IT202000009403A1 - Motore a combustione interna ad accensione comandata - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:

?Motore a combustione interna ad accensione comandata?

Campo di applicazione dell?invenzione

La presente invenzione ? relativa al campo dei motori a combustione interna ad accensione comandata.

Stato della tecnica

Nell?ambito dei motori a combustione interna a ciclo Diesel ? nota l?iniezione indiretta di combustibile in una cosiddetta pre-camera di combustione.

La precamera consiste in una camera direttamente e liberamente comunicante con la camera di combustione, cio? la camera definita tra la testa del motore e la superficie superiore del pistone che si affaccia verso la testa.

In tal caso si parla di motori "ad iniezione indiretta". Tale soluzione ? stata impiegata in passato nelle prime applicazioni automobilistiche del diesel, caratterizzate da piccola cilindrata ed alta velocit? di rotazione rispetto alle tradizionali applicazioni pesanti. Tale sistema favorisce la combustione accelerando il miscelamento tra le piccole quantit? di gasolio iniettato e l'aria.

Successivamente ? stata introdotta anche nei motori ad accensione comandata la precamera vera e propria intesa come porzione, separata dalla camera di combustione principale, simile nel layout a quella dei motori a ciclo Diesel, suddividendosi in precamera attiva e precamera passiva.

In ogni caso, la candela ? disposta nella precamera di accensione.

La precamera attiva prevede l?utilizzo di un iniettore di combustibile dedicato alla precamera, per iniettarvi direttamente combustibile. In taluni casi la precamera attiva comprende anche una immissione di aria, forzata o meno. Queste tecnologie vengono largamente impiegate in F1 e sono allo studio anche per i motori di serie.

La precamera passiva, molto pi? semplice delle precamere attive, ? state largamente adoperata in ambito motoristico nei motori a grande alesaggio alimentati a gas, ma essendo priva di un iniettore e di una luce di immissione aria dedicati, ? stata parzialmente soppiantata dalla iniezione diretta, in quanto il lavaggio della precamera risulta difficoltoso e spesso impossibile per la dimensione minima dei passaggi tra precamera e camera di combustione principale. Questo comporta un alto tenore di gas residui all?interno della precamera proprio laddove lo scoccare della scintilla dalla candela richiederebbe una miscela stechiometrica o leggermente ricca e priva di gas residui che rallentano l?accensione. Questo effetto negativo ? sentito soprattutto quando si prevede di introdurre la ricircolazione di gas esausto nota come EGR, in quanto, si rischia la mancata accensione della miscela.

Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.

Sommario dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di presentare una precamera di accensione passiva atta a superare i problemi dell?arte nota.

L?idea di base della presente invenzione ? quella di realizzare la precamera, non esternamente alla camera di combustione, ma direttamente all?interno della camera di combustione in modo da meglio esporla ai flussi di aria fresca durante la fase di aspirazione, ottenendo un lavaggio ottimale della stessa ed un suo raffreddamento efficace.

In alcune condizioni operative, la precamera compartimenta, almeno parzialmente, una porzione della camera di combustione del motore, mentre in altre condizioni operative, la precamera ? completamente comunicante col restante volume della camera di combustione in cui la precamera ? ricavata.

Si pu? prevedere che una porzione della precamera risulti all?interno della testa, ma si tratta in ogni caso di una porzione da rendere minoritaria, compatibilmente alle esigenze dimensionali del motore, rispetto alla porzione di precamera ricavata dal volume della camera di combustione. Pi? in particolare, ciascun gruppo cilindro/pistone definisce due accoppiamenti prismatici, uno nell?altro. E? noto che un pistone, detto anche componente maschio, trasla assialmente all?interno di un relativo cilindro, detto anche componente femmina, avente una cavit? interna con forma complementare al componente maschio. Secondo la presente invenzione, il pistone, nella superficie superiore comprende un elemento maschio, ulteriore rispetto allo stesso pistone, atto a compenetrare una cavit? definente la precamera, la quale ? definita da un elemento longitudinale tubolare, evidentemente formato da una parete perimetrale, che dalla testa del motore protrude all?interno della camera di combustione, in modo che l?elemento maschio compenetra la precamera quando il pistone ? prossimale al punto morto superiore.

Evidentemente l?elemento tubolare e longitudinale, definente un elemento femmina, e l?elemento maschio risultano coassiali ed almeno paralleli con un asse del cilindro/pistone.

