IT202100028145A1 - “Meccanismo A Rapporto Di Compressione ed Espansione Migliorato” - Google Patents

Description

?Meccanismo A Rapporto Di Compressione ed Espansione Migliorato?

DESCRIZIONE

L'invenzione si riferisce - in generale - ad un metodo di cinematica interna di un motore a combustione interna a quattro tempi, e ad un meccanismo a rapporto di compressione ed espansione migliorato e da una corsa di espansione migliorata, utilizzabile in motori a combustione interna funzionanti con ciclo Otto o Diesel.

Per migliorare il rendimento di un motore a scoppio a ciclo Otto sono stati inventati sistemi che allungano la corsa di espansione del pistone e ne accorciano la corsa di compressione. Generalmente il risultato viene ottenuto con la semplice sfasatura, per cui si verifica un riflusso di aspirazione controllato dalle camme che comandano le valvole e conseguente ritardo/accorciamento della corsa di compressione. Da quanto precede si deduce che il rendimento, per quanto elevato, ? fittizio perch? ottenuto tramite una perdita in reflusso di miscela comburente.

Altri sistemi aumentano il rapporto di compressione (RDC). Un recente esempio ? descritto in US6505582. Qui il RDC viene variato dinamicamente da un meccanismo costituito da una biella ausiliaria 7 collegata ad un bilanciere 4 imperniato sull'albero a gomiti 5 e sulla biella 3 del pistone 9. Il RDC viene cambiato in funzione del regime del motore spostando elettronicamente un eccentrico 8a che muove la biella 7. La corsa del pistone 9 ? fissa e l'eccentrico 8a ne varia la posizione di partenza (il punto morto superiore). Lo svantaggio del sistema in US6505582 ? che il rendimento non ? costante per tutti i regimi del motore. Inoltre il meccanismo inerente all'eccentrico 8a aumenta le dimensioni del carter motore.

Scopo principale dell'invenzione ? migliorare lo stato dell'arte, in particolare ovviare ad almeno uno dei suddetti problemi con un meccanismo come alle rivendicazioni allegate, in cui quelle dipendenti definiscono varianti vantaggiose. Pi? in particolare si vuole migliorare il meccanismo di US6505582.

Un aspetto dell?invenzione riguarda un metodo di cinematica interna di un motore a combustione interna, a quattro tempi, ove il motore comprende:

un albero a gomiti,

un elemento di trasmissione per convertire in movimento rotatorio il moto alternativo di un pistone, ove l?elemento di trasmissione

? imperniato in modo oscillante sull'albero a gomiti in un punto di imperniamento,

ha un primo punto che ? disassato rispetto a detto punto di imperniamento e collegato rigidamente al pistone,

ha un secondo punto diverso dal primo punto e disassato rispetto a detto punto di imperniamento,

il metodo comprendendo la fase di

agire (ovvero sollecitare con una forza) ciclicamente sul secondo punto in sincronismo con la posizione angolare dell'albero a gomiti per modificare dinamicamente l'inclinazione dell?elemento di trasmissione rispetto all'albero a gomiti in modo da allungare la corsa del pistone quando il pistone spinge sull'albero a gomiti in seguito alla combustione e da accorciare tale corsa quando il pistone viene tirato verso l'albero a gomiti in fase di aspirazione.

Un altro aspetto dell?invenzione riguarda un meccanismo di un motore a combustione interna a quattro tempi, in particolare in grado di eseguire il metodo, comprendente:

un pistone mobile dentro un cilindro con una corsa lineare;

un albero a gomiti,

un elemento di trasmissione per convertire il moto alternativo del pistone in movimento rotatorio dell?albero a gomiti, l?elemento di trasmissione

essendo imperniato in un punto di imperniamento, ad es. al suo centro, sull'albero a gomiti in modo oscillante,

avendo un primo punto che ? disassato rispetto a detto punto di imperniamento e collegato rigidamente al pistone , e

avendo un secondo punto che ? disassato rispetto a detto punto di imperniamento e diverso dal primo punto,

una (prima) biella collegata fra il pistone e il primo punto,

un attuatore per agire sul secondo punto in modo da modificare dinamicamente l'inclinazione dell?elemento di trasmissione rispetto all'albero a gomiti,

ove l'attuatore ? configurato per spostare continuamente e ciclicamente il secondo punto in sincronismo col movimento lineare del pistone in modo da allungare la corsa del pistone quando il pistone spinge sull'albero a gomiti in seguito alla combustione e da accorciare la corsa quando il pistone viene tirato verso l'albero a gomiti in fase di aspirazione.

Il meccanismo e il metodo consentono di variare la corsa del pistone senza variare il RDC ad ogni ciclo. La corsa allungata del pistone in fase di espansione aumenta il RDC e di conseguenza il rendimento del motore, che risulta sempre quello massimo indipendentemente dal regime del motore.

