ITBO20100320A1 - Valvola a farfalla per un motore a combustione interna con otturatore eccentrico - Google Patents

Valvola a farfalla per un motore a combustione interna con otturatore eccentrico Download PDF

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ITBO20100320A1
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shutter
butterfly valve
supply duct
intermediate portion
closed position
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Klaus Peter Arpert
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Magneti Marelli Spa
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
"VALVOLA A FARFALLA PER UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA CON OTTURATORE ECCENTRICO"
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad una valvola a farfalla per un motore a combustione interna.
ARTE ANTERIORE
Nei motori a combustione interna è normalmente prevista una valvola a farfalla, la quale è disposta a monte di un collettore di aspirazione e regola la portata dell'aria che viene alimentata ai cilindri. Una tipica valvola a farfalla attualmente in commercio presenta un corpo valvola provvisto di un condotto di alimentazione tubolare attraverso cui fluisce l'aria aspirata dal motore a combustione interna; all'interno del condotto di alimentazione è alloggiato un piattello a farfalla, il quale è calettato su di un albero girevole per ruotare tra una posizione di apertura e una posizione di chiusura del condotto di alimentazione. La rotazione del piattello a farfalla è comandata da un dispositivo attuatore comprendente normalmente un motore elettrico accoppiato all'albero del piattello a farfalla mediante una trasmissione ad ingranaggi ed almeno una molla che spinge l'albero del piattello a farfalla verso la posizione di chiusura (o meglio verso una posizione di limp-home prossima alla posizione di chiusura).
Nella posizione di chiusura la tenuta del piattello a farfalla è determinata dal fatto che il piattello a farfalla presenti esattamente le stesse forma e dimensioni della sezione interna del condotto di alimentazione in modo da sigillare il condotto di alimentazione stesso; in altre parole, il piattello a farfalla non deve essere più piccolo della sezione interna del condotto di alimentazione per garantire una buona tenuta nella posizione di chiusura e nello stesso tempo non deve essere più grande della sezione interna del condotto di alimentazione per evitare di impuntarsi contro la parete interna del condotto di alimentazione .
Per garantire che nella posizione di chiusura il piattello a farfalla chiuda effettivamente il condotto di alimentazione determinando dei trafilamenti di aria molto bassi (e quindi trascurabili dal controllo motore) è necessario che il piattello a farfalla ed il condotto di alimentazione vengano realizzati con una elevata precisione costruttiva sia in termini dimensionali, sia in termini di forma. Di conseguenza, per la realizzazione del piattello a farfalla e del condotto di alimentazione è necessario utilizzare materiali e lavorazioni che permettano di garantire delle tolleranze costruttive molto basse e che, quindi, risultano particolarmente costosi.
Inoltre, è necessario garantire che il piattello a farfalla non si impunti contro la parete interna del condotto di alimentazione per effetto delle dilatazioni termiche determinate dagli sbalzi di temperatura a cui la valvola a farfalla è inevitabilmente sottoposta durante la propria vita; di conseguenza, per la realizzazione del piattello a farfalla e del condotto di alimentazione è necessario utilizzare materiali che abbiano dei coefficienti di dilatazione termica identici o comunque molto simili.
L'attuale tendenza dei costruttori di motori a combustione interna è di ridurre ("downsize") la cilindrata (eventualmente aumentando la potenza specifica mediante la sovralimentazione) per ridurre i consumi di carburante a parità di prestazioni. La diminuzione della cilindrata dei motori a combustione interna richiede una corrispondente diminuzione dei trafilamenti di aria che si verificano quando la valvola a farfalla è chiusa (uno stesso trafilamento ha un effetto dannoso più rilevante in un motore a combustione interna di cilindrata più piccola rispetto ad un motore a combustione interna di cilindrata più elevata). Inoltre, la diminuzione della cilindrata dei motori a combustione interna richiede un controllo più preciso della portata di aria che fluisce attraverso la valvola a farfalla a piccole aperture in modo da potere regolare in modo preciso la velocità di rotazione al minimo.