In altre parole, si tratta, nel complesso, di due accoppiamenti prismatici, uno nell?altro.

Un vantaggio principale ? quello che, essendo la precamera sostanzialmente o completamente all?interno della camera di combustione, essa scambia un calore con l?ambiente esterno molto limitato. Tale scambio ? riconducibile alla conduzione tra l?elemento femmina e la testa oppure alla porzione di cavit? direttamente ricavata nella testa, quando la precamera ? parzialmente anche se minoritariamente definita nella testa.

Almeno una candela di accensione si affaccia all?interno della precamera.

Evidentemente si potrebbe anche pensare ad una inversione meccanica in cui la parete perimetrale della precamera ? di pezzo con il pistone piuttosto che con la testa ed il componente maschio, protrude dalla testa in modo da inserirsi nella parete perimetrale quando il pistone ? prossimale al punto morto superiore. Ovviamente il componente maschio in questione deve comprendere l?alloggiamento della candela di accensione od essere essa stessa di opportuna forma e dimensione complementare con la precamera.

La parete perimetrale, cio? l?elemento femmina, comprende aperture laterali dette anche aperture passanti disposte in modo da rimanere attraversabili in qualunque posizione dell?elemento maschio. Preferibilmente, l?estremo aperto dell?elemento femmina che definisce la precamera, ha una tolleranza rispetto alle dimensioni trasversali dell?elemento maschio tale da fare tenuta almeno durante il movimento di avvicinamento del pistone al punto morto superiore.

Preferibilmente, tale tolleranza ? minimale compatibilmente con il gioco che c?? tra il pistone ed il relativo cilindro e le dilatazioni termiche.

Questo implica che l?elemento maschio ha forma di prisma retto, preferibilmente di forma cilindrica. Preferibilmente, anche la precamera ha forma di solido di rotazione e ancora pi? preferibilmente cilindrica.

La superficie superiore del pistone ? quella su cui maggiormente agiscono le forze di pressione durante la fase di scoppio della miscela, e spesso ? appellata come ?corona?.

Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando 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 ? mostrato un esempio di motore a combustione interna secondo la presente invenzione;

nelle figure 2 ? 8 sono mostrate diverse fasi di funzionamento del motore di figura 1;

nelle figure 9 ? 10 sono mostrate varianti del motore di figura 1.

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

Nell?ambito della presente descrizione il termine ?secondo? componente non implica la presenza di un ?primo? componente. Tali termini sono infatti adoperati come etichette per migliorare la chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

Con riferimento alla figura 1, viene mostrato un esempio di motore M a combustione interna secondo la presente invenzione.

E? schematizzato un cilindro C in cui scorre assialmente un pistone P, operativamente collegato ad un albero motore CK mediante un manovellismo B.

La camera di combustione CC ? definita tra la superficie superiore PS del pistone P, il cilindro C e la testa H che chiude il cilindro.

Nella testa sono ricavate una o pi? aperture ed associate relative valvole OPI, OPO rispettivamente per l?aspirazione e lo scarico di una miscela fresca e di gas esausti.

Sono ad esempio raffigurate due valvole a fungo in s? note. Nella camera di combustione CC, attraverso la testa T, si affaccia una candela di accensione SPL.

Secondo la presente invenzione, una precamera PCC ? realizzata all?interno della camera di combustione CC.

La precamera comprende una parete perimetrale PCP, che dalla testa H del motore protrude all?interno della camera di combustione.

La parete perimetrale ha forma tubolare longitudinale, con un estremo, detto base, di pezzo con la testa H ed un estremo opposto, libero e prospiciente il pistone.

La superficie superiore PS del pistone P comprende un elemento maschio PIN avente forma longitudinale conformato in modo da poter penetrare nella parete perimetrale definente la precamera PCC durante il moto del pistone P, nel relativo cilindro C, verso il punto morto superiore, generalmente appellato TDC dall?acronimo anglosassone Top Dead Center.

Pertanto, il pistone P accoppiato al relativo cilindro definisce un primo accoppiamento prismatico. Il PIN, di pezzo ed emergente dalla superficie superiore PS del pistone, accoppiato alla precamera PCC definisce un secondo accoppiamento prismatico.

Evidentemente l?asse di sviluppo del PIN ? coassiale con l?asse di sviluppo della precamera, definita dalla suddetta superficie laterale.

Preferibilmente, l?asse di sviluppo del PIN coincide con l?asse del pistone.

