. 1, è illustrato un motore rotativo a combustione interna secondo l’invenzione destinato ad essere applicato ad un qualsiasi veicolo e che si compone essenzialmente di una prima unità 2 di compressione di un fluido da comprimere, generalmente aria aspirata dall’esterno, e da una seconda unità 3 di combustione ed espansione del fluido di lavoro in comunicazione fluidica con l’unità di compressione 2.

L’unità di compressione 2 e l’unità di combustione ed espansione 3 sono montate su uno stesso albero motore 4 provvisto alle estremità di mezzi a cuscinetto 5 per il suo montaggio girevole ad un carter di contenimento, non illustrato.

Nella configurazione illustrata, preferita ma non esclusiva, l’unità di compressione 2 comprende un primo cilindro 6 con un primo rotore cilindrico esterno 7 ed un primo rotore cilindrico interno 8 alloggiato girevolmente nel primo rotore esterno 7, come visibile più chiaramente dalla Fig. 2.

Inoltre, il primo rotore interno 8 ha una superficie laterale cilindrica esterna 9 definente con la superficie laterale cilindrica interna 10 del primo rotore esterno 7 e con il setto scorrevole 31 della stessa unità 2 di compressione una camera di compressione 11 del fluido di lavoro, avente una luce di carico 12 per l’ingresso nella camera di compressione 11.

Quest’ultima presenta anche una luce di scarico 13 del fluido di lavoro compresso per il suo invio in condizione compressa alla unità di combustione ed espansione 3, che sarà così messa in comunicazione fluidica con l’unità di compressione 2 attraverso una propria luce di ingresso 14 per il fluido compresso.

A sua volta, l’unità di combustione ed espansione 3 comprende almeno un secondo cilindro 15 avente un secondo rotore cilindrico esterno 16 ed un secondo rotore cilindrico interno 17 alloggiato girevolmente nel secondo rotore esterno 16 ed avente una superficie laterale cilindrica esterna 18 definente con la superficie laterale cilindrica interna 19 del secondo rotore esterno 16 una camera di combustione ed espansione 20 del fluido di lavoro compresso.

La camera di combustione ed espansione 20 è provvista della suddetta luce di ingresso 14 del fluido compresso e di almeno un ulteriore passaggio 21 per l’ingresso del combustibile, ad esempio una comune benzina o altro fluido combustibile comunemente adoperato nei motori a combustione interna.

L’unità di compressione ed espansione 3 comprende inoltre un terzo cilindro 22 posto a valle del secondo cilindro 15 rispetto alla direzione di avanzamento del fluido di lavoro.

Il terzo cilindro 22 si compone anch’esso di un terzo rotore cilindrico esterno 23 ed un terzo rotore cilindrico interno 24 alloggiato girevolmente nel terzo rotore esterno 23 ed avente una superficie laterale cilindrica esterna 25 definente con la superficie laterale cilindrica interna 26 del terzo rotore esterno 23 una camera di espansione e scarico 27 posta in comunicazione fluidica da un lato con la camera di combustione ed espansione 20 mediante una apposita luce di ingresso interna 28 in comunicazione con una luce di uscita 47 del secondo cilindro 15 e dall’altro con l’esterno mediante una luce di uscita 29 del fluido di lavoro combusto.

Opportunamente, i rotori interni 8, 17, 24 dei tre cilindri 6, 15, 22 sono montati sullo stesso albero di trasmissione 4 e resi solidali in rotazione allo stesso per ruotare all’interno dei rispettivi rotori esterni 7, 16, 23.

Inoltre, ognuno dei rotori interni 8, 17, 24 presenta una scanalatura assiale 30 atta ad alloggiare un rispettivo setto mobile 31, radialmente scorrevole nella rispettiva scanalatura assiale 30 per inserirsi nella rispettiva camera 11, 20, 27con profondità variabile, così da variarne il volume durante un ciclo di lavoro, come sarà descritto più in dettaglio nel seguito.

In maniera vantaggiosa, sia il setto 31 del primo cilindro 6 che quello del secondo cilindro 15, ed eventualmente anche il setto 31 del terzo cilindro 22, sono liberi di scorrere radialmente rispetto ai corrispondenti rotori esterni 7, 16, 23.