L?elemento di trasmissione ha dunque un fulcro di leva su un gomito dell?albero a gomiti e i due detti punti sono punti di applicazione della forza impressa dal pistone e dall?attuatore.

Nel caso di motore con pi? pistoni, ogni pistone sar? dotato di un proprio elemento di trasmissione.

Il metodo e il meccanismo possono avere vantaggiose varianti, qui descritte nel seguito e utilizzabili da sole o in combinazione.

L?elemento di trasmissione pu? avere diverse forme, e preferibilmente ? un bilanciere, ovvero un elemento imperniato su un gomito dell?albero a gomiti in modo da poter oscillare rispetto ad esso in due sensi opposti.

Ad es. l?elemento di trasmissione ? un elemento rigido e allungato.

Ad es. l?elemento di trasmissione al centro presenta un foro per l?accoppiamento con un gomito dell?albero e a due estremi presenta due sedi, o perni o fori per l?accoppiamento all?attuatore e al pistone. Il primo punto e il secondo punto possono allora essere disassati rispetto a detto centro.

Il primo punto e il secondo punto possono essere collocati su una stessa retta passante per detto centro o punto di imperniamento, in particolare, per bilanciare le forze in gioco, il primo punto ? collocato in posizione diametralmente opposta al secondo punto rispetto a detto centro o punto di imperniamento, e/o in posizione diametralmente simmetrica rispetto a detto centro o punto di imperniamento. Oppure il primo e il secondo punto possono essere collocati su due semirette diverse aventi origine nel detto centro o punto di imperniamento. L?angolo compreso fra le due semirette pu? essere zero, o avere valore fra zero e 180 gradi.

In generale le rispettive distanze del primo e secondo punto rispetto a detto centro o punto di imperniamento possono essere uguali o diverse tra loro.

Preferibilmente, per semplicit? costruttiva, il primo punto e collegato rigidamente al pistone tramite una biella.

Preferibilmente, per semplicit? costruttiva, il secondo punto ? collegato all?attuatore tramite una biella.

L'attuatore pu? essere realizzato in vari modi, ad es. con un cilindro idraulico (attuatore lineare) o un sistema a camme (in particolare a variazione di fase), purch? si mantenga sempre il sincronismo col moto del pistone (o, che ? lo stesso, col moto dell'albero a gomiti).

Una preferita variante prevede che l'attuatore comprenda una seconda biella, che ? collegata da una parte al secondo punto dell?elemento di trasmissione e

dalla parte opposta ? collegata eccentricamente ad un secondo albero, cio? eccentricamente rispetto all'asse di rotazione del secondo albero, e il secondo albero ? montato per ruotare in sincronismo con l'albero a gomiti con rapporto di giri 1:2 (il secondo albero fa un giro ogni due giri dell'albero a gomiti).

In una variante, il punto eccentrico di collegamento tra il secondo albero e la seconda biella ? configurato in moda da avere una distanza regolabile dall'asse di rotazione del secondo albero. Cos? si pu? variare il rapporto fra le lunghezze delle corse del pistone nelle varie fasi del ciclo motore.

Pi? preferibilmente, l'attuatore ? disposto nel motore in modo che la prima e seconda biella stiano nello stesso semispazio delimitato da un piano immaginario che passa per tre punti: il detto primo punto, il detto secondo punto, e per il punto di imperniamento dell?elemento di trasmissione sull?albero a gomiti. Cos? il motore risulta pi? compatto, senza dover ingrandire troppo il carter motore.

Un altro vantaggio del meccanismo ? che il pistone ? quasi perpendicolare all'albero a gomiti quando il pistone lavora in fase di espansione. Questa geometria induce bassissimi sforzi laterali sulla camera del cilindro, con bassi attriti e basse perdite.

I vantaggi dell?invenzione saranno pi? chiari dalla seguente descrizione di una preferita forma realizzativa di meccanismo, riferimento facendo all?allegato disegno in cui - Fig. 1 mostra una vista tridimensionale del meccanismo;

- Figg. 2-9 mostrano le fasi di un ciclo completo di lavoro del meccanismo.

Nelle figure numeri uguali indicano parti uguali o concettualmente simili.

Con riferimento ora ai disegni, in particolare alla figura 1, ? mostrato un meccanismo MC comprendente un pistone 14 mobile alternativamente dentro una camera di un cilindro 10 dotato di una candela 12 per innescare in modo noto la combustione del carburante.

La candela 12 viene sostituita da un noto iniettore nel caso di ciclo diesel.