E? noto che il pistone ha generalmente forma cilindrica, cio? un solido di rotazione che esprime un proprio asse lungo il quale lo stesso pistone ? atto a muoversi nel consueto moto alternato. Una ottimale configurazione prevede che l?asse di sviluppo del PIN coincide con l?asse del pistone, ma ci? non ? essenziale.

La candela SPL ? disposta in modo da affacciarsi nella precamera, inoltre, la precamera comprende aperture passanti PTO nella superficie laterale per consentire sia il lavaggio della stessa precamera, sia la propagazione del fronte di fiamma, sotto forma di getti di gas incandescenti, durante la combustione.

L?estensione assiale della precamera, del PIN e la corsa del pistone P sono interrelati.

Evidentemente, il PIN ? dimensionato in modo da non impattare, al punto morto superiore, con la testa e qualunque componente che da essa protrude nella precamera, come per esempio la candela.

Preferibilmente l?arco angolare in cui il PIN ? all?interno della precamera va da -40? bTDCF (prima del punto morto superiore) a 40? aTDCF (dopo il punto morto superiore) cio? in un intorno di circa 80 gradi del punto morto superiore. Tale valore va inteso come indicativo e non limitativo in quanto dipendente dalla velocit? di combustione di cui la precamera ? solo uno dei componenti che influiscono. Tale angolo quindi pu? variare da motore a motore e la sua ottimizzazione va fatta a banco.

Preferibilmente, quando il pistone si trova al relativo punto morto inferiore BDC (Bottom dead center), il PIN risulta completamente estratto dalla precamera di combustione. Ci?, vantaggiosamente, consente di eliminare tutte le perdite fluidodinamiche normalmente presenti nelle precamere tradizionali, e legate all?attraversamento delle strette aperture perimetrali passanti PTO da parte dei gas, che nelle precamere tradizionali sono le uniche aperture presenti.

Grazie alla presente invenzione, il PIN risulta interno alla precamera, e pertanto fa tenuta con essa, solo quando ? necessario, vale a dire quando si desidera precomprimere la miscela per sfruttarne la successiva violenta propagazione con fronte di fiamma e quando si desidera effettuare il lavaggio della precamera.

Per quanto qui descritto si comprende che la precamera qui descritta ? di tipo passivo, in quanto non ? previsto un iniettore di combustibile oppure una luce di ammissione di aria fresca dall?esterno.

Infatti, la miscela che entra nella precamera, lo fa attraversando la camera di combustione, cio? indirettamente.

FUNZIONAMENTO

La figura 2 mostra una condizione di compressione della miscela. Evidentemente le valvole OPI ed OPO sono chiuse. Il pistone P ? in corsa verso il punto morto superiore e la candela si approssima ad effettuare una prima accensione. Secondo una configurazione preferita le aperture passanti PTO e la tenuta realizzata tra la precamera ed il PIN sono tali che la pressione nella precamera ? maggiore alla pressione nella restante camera di combustione CC.

La figura 3 mostra il culmine della fase di compressione con raggiungimento, da parte del pistone, del punto morto superiore. Il fronte di fiamma cagionato dalla prima accensione determina una sovrappressione nella precamera di combustione PCC che porta ad un flusso di gas e fiamma a propagarsi violentemente attraverso le aperture PTO in direzione perimetrale e preferibilmente diretti in modo da provocare accensione a met? della distanza tra il centro della camera di combustione e la parete del cilindro.

Questo, vantaggiosamente, consente di minimizzare il tempo totale di combustione riducendo il percorso totale che la fiamma ha da percorrere.

Si deve notare che il PIN e la parete laterale PCP che definisce la precamera sono configurati in modo da non occludere le aperture passanti PTO nemmeno al punto morto superiore. A tale scopo, nell?esempio delle figure 1 ? 8, la precamera forma una ampolla in corrispondenza della base, cio? in prossimit? della testa, in modo da permettere il distanziamento della faccia interna della parete perimetrale rispetto all?estremo libero del PIN. Ulteriori dettagli saranno descritti in seguito.

La figura 4 mostra, in fase di espansione, un parziale allontanamento del pistone del punto morto superiore. In virt? del ritardo di propagazione del fronte di fiamma alla restante camera di combustione, questo movimento del pistone determina un flusso di gas non combusto aspirato dalle immediate vicinanze della parete della precamera che penetra nella precamera dalla restante camera di combustione. In almeno un predeterminato punto della corsa del pistone tra il punto morto superiore ed il punto morto inferiore, la candela pu? effettuare almeno una ulteriore accensione della miscela.