Infine, la presenza della valvola a farfalla è comunque un ostacolo al flusso dell'aria aspirata e quindi determina inevitabilmente delle perdite di carico non trascurabili; in qualunque tipo di motore a combustione interna è necessario ridurre il più possibile le perdite di carico generate dalla valvola a farfalla per massimizzare le prestazioni quando la valvola a farfalla è completamente aperta.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di fornire una valvola a farfalla per un motore a combustione interna che sia priva degli inconvenienti sopra descritti e, in particolare, sia di facile ed economica realizzazione.
Secondo la presente invenzione viene fornita una valvola a farfalla per un motore a combustione interna secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
le figure 1 e 2 sono due diverse viste prospettiche di una valvola a farfalla realizzata secondo la presente invenzione;
la figura 3 è una vista in pianta della valvola a farfalla della figura 1;
la figura 4 è una vista in sezione longitudinale secondo la linea IV-IV della valvola a farfalla della figura 1, in cui un otturatore della valvola a farfalla è disposto in una posizione di completa chiusura;
la figura 5 è una vista in sezione longitudinale secondo la linea IV-IV della valvola a farfalla della figura 1, in cui un otturatore della valvola a farfalla è disposto in una posizione di parziale apertura;
la figura 6 è una vista in sezione longitudinale secondo la linea IV-IV della valvola a farfalla della figura 1, in cui un otturatore della valvola a farfalla è disposto in una posizione di completa apertura;
la figura 7 è una vista in sezione longitudinale secondo la linea VII-VII della valvola a farfalla della figura 1, in cui un otturatore della valvola a farfalla è disposto in una posizione di completa chiusura;
la figura 8 è una vista in sezione longitudinale secondo la linea VII-VII della valvola a farfalla della figura 1, in cui un otturatore della valvola a farfalla è disposto in una posizione di parziale apertura;
la figura 9 è una vista in sezione longitudinale secondo la linea VII-VII della valvola a farfalla della figura 1, in cui un otturatore della valvola a farfalla è disposto in una posizione di completa apertura;
la figura 10 è una vista in scala ingrandita di un particolare della figura 7;
la figura 11 è una vista prospettica di un otturatore della valvola a farfalla della figura 1; e
la figura 12 è una vista in scala ingrandita di un particolare della figura 11.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL'INVENZIONE
Nelle figure 1-3, con il numero 1 è indicata nel suo complesso una valvola a farfalla a controllo elettronico per un motore a combustione interna (non illustrato). La valvola 1 a farfalla comprende un condotto 2 di alimentazione tubolare a sezione circolare (in alternativa potrebbe essere ovale oppure rettangolare) attraverso cui fluisce l'aria aspirata dal motore a combustione interna, ed un otturatore 3 (illustrato nelle figure 4-9 e 11), il quale impegna il condotto 2 di alimentazione e ruota attorno ad un asse 4 di rotazione tra una posizione di chiusura (illustrata nelle figure 4 e 7) ed una posizione di completa apertura (illustrata nelle figure 6 e 9) del condotto 2 di alimentazione per effetto dell'azione di un dispositivo 5 attuatore (illustrato schematicamente nelle figure 7-9). In particolare, il dispositivo 5 attuatore comprende un motore 6 elettrico che mediante una trasmissione 7 meccanica ad ingranaggi trasmette il moto ad un albero 8 all'otturatore 3.
Secondo quanto illustrato nelle figure 4-9 e 11, l'asse 4 di rotazione dell'otturatore 3 è disposto eccentricamente rispetto ad un centro 9 dell'otturatore 3 (illustrato nelle figure 4-6) ed in particolare rispetto al baricentro dell'otturatore 3 che coincide con il centro geometrico dell'otturatore 3; inoltre, l'asse 4 di rotazione è disposto all'incirca in una posizione centrale del condotto 2 di alimentazione e preferibilmente in corrispondenza di un asse 10 longitudinale del condotto 2 di alimentazione. Di conseguenza, la rotazione dell'otturatore 3 attorno all'asse 4 di rotazione avviene in modo "non simmetrico" rispetto al condotto 2 di alimentazione, cioè nella posizione di completa apertura l'otturatore 3 è disposto solo da un lato del condotto 2 di alimentazione (il lato sinistro come illustrato nella figura 6 che mostra la posizione di completa apertura dell'otturatore 3).
