ITBO20000535A1 - Dispositivo di scarico per motori a conbustione interna - Google Patents
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Description
D E S C R I Z IO N E
del brevetto per invenzione industriale
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo di scarico per motori a combustione interna.
In particolare, la presente invenzione è relativa ad un dispositivo di scarico per i motori a scoppio che equipaggiano le automobili ad alte prestazioni; impiego a cui la .trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità.
Come è nòto, negli ultimi anni si è assistito ad un progressivo inasprimento delle normative antinquinamento che regolano le emissioni inquinanti delle automobili.
In particolare, negli ultimi anni si è assistito ad un progressivo abbassamento delle soglie massime di tolleranza di' alcune sostanze inquinanti emesse dai motori a scoppio delle automobili, come gli idrocarburi incombusti, il monossido di carbonio o gli ossidi di azoto, e ad un'a contestuale revisione della procedura di omologazione attraverso la quale vengono effettuate le misurazioni, 'in modo tale da aumentare il peso che hanno, nella valutazione complessiva, le emissioni inquinanti prodotte negli istanti immediatamente successivi all'avviamento a freddo del motore.
Prove sperimentali hanno, infatti, dimostrato che la maggior parte delle sostanze inquinanti viene emessa dagli autoveicoli nell'intervallo temporale che separa l'avviamento del motore dall'entrata in temperatura del catalizzatore integrato nel dispositivo di scarico dell'autoveicolo.
Per ottemperare alle più recenti normative antinquinamento, negli ultimi anni le industrie automobilistiche hanno sviluppato dei dispositivi di scarico che apresentano, a monte del catalizzatore principale, un catalizzatore ausiliario di piccole dimensioni, chiamato anche "precatalizzatore", in grado di sfruttare la temperatura elevata dei gas di scarico in uscita dal motore per raggiungere rapidamente la propria temperatura di esercizio, così da poter supplire alla bassa efficienza del catalizzatore principale per tutto il tempo necessario a quest'ultimo per raggiungere la sua temperatura di esercizio.
Purtroppo,, le condizioni in cui il catalizzatore ausiliario si trova a funzionare si fanno via via più impegnative man mano che il catalizzatore ausiliario si avvicina alle luci di scarico del motore a scoppio, per cui la posizione del catalizzatore ausiliario a valle del motore deve essere attentamente valutata, cercando un compromesso tra la necessità di minimizzare il tempo occorrente al catalizzatore ausiliario per raggiungere la temperatura di esercizio, e la necessità di garantire al componente stesso una durata accettabile.
Prove sperimentali hanno, infatti, dimostrato che l'avvicinamento del catalizzatore ausiliario al motore a scoppio comporta una progressiva riduzione del tempo necessario per raggiungere la temperatura di esercizio, accompagnata però da una rapida riduzione della vita media del componente.
Nel caso dei motori a scoppio che equipaggiano gli autoveicoli ad alte prestazioni, il flusso dei gas di scarico in uscita dal motore è talmente elevato che, per mantenere le emissioni inquinanti al disotto dei limiti stabiliti dalie normative antinquinamento più recenti, sarebbe necessario posizionare il catalizzatore ausiliario ad una distanza dalle luci di scarico del motore talmente ridotta da compromettere in tempi brevissimi l'integrità strutturale del suddetto catalizzatore. La presenza del catalizzatore ausiliario in prossimità»delle luci di scarico del motore causa, inoltre delle contropressioni che ostacolano la fuoriuscita dei gas di scarico dalle luci stesse compromettendo l'efficienza del motore nelle normali condizioni di utilizzo, ossia quando il catalizzatore principale ha raggiunto la sua temperatura di esercizio.
Per portare la vita media del catalizzatore ausiliario a valori accettabili, recentemente sono stati sperimentati .dei dispositivi di scarico in cui il catalizzatore ausiliario è provvisto internamente di una valvola di by-pass, che permette ai gas di scarico provenienti dal motore di scavalcare la parte attiva del catalizzatore ausiliario, in modo tale da ridurre le sollecitazioni termiche a cui quest'ultimo è sottoposto.