In questo modo, i rotori esterni 7, 16, 23 non saranno costretti a ruotare alla stessa velocità angolare dei rispettivi rotori interni 8, 17, 24, la quale circostanza porterebbe allo strisciamento reciproco tra le superfici di tangenza tra le due superfici cilindriche reciprocamente affacciate di ogni coppia di rotori.

Al contrario, la peculiare configurazione del setto mobile 31 permetterà alle superfici laterali esterne 9, 18, 25 dei rotori interni 8, 17, 24 di avere un moto di rotolamento senza strisciamento sulle superfici laterali interne 10, 19, 26 dei corrispondenti rotori esterni 7, 16, 23.

Per ognuna delle camere di lavoro 11, 20, 27, il relativo setto scorrevole 31 delimiterà una camera anteriore 11’, 20’, 27’, che precede il setto 31 durante la sua rotazione, ed una camera posteriore 11’’, 20’’, 27’’ che lo segue.

Come si osserva più chiaramente dalla Fig.3, il primo cilindro 6 ed il secondo cilindro 15 sono calettati sull’albero motore 4 in fase tra loro, mentre il terzo cilindro 22 sarà sfasato di un angolo predeterminato rispetto agli stessi ed in particolare con una sfasatura di 180°.

Inoltre, ogni rotore esterno 7, 16, 23 sarà posto a contatto con una rispettiva coppia di cuscinetti 32, 33, 34, preferibilmente cuscinetti a rulli, disposti esternamente agli stessi.

Ogni coppia di cuscinetti 32, 33, 34 sarà atta ad esercitare sul corrispondente rotore esterno 7, 16, 23 una sollecitazione radiale atta a contrastarne eventuali traslazioni radiali e permettere così il rotolamento senza strisciamento tra la loro superficie interna 10, 19, 26 e la superficie esterna 9, 18, 25 del rotore interno 8, 17, 24.

In conseguenza della sfasatura del terzo cilindro 22 rispetto agli altri due cilindri, i cuscinetti 34 associati ad esso saranno disposti simmetricamente alle altre due coppie di cuscinetti 32, 33 secondo un piano passante per l’asse dell’albero motore 4.

La comunicazione fluidica tra la camera di compressione 11 e la camera di combustione ed espansione 20 sarà realizzata per mezzo di una camera di accumulo 35 atta a ricevere in ingresso dalla camera di compressione 11, attraverso la sua luce di scarico 13, il fluido di lavoro compresso ed inviarlo alla camera di combustione ed espansione 20 in condizioni di temperatura e pressione sostanzialmente invariate. Una prima funzione della camera di accumulo 35 è quella di ricevere il fluido di lavoro compresso dal primo cilindro 6 in attesa che questo venga trasferito nel secondo cilindro 15.

Inoltre, la camera di accumulo 35 ha il compito di impedire che il calore ad alta temperatura del secondo cilindro 15, nel quale si svolgeranno le trasformazioni a più alte temperature, ossia combustione e prima espansione, si trasferisca al primo cilindro di compressione 6, svolgendo quindi una funzione di taglio termico tra il primo cilindro 6, che dovrebbe rimanere alla temperatura più bassa possibile, ed il secondo cilindro 20, che invece, per le trasformazioni che in esso si svolgono, ha una temperatura media nettamente più alta.

La camera di accumulo 35 svolge inoltre la funzione di accumulo/polmone del fluido compresso, in modo da smorzare indesiderati picchi di pressione che potrebbero verificarsi, in sua assenza, durante le fasi di trasferimento del fluido di lavoro dal primo cilindro 6 al secondo cilindro 20.

Vantaggiosamente, ogni cilindro 6, 20, 22 sarà frontalmente chiuso da una rispettiva coppia di dischi di tenuta 36, 37, 38 solidali in rotazione ai rispettivi rotori interni 8, 17, 24 ed aventi lo scopo di garantire la tenuta delle rispettive camere interne ai rotori. I dischi 36, 37, 38 hanno diametro tale da coprire anche i corrispondenti rotori esterni 7, 16, 23 e che sarà preferibilmente uguale al diametro del rotore interno maggiorato almeno della differenza tra il diametro esterno del rotore esterno ed il diametro esterno del rotore interno.