Il condotto 2 di alimentazione comprende una porzione il di ingresso disposta a monte dell'otturatore 3, una porzione 12 intermedia disposta in corrispondenza dell'otturatore 3 e presentante una sezione trasversale maggiore rispetto alla porzione il di ingresso, ed una porzione 13 di uscita disposta a valle dell'otturatore 3. Preferibilmente, la porzione 12 intermedia presenta una sezione trasversale progressivamente crescente lungo l'asse 10 longitudinale ed allontanandosi dalla porzione il di ingresso. In altre parole, la porzione 12 intermedia è disposta tra la porzione il di ingresso e la porzione 13 di uscita e presenta rispetto alla porzione il di ingresso una sezione trasversale crescente (cioè variabile lungo l'asse 10 longitudinale) che è necessaria a permettere la rotazione "non simmetrica" dell'otturatore 3 attorno all'asse 4 di rotazione che è eccentrico rispetto al baricentro 9 dell'otturatore 3. La porzione 12 intermedia deve prevedere un maggior volume almeno sul lato in cui si dispone l'otturatore 3 nella posizione di completa apertura del condotto 2 di alimentazione.
Secondo una preferita forma di attuazione, il condotto 2 di alimentazione presenta una sezione trasversale circolare (in alternativa potrebbe essere ovale oppure rettangolare); in altre parole, tutte le sezioni il, 12 e 13 del condotto 2 di alimentazione presenta una sezione trasversale circolare (in alternativa potrebbe essere ovale oppure rettangolare) di diametro (dimensione) variabile.
Per effetto della "non simmetria" della rotazione dell'otturatore 3 attorno all'asse 4 di rotazione, anche la porzione 12 intermedia ha una forma "non simmetrica" rispetto alle porzioni il e 13 come chiaramente illustrato nelle figure 4-6; si noti nelle figure 4-6 le differenza nella forma del profilo interno della porzione 12 intermedia confrontando il lato destro ed il lato sinistro.
Come illustrato nella figura 4, nella posizione di chiusura l'otturatore 3 appoggia ad una superficie interna della porzione 12 intermedia. La superficie interna della porzione 12 intermedia comprende una area 14 di contatto che è disposta nel lato del condotto 2 di alimentazione in cui si dispone l'otturatore 3 nella posizione di completa apertura, è sostanzialmente perpendicolare all'asse 10 longitudinale, ed appoggia ad una superficie esterna dell'otturatore 3 nella posizione di chiusura. La superficie interna della porzione 12 intermedia comprende una area 15 di contatto che è disposta nel lato opposto al lato del condotto 2 di alimentazione in cui si dispone l'otturatore 3 nella posizione di completa apertura, è affacciata alla area 14 di contatto, tocca un bordo esterno dell'otturatore 3 nella posizione di chiusura, ed è conformata come una superficie cilindrica centrata sull'asse 4 di rotazione dell'otturatore 3. L'area 15 di contatto viene sfiorata dal bordo esterno dell'otturatore 3 nel corso del movimento tra la posizione di chiusura e la posizione di completa apertura del condotto 2 di alimentazione. La superficie interna della porzione 12 intermedia comprende una area 16 di contatto che è disposta nel lato del condotto 2 di alimentazione in cui si dispone l'otturatore 3 nella posizione di completa apertura, è parallela all'asse 10 longitudinale, ed appoggia ad una superficie esterna dell'otturatore 3 nella posizione di completa apertura.
Secondo una preferita forma di attuazione ben illustrata nella figura il, l'otturatore 3 presenta una forma convessa a sella avente la concavità rivolta verso una porzione il di ingresso del condotto 2 di alimentazione disposta a monte dell'otturatore 3 nella posizione di posizione di chiusura.
Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nelle figure 7-9, l'albero 8 dell'otturatore 3 è composto da due semialberi 8a ed 8b che sono disposti coassialmente all'asse 4 di rotazione in corrispondenza di due estremità opposte dell'otturatore 3. Ciascun semialbero 8a e 8b è angolarmente solidale all'otturatore 3 ed è incernierato alla parete del condotto 2 di alimentazione per ruotare attorno all'asse 4 di rotazione; in particolare, ciascun semialbero 8a e 8b è inserito all'interno di un foro 17a e 17b ricavato coassialmente all'asse 4 di rotazione attraverso la parete del condotto 2 di alimentazione. Il foro 17a è passante attraverso la parete del condotto 2 di alimentazione in modo da permettere al semialbero 8a di venire comandato dal motore 6 elettrico attraverso la trasmissione 7 meccanica; in particolare, il foro 17a passante è ricavato attraverso la parete del condotto 2 di alimentazione e si estende tra una apertura interna che sfocia all'interno del condotto 2 di alimentazione ed una apertura esterna che sfocia all'esterno del condotto 2 di alimentazione .