Purtroppo, le soluzioni fino ad ora sperimentate si sono dimostrate poco efficienti: le sollecitazioni termiche a cui sono soggetti i catalizzatori ausiliari con valvola di by-pass sono comunque talmente elevate da richiedere l'impiego di materiali e soluzioni tecniche particolarmente costose, che incidono pesantemente sui costi complessivi di produzione dei dispositivi di scarico.
Inoltre, i catalizzatori ausiliari con valvola di by-pass ccn:inuano ad essere causa sia di contropressioni in corrispondenza delle luci di scarico del motore, che di pulsazioni dinamiche non ottimali, provocando quindi un decadimento delle prestazioni e del rendimento complessivo del motore a scoppio. Tale decadimento, pur essendo considerato trascurabile per i motori a scoppio tradizionali, risulta invece del tutto inaccettabile per motori a scoppio dei veicoli ad alte prestazioni .
Scopo della presente invenzione è quindi quello di realizzare un dispositivo di scarico per motori a combustione interna che possa permettere ai motori a scoppio ad alte prestazioni di ottemperare alle normative antinquinamento più recenti a costi contenuti, e senza comprometterne le prestazioni.
Secondo la presente invenzione viene realizzato un dispositivo di scarico per motori a combustione interna comprendente un catalizzatore principale, un catalizzatore ausiliario ed un collettore di scarico atto a collegare l'ingresso del catalizzatore principale alle luci di scarico di un generico motore a combustione interna, in modo tale da convogliare verso il catalizzatore principale i gas di scarico in uscita dalle dette luci di scarico; il dispositivo di scarico essendo caratterizzato dal fatto che il detto collettore di scarico è selettivamente in grado di assumere una prima configurazione operativa, in cui collega l'ingresso del catalizzatore principale all'uscita del catalizzatore ausiliario e l'ingresso del catalizzatore ausiliario al detto motore a combustione interna, ed una seconda configurazione operativa in cui collega l'ingresso del catalizzatore principale direttamente al motore a combustione interna con l'esclusione del catalizzatore ausiliario.
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
la figura 1 illustra in modo schematico un dispositivo di scarico per motori a combustione interna realizzato secondo i dettami della presente invenzione;
la figura 2 è una vista prospettica di una possibile realizzazione pratica del dispositivo di scarico illustrato in figura 1; mentre
- la figura 3 è una vista prospettica, con parti in sezione e piarti asportate per chiarezza, di un componente del dispositivo di scarico illustrato in figura 2 * ;- le figura A e 5 illustrano in vista prospettica il componente di figura 3, in due diverse posizioni operative. ;Con riferimento alle figure 1 e 2, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un dispositivo di scarico per motori a combustione interna, particolarmente adatto ad essere accoppiato al motore a scoppio 2 di un qualsiasi autoveicolo, ed in particolare al motore a scoppio di un autoveicolo ad alte prestazioni. ;Il dispositivo di scarico 1 è atto ad essere collegato alle luci di scarico (non illustrate) del motore a scoppio 2 dell'autoveicolo per convogliare all'esterno dell'autoveicolo stesso i gas di scarico prodotti dal motore, cercando contestualmente di attenuare il rumore prodotto dal motore e di trasformare le sostanze inquinanti presenti nei gas di scarico del motore in sostanze a minor impatto ambientale. ;Per comodità di descrizione, nella trattazione che segue si farà esplicito riferimento ad un dispositivo di scarico 1 adatto ad essere accoppiato ad un motore a scoppio 2 a quattro cilindri, provvisto di quattro luci di scarico attraverso le quali fuoriescono i gas di scarico. ;Con riferimento alle figure 1 e 2, il dispositivo di scarico 1 comprende un catalizzatore principale 3, un catalizzatore ausiliario 4 ed un