La funzione dei dischi 36, 37, 38 è quella di diminuire gli attriti laterali dei setti scorrevoli 30 sui dischi stessi, in quanto i setti scorrevoli 30 ed i dischi 36, 37, 38 avranno la stessa velocità angolare, riducendo sensibilmente la produzione di attriti nello scorrimento radiale reciproco.

Ancora, ognuno dei cilindri 6, 15, 22 è racchiuso tra una coppia di diaframmi 39, 40, 41 atti a guidare e contenere frontalmente i rispettivi rotori esterni 7, 16, 23.

Un attrito limitato si verificherà tra le superfici esterne dei dischi 36, 37, 38 e le pareti interne dei diaframmi strutturali 39, 40, 41, limitatamente alle zone di reciproco contatto, cioè quelle circostanti alle rispettive luci di entrata ed uscita del fluido, zone di contatto percentualmente molto piccole rispetto alla superficie laterale sia dei dischi che delle pareti dei diaframmi.

In pratica, queste superfici di contatto saranno delle corone circolari sporgenti di poco dalle superfici laterali dei dischi 36, 37, 38, in corrispondenza delle luci di passaggio del fluido di lavoro.

Come più chiaramente visibile dalle Figg. 6 e 7, ognuno dei setti scorrevoli 31 comprende una o più guarnizioni di tenuta assiali 42 poste sulla parete assiale e destinate a strisciare sulla rispettiva superficie interna 10, 19, 26 del rotore esterno 7, 16, 23 ed una coppia di guarnizioni di tenuta radiali 42 poste sulle pareti radiali per strisciare su corrispondenti dischi di tenuta 36, 37, 38.

Inoltre, ognuna delle scanalature assiali 30 dei rotori interni 8, 17, 24 comprende almeno una coppia di guarnizioni assiali di tenuta 44 atte a separare i volumi delle camere di lavoro del fluido poste da parte opposta rispetto al relativo setto 31 durante la rotazione dello stesso, come visibile in Fig. 8.

Opportunamente, il primo cilindro di compressione 6 comprenderà anche una luce di sfiato 45 atta a mantenere la porzione della camera di compressione 11 posta a valle del setto 31 rispetto alla direzione di rotazione dello stesso in comunicazione con l’ambiente esterno.

Analogamente, nel secondo cilindro 15 e nel terzo cilindro 22 le porzioni posteriori 20’, 27’ delle camere 20, 27 sono quelle dove avviene il lavoro di espansione mentre nelle porzioni anteriori 20’’, 27’’ occorrerà mantenere una pressione quanto più possibile vicina a quella atmosferica, in modo da evitare forze resistenti all’avanzamento del setto 31.

A questo scopo sono previste rispettive luci di sfiato 46, 48 disegnate in modo da mettere in comunicazione quasi costantemente le porzioni anteriori 20’’, 27’’ con ambienti a pressione atmosferica.

Di seguito si descrive, con riferimento alle Figg. dalla 9 alla 14, il funzionamento di un ciclo termodinamico realizzato dal motore secondo l’invenzione e le relative trasformazioni del fluido di lavoro che, durante la rotazione del motore, attraversa i componenti del motore sopra elencati.

All’inizio del ciclo, per i primi 360 gradi di rotazione il fluido di lavoro entrerà, tramite la luce di carico, nel primo cilindro di compressione.

In tale cilindro, la compressione avverrà nella camera anteriore, mentre nella camera posteriore occorrerà mantenere una pressione quanto più possibile vicina a quella atmosferica, in modo da evitare forze resistenti all’avanzamento del setto.

A questo scopo sono previste le suddette luci di sfiato, progettate in modo da mettere in comunicazione quasi costantemente la camera posteriore con il carter, che si trova a pressione atmosferica.

Alla chiusura della luce di carico inizierà la fase di compressione, per la quale nella sequenza della Fig. 10 sono illustrati i momenti di inizio, metà e fine ciclo. In questa fase è previsto che il fluido di lavoro effettui una prima fase quasi-isotermica mentre, per la fase rimanente, effettui una compressione adiabatica.