Nella descrizione seguente termini come ad es. alto e basso vanno intesi solo in relazione alla disposizione del foglio degli allegati disegni, senza implicare una necessaria disposizione geometrica del motore. Va da s? ad es. che il pistone 14 potrebbe lavorare anche su una corsa orizzontale, mutatis mutandis.

Tramite una biella 20 il pistone 14 ? collegato ad un bilanciere 40. Il centro del bilanciere 40 ? imperniato girevolmente su un gomito 32 di un noto albero a gomiti 30.

Il bilanciere 40 comprende due punti di incernieramento distanti e diametralmente opposti rispetto al gomito 32. Un primo punto di incernieramento 42 ? la sede di incernieramento con un'estremit? della biella 20, mentre un secondo punto di incernieramento 44 ? la sede di incernieramento con un'estremit? di una seconda biella 50 imperniata eccentricamente all'estremit? opposta su un elemento eccentrico 54 solidale in rotazione ad un albero 52. L'albero 52 ? sincronizzato in rotazione, tramite degli ingranaggi 48, all'albero a gomiti 30 in modo da fare un giro completo quando l'albero a gomiti 30 fa due giri completi.

Passando ora alle figg.2-9, si descrive un ciclo di lavoro del meccanismo MC, e del motore relativo. Nelle fig.2-9 l'albero a gomiti 30 gira in senso orario e l'albero 52 gira in senso antiorario.

Fig. 2 mostra la fine della fase di compressione e l'inizio della fase di espansione del pistone 14. Esso si trova nel punto morto superiore, appena dopo che la candela 12 ha incendiato la miscela comburente. La posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? tale da mantenere il pistone 14 massimamente inserito dentro il cilindro 10. In fig. 2 l'elemento eccentrico 54 ? nel punto pi? vicino all'albero a gomiti 30, sicch? la biella 50 spinge al massimo verso il basso il punto 44 e di conseguenza il punto 42 ? nella posizione pi? alta. L'altezza della camera di scoppio ? indicata con H1.

Fig. 3 mostra la fase di espansione del pistone 14, che sta scendendo verso l'albero a gomiti 40. La biella 20 sta spingendo il bilanciere 40 ? ha fatto ruotare l'albero 40 di 90 gradi, mentre la posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata di 45 gradi.

Fig. 4 mostra la fine della fase di espansione del pistone 14, che ha terminato la sua corsa verso l'albero a gomiti 40. La biella 20 ha spinto il bilanciere 40 per far ruotare complessivamente l'albero 40 di 180 gradi, mentre la posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata, rispetto a fig. 3, di altri 45 gradi. In fig. 4 si comprende che l'allontanamento dell'eccentrico 54 dall'albero 30 comporta, tramite un movimento a leva del bilanciere 40 con fulcro sul gomito 32, un corrispondente spostamento verso il basso del punto 42 che sposta verso il basso il punto morto inferiore del pistone 14, che sta ad una distanza H2 dalla testa del cilindro 10. Allora, la corsa totale del pistone 14, data dalla differenza posizionale H2-H1 tra fig. 4 e fig. 2, viene allungata dal movimento del bilanciere 40.

In Fig.5 avviene l'inizio della fase di scarico del pistone 14, che risalendo nel cilindro 10 espelle i gas combusti. L'albero a gomiti 40 ? ruotato di altri 90 gradi, mentre la posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata, rispetto a fig.4, di altri 45 gradi.

Fig. 6 mostra la fine della fase di scarico del pistone 14, che ha terminato la sua corsa dentro il cilindro 10. L'albero a gomiti 40 ? ruotato di altri 90 gradi, mentre la posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata, rispetto a fig.5, di altri 45 gradi. Ora l'allontanamento dell'eccentrico 54 dall'albero 30 ? massimo e comporta, tramite un movimento a leva del bilanciere 40 con fulcro sul gomito 32, un corrispondente spostamento verso il basso del punto 42, sicch? ora il pistone 14 non raggiunge il punto morto superiore di fig. 2. E' indicata con H3 la distanza del pistone 14 dalla testa del cilindro 10, e vale H3 > H1.

Fig. 7 mostra la fase di aspirazione del pistone 14, che riprende la sua corsa dentro il cilindro 10 verso l'albero a gomiti 40, il quale ? ruotato di altri 90 gradi. La posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata, rispetto a fig.6, di altri 45 gradi.

Fig. 8 mostra l'inizio della fase di compressione del pistone 14, che ? nel suo punto morto inferiore e sta ricominciando la sua corsa dentro il cilindro 10. L'albero a gomiti 40 ? ruotato di altri 90 gradi, mentre la posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata, rispetto a fig. 7, di altri 45 gradi. E' indicata con H4 la distanza del pistone 14 dalla testa del cilindro 10, e vale H4 < H2.