collettore di scarico 5 atto a collegare l'ingresso del catalizzatore principale 3 alle luci di scarico del motore a scoppio 2, in modo tale da convogliare verso il catalizzatore principale 3 i gas di scarico in uscita dalle luci di scarico stesso. ;Il catalizzatore ausiliario 4 è un catalizzatore tradizionale, .privo di valvola di by-pass integrata o meno, mentre il collettore di scarico 5 è selettivamente atto ad assumere due configurazioni operative distinte: nella prima delle quali i gas di scarico vengono convogliati attraverso il catalizzatore ausiliario 4 prima di raggiungere l'ingresso del catalizzatore principale 3; nella seconda delle quali i gas di scarico raggiungono direttamente l'ingresso del catalizzatore principale 3, senza passare attraverso il catalizzatore ausiliario 4. ;In altre parole, il collettore dì scarico 5 è suddiviso in un tratto iniziale 5a, collegato direttamente alle luci di scarico del motore; un tratto finale 5b, collegato direttamente al catalizzatore principale 3; e due tratti intermedi 5c e 5d ciascuno dei quali è atto a mettere in comunicazione il tratto finale 5b con il tratto iniziale 5a. ;Il catalizzatore ausiliario 4 è disposto lungo uno dei due tratti intermedi 5c e 5d, nella fattispecie il tratto intermedio 5d, ed il dispositivo di scarico 1 comprende inoltre dei mezzi di collegamento selettivo in grado di mettere, a comando, il tratto iniziale 5a del collettore di scarico 5 in comunicazione diretta, rispettivamente, con il tratto intermedio 5c oppure con il tratto intermedio 5d, in modo tale da poter convogliare il flusso di gas di scarico in uscita dal motore a scoppio 2 attraverso il solo catalizzatore principale 3, oppure in successione attraverso il catalizzatore ausiliario 4 ed il catalizzatore principale 3. ;Con riferimento alle figure 1 e 2, nell'esempio illustrato, l'insieme composto dal tratto iniziale 5a, dal tratto intermedio 5c e dal tratto finale 5b del collettore di scarico 5 è costituito da un singolo condotto di collegamento 6 che, prima di raggiungere le luci di scarico del motore, si suddivide in quattro condotti di ; sezione minore ciascuno dei quali è collegato direttamente ad una rispettiva luce di scarico del motore a 'scoppio 2. I condotti di sezione minore sono comunemente chiamati "condotti di scarico", e verranno di seguito indicati con il numero 6'. ;Per quanto riguarda invece il tratto intermedio 5d del collettore di scarico 5, nell'esempio illustrato esso è costituito da una serie di condotti di collegamento ausiliari 7: il primo dei quali collega l'uscita del catalizzatore ausiliario 4 con il condotto di collegamento 6, tra il catalizzatore principale 3 ed il punto in cui esso si suddivide nei quattro condotti di scarico 6'. I restanti condotti di collegamento ausiliari 7 collegano invece l'ingresso del catalizzatore ausiliario 4 ciascuno ad un rispettivo condotto di scarico 6'. ;Con riferimento alle figure 1, 2 e 3, nell'esempio illustrato, i mezzi di collegamento selettivo che permettono c.i selezionare quale tra i due tratti intermedi 5c e 5d deve essere messo in comunicazione con il tratto iniziale 5a del collettore di scarico 5 sono costituiti da un gruppo di valvole a tre vie 8, preferibilmente, ma non necessariamente, a comando elettrico, disposte ciascuna in corrispondenza del punto in cui un rispettivo condotto di collegamento ausiliario 7 si innesta sul corrispondente condotto di scarico 6', ovverosia nel punto in cui i tratti 5a, 5c e 5d del collettore di scarico 5 si uniscono tra loro. ;Ciascun valvola a tre vie 8, in particolare, è disposta in corrispondenza della giunzione del condotto di collegamento ausiliario 7 con il corrispondente condotto dì scarico 6', in modo tale che l'ingresso comunichi con il condotto dì scarico 6' (ossia con il tratto iniziale 5a del collettore di scarico 5), mentre le due uscite comunichino una nuovamente con il condotto di scarico 