Al termine della fase di compressione, il fluido compresso passerà attraverso la luce di scarico per entrare nella camera di accumulo mantenendo quasi le stesse condizioni di pressione e temperatura.

Successivamente, si apriranno le luci di ingresso della camera di combustione ed espansione per il trasferimento del fluido nel secondo cilindro che si troverà nella sua fase di inizio espansione come illustrato in Fig. 11.

Non appena finito tale trasferimento, il fluido, confinato tra pareti più calde di quelle dalla camera di accumulo, comincerà ad espandersi producendo una certa quantità di lavoro.

Quasi contemporaneamente, qualche grado di rotazione più tardi, verrà effettuata l’iniezione del combustibile il quale, trovando un ambiente carico di comburente molto caldo e ad una notevole pressione, brucerà quasi istantaneamente producendo un aumento quasi istantaneo di pressione e temperatura con una trasformazione quasiisocora.

Nella fase successiva, illustrata in Fig. 12, il fluido si espanderà dapprima isobaricamente e poi man mano tendendo verso una trasformazione adiabatica.

L’espansione si prolunga poi nel terzo cilindro e nella camera di espansione e scarico, in seguito all’apertura del relativo ingresso che avviene quasi alla metà della espansione nel secondo cilindro, dopo circa 180° di rotazione, per il trasferimento graduale del fluido di lavoro nel terzo cilindro, come illustrato in Fig. 13.

Il fluido di lavoro giunto nel terzo cilindro inizia in quell’istante la sua fase di espansione, pur continuando ad espandersi anche nel secondo cilindro.

Successivamente il fluido di lavoro, ormai passato interamente nel terzo cilindro, prolunga la sua espansione per altri 90° gradi circa producendo ulteriore lavoro di espansione, fino all’apertura della luce di scarico del terzo cilindro in modo da scaricare il fluido di lavoro in atmosfera ad una pressione di poco superiore a quella atmosferica, come visibile in Fig. 14.

In pratica l’espansione, iniziata nel secondo cilindro, prosegue nel terzo cilindro perdendo pressione e temperatura, ma guadagnando lavoro utile, fino alla apertura della luce di scarico.

Le performance del motore rotativo sono il risultato dello specifico ciclo termodinamico che il fluido di lavoro compie nell’attraversamento dei tre cilindri con le modalità sopra descritte.

Di seguito si riporta una simulazione del ciclo considerando il fluido di lavoro come un gas perfetto ed ipotizzando che le trasformazioni termodinamiche di lavoro possano essere assimilate a politropiche con opportuni valori dell’esponente n:

pV<n >= costante [1]

dove p e V sono rispettivamente la pressione e il volume del fluido di lavoro.

A titolo meramente esemplificativo e non limitativo, facendo riferimento ad un motore dotato di tre cilindri delle stesse dimensioni e ciascuno dei quali con una cilindrata di 501 cm<3>, e ipotizzando che le condizioni iniziali dell’aria aspirata siano p = 1,05 bar (0,106 MPa) e T = 21°C (294,15 K), applicando l’equazione [1] alle variazioni di volume man mano sviluppate nei cilindri mediante la loro rotazione, si ottiene il diagramma della pressione rappresentato in Fig. 15.

Per ogni angolo di rotazione, le condizioni di pressione e volume determinano, in accordo all’equazione dei gas perfetti, la temperatura del fluido di lavoro, rappresentata nella Fig. 16.

Le due figure evidenziano anche gli angoli esemplificativi di inizio/fine delle fasi più rilevanti del processo che si svolge in un ciclo e descritte in precedenza.

La chiusura della luce di carico del primo cilindro dà inizio alla fase di compressione, che termina quando la pressione raggiunge 85,6 bar e la temperatura 683 K con l’apertura della luce di scarico che mette in comunicazione il cilindro compressore con la camera di accumulo, dotata di un volume di 693 cm<3>.

Il fluido entra successivamente attraverso la luce di ingresso nel secondo cilindro di combustione ed espansione con condizioni di temperatura e pressione (685 K; 82,7 bar) leggermente diverse a quelli di fine compressione.