In altre parole, la presente configurazione pu? operare come un multi-spark grazie alle dinamiche fluodinamiche innescate nella camera e precamera.

E? evidente che i tempi relativi alle ulteriori accensioni devono tener conto della propagazione, all?interno della camera di combustione delle onde di pressione e della dimensione delle aperture passanti PTO.

La figura 5 mostra l?avvicinamento, da parte del pistone, del punto morto inferiore. In questa condizione, la precamera risulta massimamente comunicante con la restante camera di combustione e la pressione risulta uniforme all?interno di essa.

La figura 6 mostra la fase di lavaggio del cilindro, in cui il pistone si muove verso il punto morto superiore mentre la valvola di scarico OPO ? aperta.

In tali condizioni, la pressione all?interno della camera di combustione ? inferiore alla pressione nella precamera, in quanto la valvola di scarico ? aperta, pertanto si genera un flusso di gas esausto che dalla precamera raggiunge la camera per il tramite delle aperture PTO grazie anche all?azione di espulsione operata dal PIN.

La figura 7 mostra il cosiddetto incrocio delle valvole, cio? in una condizione in cui il pistone ? prossimo al punto morto superiore risulta aperta sia la valvola di aspirazione che di scarico, realizzando il cosiddetto ?scavenging?, vale a dire un lavaggio ottimale della camera di combustione. In tali circostanze, dal momento che entrambe le valvole sono aperte, la pressione all?interno della precamera ? maggiore che nel resto della camera di combustione, pertanto, si genera un flusso di gas verso l?esterno della precamera, prontamente lavato dallo scavenging appena descritto.

La figura 8, mostra la fase di aspirazione in cui la valvola di scarico ? completamente chiusa, mentre la valvola di aspirazione ? aperta.

In tali circostanze, la pressione all?interno della camera di combustione ? maggiore alla pressione nella precamera, per la strizione determinata dalle aperture passanti PTO e per la discesa del PIN che genera un effetto di suzione, pertanto si genera un flusso di aria fresca, che lava la precamera, proveniente dalla restante camera di combustione CC.

Come evidenziato, la presente invenzione permette di avere un lavaggio ottimale della precamera senza bisogno che sia attiva.

Inoltre, secondo una variante preferita della presente invenzione, la candela pu? essere attivata pi? di una sola volta ottenendosi gli stessi benefici dei motori dotati di doppia candela.

Con riferimento alle precedenti figure, si nota che l?elemento maschio PIN presenta una conformazione convessa, in modo che, in prossimit? del punto morto superiore, il volume all?interno della precamera sia il minimo possibile. Preferibilmente, la parete laterale della precamera prevede sostanzialmente tre sezioni: una prima sezione, di base, cio? direttamente collegata con la testa H, di forma circa cilindrica; una terza porzione, in cui ? destinato a calzare il PIN, ed una seconda porzione di raccordo tra la prima e la terza porzione, tale da ridurre una sezione trasversale della precamera passando dalla prima alla terza sezione. Si preferisce realizzare le aperture passanti nella seconda sezione, in quanto ci? consente di ottenere, scegliendo opportunamente l?inclinazione di tale sezione, un orientamento ottimale delle aperture passanti PTO e dunque un orientamento ottimale del fronte di fiamma nella camera di combustione.

Sempre dalle figure ? chiaro che parte della camera di combustione pu? essere ricavata nello stesso pistone.

Intorno all?elemento maschio PIN ? ricavata una gola TH perimetrale che svolge diverse funzioni:

- Permette alla parete perimetrale della precamera di compenetrare nella parte superiore del pistone senza che si verifichino urti;

- Rappresenta una parte rilevante della camera di combustione e le pareti laterali esterne sono sagomate per accordare la propagazione delle onde di pressione conseguenti alla propagazione della fiamma dalle aperture PTO durante l?accensione.

Come descritto, sopra, infatti, l?onda di pressione ? destinata a propagarsi indietro fino a generare il flusso di gas mostrato nella figura 4 che penetra nella precamera. Grazie a tale effetto risulta ulteriormente vantaggioso l?implementazione di una ulteriore accensione della miscela.