6' (ossia il tratto intermedio 5c), e l'altra con il condotto di collegamento ausiliario 7 (ossia il tratto intermedio 5d del collettore di scarico 5). ;Più in dettaglio, con riferimento alle figure 3, 4 e 5, ciascuna valvola a tre vie 8 può essere preferibilmente, ma non necessariamente, costituita da una valvola a cassetto rotante che comprende un corpo tubolare 20, a sezione sostanzialmente rettangolare, attraverso il quale passano i gas di scarico. ;Il corpo tubolare 20 è costituito da una porzione del condotto di scarico 6', ed è provvisto in corrispondenza di una sua parte laterale 21 di una apertura rettangolare 22, sulla quale si innesta il condotto di collegamento ausiliario 7. ;La valvola a cassetto rotante comprende, infine, un otturatore 23, il quale è infulcrato all'interno del corpo tubolare 20 in modo tale da poter ruotare attorno ad un asse :A trasversale tra una prima posizione operativa, in cui ostruisce l'apertura rettangolare 22 e lascia passaré il flusso attraverso il corpo tubolare 20 (figura 4), ed una seconda posizione operativa, in cui ostruisce l'interno del corpo tubolare 20 in modo tale da costringere il flusso a passare attraverso l'apertura rettangolare 22 (figura 5), ed un attuare idraulico od elettrico 24 in grado di ruotare a comando l'otturatore 22 tra le due posizioni operative sopra descritte. ;Nell'esempio illustrato in figura 2, in particolare, un singolo attuare idraulico od elettrico 24 è atto a ruotare contemporaneamente l'otturatore 23 di tutte e quattro le valvole 8. ;Il funzionamento del dispositivo di scarico 1 è facilmente deducibile da quanto sopra descritto, e non necessita quindi di ulteriori spiegazioni. ;È comunque opportuno sottolineare nuovamente che il dispositivo di scarico 1 è in grado di assumere, a comando, due configurazioni distinte che sono ottimizzate, una per abbattere le emissioni inquinanti nell'intervallo necessario al catalizzatore principale 3 per raggiungere la sua temperatura di esercizio, e l'altra per garantire il funzionamento ottimale del motore a scoppio 2 quando il catalizzatore principale 3 ha raggiunto la sua temperatura di esercizio. ;Più in dettaglio, la prima configurazione prevede il passaggio dei gas di scarico del motore attraverso, in sequenza, la parte iniziale dei condotti di scarico 6' , il primo gruppo di condotti di collegamento ausiliari 7, il catalizzatore ausiliario 4, il restante condotto di collegamento ausiliario 7, la parte finale del condotto di collegamento 6, ed il catalizzatore principale 3. La seconda configurazione prevede l'isolamento del catalizzatore ausiliario 4, ed il passaggio dei gas di scarico del motore attraverso il condotto di collegamento 6 {compresi ovviamente i condotti di scarico 6') ed il catalizzatore principale 3. ;È opportuno precisare che nella seconda configurazione, il catalizzatore ausiliario 4 non è interessato dal passaggio dei gas di scarico, e che le luci di scarico del motore a scoppio 2 sono collegate al catalizzatore* principale 3 dal solo condotto di collegamento 6, per cui è possibile dimensionare la lunghezza, la sezione e la geometria dell'intero condotto di collegamento 6 in modo tale da massimizzare il rendimento e le prestazioni del motore.
In particolare, è possibile dimensionare la lunghezza, la sezione e la geometria dei condotti di scarico 6' , che definiscono la parte iniziale del condotto di collegamento 6, in modo tale da facilitare il più possibile la fuoriuscita dei gas di scarico dal motore.
I vantaggi del dispositivo di scarico 1 sono evidenti: vis.o che non è investito dai gas di scarico quando il catalizzatore principale 3 è in temperatura, il catalizzatore ausiliario 4 può essere posizionato molto a ridosso delle luci di scarico del motore a scoppio 2, riducendo al minimo il tempo in cui raggiunge la sua temperatura di esercizio senza pregiudicare in alcun modo la durata media di vita del componente.