Il fluido inizia a scaldarsi per effetto del calore scambiato con le pareti calde del secondo cilindro e immediatamente dopo anche per la combustione del carburante iniettato nella camera di combustione del secondo cilindro.

In questa fase, attraverso una trasformazione quasi isocora seguita da una isobara, la pressione e la temperatura raggiungono i valori massimi del ciclo, rispettivamente di 118,6 bar e di 2.884 K.

Successivamente il fluido si espande a causa dell’incremento del volume disponibile prima nella camera di combustione ed espansione e successivamente in entrambe le camere di espansione messe in comunicazione tramite le rispettive luci per un ampio angolo di rotazione.

Infine, una ultima fase di espansione avverrà soltanto nel terzo cilindro di espansione fino all’apertura delle luci di scarico con fluido a pressione di 1,9 bar e temperatura di 1.185 K.

Nella Fig. 17 è illustrato il diagramma di Clapeyron (diagramma pressione-volume) ed il lavoro sviluppato, con evidenziate le fasi di compressione e accumulo, seguite dalle fasi di combustione, espansione e scarico.

Sulla base delle condizioni termodinamiche simulate è stato calcolato anche il lavoro sviluppato durante il ciclo.

In Fig. 18 è illustrato il lavoro assorbito nella fase di compressione, che viene successivamente compensato nelle prime fasi di combustione-espansione. Alla fine del ciclo il lavoro netto prodotto e di 902 J. Analogamente è stato calcolato anche il calore scambiato, pari a 0,376 kcal e corrispondente al calore di combustione del combustibile immesso nel ciclo.

Le prestazioni del motore rotativo utilizzato come esempio non limitativo nella tabella seguente, per una velocità di 3.000 giri al minuto.

Tabella

Il motore rotativo mostra pertanto un rendimento termodinamico particolarmente elevato, dal quale discendono le ottime prestazioni di potenza rispetto alla cilindrata e quindi alle dimensioni geometriche relativamente ridotte.

Analogamente il consumo di combustibile è piuttosto contenuto, anche se nelle condizioni reali le prestazioni del motore potranno risultare inferiori a quelle calcolate a causa di diverse perdite nelle varie fasi del ciclo.

Il motore secondo l’invenzione è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela della presente invenzione.

Claims (10)