Con riferimento alla figura 9, la camera di combustione presenta una ampolla arrotondata e le aperture PTO sono disposte e sagomate in modo da direzionare il deflusso di gas infiammato durante la fase combustione della miscela. Con riferimento alla figura 10, la camera di combustione presenta una sezione costante per tutto lo sviluppo della forma tubolare. In tal caso, l?orientamento del fronte di fiamma ? realizzato mediante un deflettore conico calzato sopra la precamera, che definisce una sorta di gonna.

E? evidente che si possono ottenere configurazioni intermedie tra quelle mostrate nelle figure 1, 9 e 10, in relazione, per esempio, al volume morto che si desidera ottenere. Infatti, grazie alla presente invenzione, ottimizzando il lavaggio della precamera, risulta possibile aumentare il volume morto per realizzare EGR interno, con un opportuno controllo delle valvole di scarico ed anche, eventualmente, con EGR esterno, cio? di ricircolazione di gas esausto tra il collettore di scarico ed il collettore di aspirazione.

La soluzione di figura 1 - 8 risultano vantaggiose perch? l?elemento tubolare pu? essere sfilabile dalla medesima apertura nella testa dedicata alla candela. In altre parole, la candela e l?elemento tubolare sono interconnessi prima di essere inseriti ed avvitati nella testa del motore.

La soluzione delle figure 9 e 10, invece, permettono di separare l?elemento tubolare dalla testa soltanto quando la testa ? smontata dal relativo cilindro.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Motore a combustione interna ad accensione comandata comprendente

- un cilindro (C), un relativo pistone (P) ed una testa (H) tra i quali ? definita operativamente una camera di combustione (CC),

- una candela di accensione (SPL),

- una precamera (PCC) realizzata almeno parzialmente all?interno della camera di combustione (CC), confinata da un elemento femmina (PCP) di forma longitudinale (Y) e tubolare, protrudente nella camera di combustione ed avente un primo estremo collegato stabilmente alla testa (H) ed un secondo estremo, opposto al primo, aperto,

- un elemento maschio (PIN) di forma longitudinale, complementare e coassiale con detto elemento femmina (PCP), avente un primo estremo collegato stabilmente ad una superficie superiore (PS) del pistone, in modo da compenetrare l?elemento femmina per il relativo secondo estremo, almeno in una porzione del moto relativo del pistone nel cilindro,

ed in cui la candela di accensione ? disposta per affacciarsi nella precamera

ed in cui l?elemento femmina comprende aperture passanti (PTO) disposte perimetralmente in modo da rimanere attraversabili in qualunque posizione relativa dell?elemento maschio rispetto all?elemento femmina.

2. Motore secondo la rivendicazione 1, in cui il secondo estremo dell?elemento femmina, ha una tolleranza rispetto alle dimensioni trasversali dell?elemento maschio tale da fare tenuta, durante il movimento di avvicinamento del pistone al punto morto superiore.

3. Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui almeno in una posizione relativa del pistone rispetto al cilindro, l?elemento maschio (PIN) risulta completamente estratto e distanziato dal secondo estremo dell?elemento femmina.

4. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui le aperture passanti (PTO) sono disposte per direzionare un flusso di gas e fiamma all?interno della camera di combustione durante una fase di esplosione di una miscela.

5. Motore secondo la rivendicazione 4, in cui le aperture passanti (PTO) sono disposte in modo da provocare accensione a met? della distanza tra il centro di combustione e la parete laterale del cilindro.

6. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui l?estremo dell?elemento maschio (PIN) che si affaccia verso la precamera, presenta una conformazione convessa.

7. Motore secondo la rivendicazione 6, in cui la convessit? dell?estremo dell?elemento maschio ha forma complementare con la candela di accensione.

8. Motore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le aperture passanti (PTO) e/o la tolleranza tra l?elemento maschio e l?elemento femmina sono dimensionati in modo da generare una differenza di pressione tra la precamera e la camera di combustione durante un movimento relativo tra l?elemento maschio e l?elemento femmina, tale da generare una repentina circolazione di gas tra la precamera e la camera di combustione.

9. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui la testa comprende almeno una valvola di aspirazione (OPI) ed almeno una valvola di scarico (OPO) e relativi mezzi di azionamento delle valvole, ed in cui i mezzi di azionamento sono configurati per realizzare una procedura di scavenging tra la valvola di aspirazione e la valvola di scarico, ed in cui almeno un?apertura passante (PTO)? disposta prospiciente la valvola di aspirazione.

10. Motore secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti comprendente un collettore di aspirazione e mezzi di iniezione di gas naturale all?interno del collettore di aspirazione e/o direttamente all?interno del cilindro.