La possibilità di escludere completamente il catalizzatore ausiliario 4 dal percorso seguito dai gas di scarico, evita inoltre l'insorgere di contropressioni in corrispondenza delle luci di scarico quando il motore funziona "a caldo".
Il fatto che il dispositivo di scarico 1 sia in grado di assumere due configurazioni distinte, una dedicata all'abbattimento delle emissioni inquinanti nella fase di avviamento a freddo del motore, e l'altra al funzionamento del motore a scoppio 2 con catalizzatore” principale 3 alla temperatura di esercizio, permette di ottimizzare i due funzionamenti senza condizionamenti reciproci.
Risulta infine chiaro che al dispositivo di scarico 1 per motori a combustione interna qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.
Claims (7)
- R I V E N D I C A Z I O N I 1. Dispositivo di scarico (1) per motori a combustione interna (2) comprendente un catalizzatore principale (3), un catalizzatore ausiliario (4) ed un collettore di scarico (5) atto a collegare l'ingresso del catalizzatore principale (3) alle luci di scarico di un generico motore a combustione interna (2), in modo tale da convogliare verso il catalizzatore principale (3) i gas di scarico in uscita dalle dette luci di scarico; il dispositivo di scarico (1) essendo caratterizzato dal fatto che il detto collettore di scarico (5) è selettivamente in grado di assumere una prima configurazione operativa, in cui collega l'ingresso del catalizzatore principale (3) all'uscita del catalizzatore ausiliario (4) e l'ingresso del catalizzatore ausiliario (4) al detto motore a combustione interna (2), ed una seconda configurazione operativa in cui collega l'ingresso del catalizzatore principale (2) direttamente al motore a combustione interna (2) con l'esclusione del catalizzatore ausiliario (4).
- 2. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 1, in cui il: collettore di scarico (5) comprende un tratto iniziale (5a), collegato direttamente alle luci di scarico del motore a combustione interna (2), un tratto finale (5b) collegato direttamente all'ingresso del catalizzatore principale (3), ed un primo (5c) ed un secondo tratto intermedio (5d) ciascuno dei quali è atto a mettere in comunicazione il tratto finale (5b) con il tratto iniziale (5a); il catalizzatore ausiliario (4) essendo disposto lungo il detto secondo tratto intermedio (5d), ed il dispositivo di scarico (1) comprendendo inoltre mezzi di collegamento selettivo (9) atti a mettere, a comando, il tratto iniziale (5a) del collettore di scarico (5) in comunicazione diretta, rispettivamente, con il detto primo tratto intermedio (5c) oppure con il detto secondo tratto intermedio (5d).
- 3. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 2, in cui i detti mezzi di collegamento selettivo (9) comprendono almeno una valvola a tre vie (8) disposta in corrispondenza del punto in cui il tratti iniziale (5a) ed il primo (5c) e secondo tratto intermedio (5d) del collettore di scarico (5) si uniscono tra loro.
- 4. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 3, in cui la detta almeno una valvola a tre vie (8) presenta l'ingresso in comunicazione con il tratto iniziale (5a) del collettore di scarico (5), e le due uscite in comunicazione una con il primo tratto intermedio (5c) e l'altra con il secondo tratto intermedio (5d) del collettore di scarico (5).
- 5. Dispositivo di scarico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 4, in cui il tratto iniziale (5a), il primo tratto intermedio (5c) e il tratto finale (5b) del collettore di scarico (5) sono costituiti da un singolo condotto di collegamento (6).
- 6. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 5, in cui il detto singolo condotto di collegamento (6), prima di raggiungere le luci di scarico del detto motore a combustione interna (2), si suddivide in quattro condotti di sezione minore (6') ciascuno dei quali è collegato direttamente ad una rispettiva luce di scarico del motore a combustione interna (2).
- 7. Dispositivo di scarico secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il detto condotto di collegamento (6) è dimensionato in lunghezza, sezione e geometria, in modo tale da massimizzare il rendimento e le prestazioni del motore a combustine interna (2).
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