Fig. 9 mostra la fase di compressione del pistone 14, che sta viaggiando verso la testa del cilindro 10. L'albero a gomiti 40 ? ruotato di altri 90 gradi, mentre la posizione angolare dell'elemento eccentrico 54 ? variata, rispetto a fig.8, di altri 45 gradi.

Alla configurazione di fig.9 segue quella di fig.2, e il ciclo si ripete.

Con questa configurazione il meccanismo MC pu? facilmente ottenere RDC da 1:14 fino a 1:16, anche oltre in un ciclo diesel.

Si noti che l'accorciamento della corsa del pistone 14 nella fase di espulsione e successiva aspirazione riduce al minimo la quantit? di combustibile per la successiva fase di combustione con riduzione di inquinanti.

Il dimensionamento del meccanismo MC pu? variare nelle proporzioni da quanto illustrato.

L'eccentrico 54 pu? avere interasse variabile, e non fisso come illustrato, in funzione del rapporto tra corsa minima e massima del pistone 14 che si vuole ottenere,

Claims (8)

RIVENDICAZIONI

1. Metodo di cinematica interna di un motore a combustione interna a quattro tempi ove il motore comprende:

- un albero a gomiti,

- un pistone,

- un elemento di trasmissione per convertire in movimento rotatorio il moto alternativo del pistone, ove l?elemento di trasmissione

? imperniato sull'albero a gomiti in modo oscillante in un punto di imperniamento,

ha un primo punto che ? disassato rispetto a detto punto di imperniamento e collegato rigidamente al pistone,

ha un secondo punto diverso dal primo punto e disassato rispetto a detto punto di imperniamento,

il metodo comprendendo la fase di

- agire ciclicamente sul secondo punto in sincronismo con la posizione angolare dell'albero a gomiti per modificare dinamicamente l'inclinazione dell?elemento di trasmissione rispetto all'albero a gomiti in modo da allungare la corsa del pistone quando il pistone spinge sull'albero a gomiti in seguito alla combustione e da accorciare tale corsa quando il pistone viene tirato verso l'albero a gomiti in fase di aspirazione.

2. Meccanismo di un motore a combustione interna a quattro tempi in grado di eseguire il metodo, comprendente:

- un pistone mobile dentro un cilindro con una corsa lineare;

- un albero a gomiti,

- un elemento di trasmissione per convertire il moto alternativo del pistone in movimento rotatorio dell?albero a gomiti, l?elemento di trasmissione

essendo imperniato in un punto di imperniamentosull'albero a gomiti in modo oscillante,

avendo un primo punto che ? disassato rispetto a detto centro e collegato rigidamente al pistone , e

avendo un secondo punto che ? disassato rispetto a detto centro e diverso dal primo punto,

- una biella collegata fra il pistone e il primo punto,

- un attuatore per agire sul secondo punto in modo da modificare dinamicamente l'inclinazione dell?elemento di trasmissione rispetto all'albero a gomiti,

ove l'attuatore ? configurato per spostare continuamente e ciclicamente il secondo punto in sincronismo col movimento lineare del pistone in modo da allungare la corsa del pistone quando il pistone spinge sull'albero a gomiti in seguito alla combustione e da accorciare la corsa quando il pistone viene tirato verso l'albero a gomiti in fase di aspirazione.

3. Meccanismo o metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui Il primo punto e il secondo punto sono collocati su una stessa retta passante per detto punto di imperniamento, uno in posizione diametralmente opposta al secondo rispetto al punto di imperniamento.

4. Meccanismo o metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui Il primo punto e il secondo punto sono collocati su due semirette diverse aventi origine nel detto punto di imperniamento, l?angolo compreso fra le due semirette avendo un valore fra zero e 180 gradi.

5. Meccanismo o metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui l'attuatore comprende

un secondo albero, e

una seconda biella che ? collegata da una parte al secondo punto dell?elemento di trasmissione e dalla parte opposta ? collegata eccentricamente al secondo albero, il secondo albero essendo montato per ruotare in sincronismo con l'albero a gomiti con rapporto di giri 1:2.

6. Meccanismo o metodo secondo la rivendicazione 5, in cui l'attuatore ? disposto nel motore in modo che la prima e seconda biella stiano nello stesso semispazio delimitato da un piano immaginario che passa per tre punti: il detto primo punto, il detto secondo punto, e per il punto di imperniamento dell?elemento di trasmissione sull'albero a gomiti.

7. Meccanismo o metodo secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui la seconda biella ? collegata al secondo albero in un punto che ha distanza regolabile dall'asse di rotazione del secondo albero.

8. Meccanismo o metodo secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui l?elemento di trasmissione ? un bilanciere.