1. Rivendicazioni 1. Un motore rotativo a combustione interna, comprendente: − una unità di compressione (2) avente almeno una luce di carico (12) ed una luce di scarico (13) per un fluido di lavoro da comprimere; − una unità di combustione ed espansione (3) di detto fluido di lavoro in comunicazione fluidica con detta unità di compressione (2) avente almeno una luce di ingresso (14) per il fluido compresso ed una luce di uscita (29) per il fluido combusto ed almeno un passaggio (21) per l’ingresso per il combustibile; in cui detta unità di compressione (2) comprende almeno un primo cilindro (6) avente un primo rotore cilindrico esterno (7) ed un primo rotore cilindrico interno (8) alloggiato girevolmente in detto primo rotore esterno (7) ed avente una superfice laterale esterna cilindrica (9) definente con la superficie laterale cilindrica interna (10) di detto primo rotore esterno (7) una camera di compressione (11) di detto fluido di lavoro; in cui detta unità di combustione ed espansione (3) comprende almeno un secondo cilindro (15) avente un secondo rotore cilindrico esterno (16) ed un secondo rotore cilindrico interno (17) alloggiato girevolmente in detto secondo rotore esterno (16) ed avente una superficie laterale cilindrica esterna (18) definente con la superfice laterale cilindrica interna (19) di detto secondo rotore esterno (16) una camera di combustione ed espansione (20) di detto fluido di lavoro; in cui ognuno di detti rotori interni (8, 17) presenta una scanalatura assiale (30) atta ad alloggiare un rispettivo setto (31) radialmente scorrevole nella rispettiva scanalatura assiale (30) per inserirsi nelle rispettive camere di compressione (11) e di combustione ed espansione (20) con profondità variabile per variarne il volume durante un ciclo di lavoro; caratterizzato dal fatto che detti setti (31) sono liberi di scorrere radialmente rispetto ai corrispondenti rotori esterni (7, 16) per consentire il rotolamento senza strisciamento delle superficie laterali esterne (9, 18) dei corrispondenti rotori interni (8, 17) sulle superficie laterali interne (10, 19) dei corrispondenti rotori esterni (7, 16).
2. 2. Motore rotativo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta unità di compressione ed espansione (3) comprende un terzo cilindro (22) posto a valle di detto secondo cilindro (15) rispetto alla direzione di avanzamento del fluido ed avente un terzo rotore cilindrico esterno (23) ed un terzo rotore cilindrico interno (24) alloggiato girevolmente in detto terzo rotore esterno (23) ed avente una superficie laterale cilindrica esterna (25) definente con la superfice laterale cilindrica interna (26) di detto terzo rotore esterno (23) una camera di espansione e scarico (27) di detto fluido di lavoro combusto posta in comunicazione fluidica con detta camera di combustione ed espansione (20).
3. 3. Motore rotativo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto terzo rotore interno (24) presenta una scanalatura assiale (30) atta ad alloggiare un rispettivo setto mobile (31) radialmente scorrevole in detta rispettiva scanalatura assiale (30) in maniera libera rispetto a detto terzo rotore esterno (23) per inserirsi in detta camera di espansione e scarico (27) con profondità variabile e variarne il volume durante il ciclo di lavoro.
4. 4. Motore rotativo secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detto primo cilindro (6) e detto secondo cilindro (15) sono calettati su uno stesso albero motore (4) in fase tra loro, detto terzo cilindro (22) essendo montato su detto albero (4) sfasato di un angolo predeterminato rispetto agli altri due cilindri, detto albero motore (4) essendo provvisto alle estremità di mezzi a cuscinetto (5) per il suo montaggio girevole ad un carter di contenimento.
5. 5. Motore rotativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta unità di compressione (2) e detta unità di combustione ed espansione (3) comprendono rispettive coppie di cuscinetti (32, 33, 34) disposti esternamente a contatto con un rispettivo rotore esterno (7, 16, 23) per esercitare sugli stessi una sollecitazione radiale atta a permettere il rotolamento tra le superfici interne (10, 19, 26) dei rispettivi rotori esterni (7, 16, 23) e le superfici esterna (9, 18, 25) dei rispettivi rotori interni (8, 17, 24).
6. 6. Motore rotativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere una camera di accumulo (35) atta a porre in comunicazione fluidica detta camera di compressione (11) con detta camera di combustione ed espansione (20) per ricevere da detta camera di compressione (11) il fluido di lavoro compresso ed inviarlo a detta camera di combustione ed espansione (20) in condizioni di temperatura e pressione sostanzialmente invariate.
7. 7. Motore rotativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti cilindri (6, 15, 22) è chiuso frontalmente da una rispettiva coppia di dischi (36, 37, 38) solidali in rotazione ai rispettivi rotori interni (8, 17, 24).
8. 8. Motore rotativo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti cilindri (6, 15, 22) è racchiuso tra una coppia di diaframmi (39, 40, 41) atti a guidare e contenere frontalmente i rispettivi rotori esterni (7, 16, 23) ed i rispettivi dischi (36, 37, 38).
9. 9. Motore rotativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che ognuno di detti setti mobili (31) comprende una o più guarnizioni di tenuta assiali (42) poste sulla parete assiale destinata a strisciare su detta superficie interna (10, 18, 26) del rispettivo di detti rotori esterni (7, 16, 23) ed una coppia di guarnizioni di tenuta radiali (43) poste sulle pareti radiali atte a strisciare su corrispondenti dischi (36, 37, 38), ognuna di dette scanalature assiali (30) comprendendo almeno una coppia di guarnizioni assiali di tenuta (44) atte a separare i volumi delle camere di lavoro del fluido poste da parte opposta rispetto al relativo setto (31) durante la rotazione dello stesso.
10. 10. Motore rotativo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo cilindro di compressione (6) comprende almeno una luce di sfiato (45) atta a mantenere la porzione (11’’) di detta camera di compressione (11) posta a valle di detto setto (31) rispetto alla direzione di rotazione dello stesso in comunicazione con l’ambiente esterno.