In corrispondenza della apertura interna di ciascun foro 17 passante ed attorno al corrispondente semialbero 8a oppure 8b è disposto un labirinto 18 che circonda l'albero 8 stesso, in modo da evitare che si verifichino trafilamenti di aria indesiderati a cavallo dell'albero 8 quando l'otturatore 3 è nella posizione di chiusura. Secondo quanto illustrato nella fiqura 10, ciascun labirinto 18 comprende un corpo 19 cilindrico che è solidale all'otturatore 3 (quindi al corrispondente semialbero 8a oppure 8b) ed è provvisto di una qola 20 anulare, ed un corpo 21 cilindrico che è solidale alla parete del condotto 2 di alimentazione (quindi è montato qirevole rispetto al corpo 19 cilindrico), riproduce in negativo la forma della gola 20 anulare, ed è disposto all'interno della gola 20 anulare stessa.
Preferibilmente, ciascun corpo 19 cilindrico comprende un foro 22 centrale in cui è inserito ad incastro il corrispondente semialbero 8a oppure 8b in modo che il semialbero 8a oppure 8b sia angolarmente solidale al corpo 19 cilindrico e quindi all'otturatore 3.
La valvola 1 a farfalla sopra descritta presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, la valvola 1 a farfalla sopra descritta presenta nella posizione di chiusura dei trafilamenti di aria molto bassi (e quindi trascurabili dal controllo motore) anche senza realizzare il condotto 2 di alimentazione e l'otturatore 3 con una elevata precisione costruttiva sia in termini dimensionali, sia in termini di forma.
Nelle posizioni di apertura l'otturatore 3 della valvola 1 a farfalla sopra descritta presenta un ostacolo ridotto al flusso dell'aria aspirata. Tale risultato viene ottenuto grazie al fatto che l'aria aspirata passa sostanzialmente solo da un lato (come chiaramente illustrato nelle figure 5-6) dell'otturatore 3 invece di passare da entrambi i lati dell'otturatore 3 (come invece accade nelle valvole a farfalla tradizionali provvisti di un piattello a farfalla incernierato in modo simmetrico).
La forma dell'otturatore 3 permette di evitare qualunque tipo di fenomeno di incollaggio nella posizione di chiusura; quindi l'otturatore 3 può tranquillamente venire disposto nella posizione di completa chiusura a differenza di quanto avviene nelle valvole a farfalla tradizionali provvisti di un piattello a farfalla incernierato in modo simmetrico. Questa caratteristica permette di semplificare il controllo della quantità di aria aspirata in regime minimo, in quanto a piccolo angoli di apertura l'incremento della quantità di aria aspirata all'aumentare dell'angolo di apertura è più contenuto.
La forma dell'otturatore 3 conferisce all'otturatore 3 stesso una elevata robustezza meccanica; di conseguenza, anche nel caso di un motore sovralimentato l'otturatore 3 può venire realizzato con materiali plastici (decisamente più economici dei materiali metallici sia dal punto di vista del costo del materiale, sia dal punto di vista della lavorazione).
La valvola 1 a farfalla sopra descritta può venire utilizzata in qualsiasi motore a combustione interna (indifferentemente operante con il ciclo Otto o con il ciclo Diesel) ; in particolate, la valvola 1 a farfalla sopra descritta trova un utilizzo ideale in un motore a combustione interna sovralimentato e di piccola cilindrata (preferibilmente operante con la modalità "Start-Stop" che prevede di spegnere sempre il motore quando il veicolo è fermo).

Claims (16)

  1. RIVENDICAZIONI 1) Valvola (1) a farfalla per un motore a combustione interna; la valvola (1) a farfalla comprendente: un condotto (2) di alimentazione presentante un asse (10) longitudinale; ed un otturatore (3), il quale impegna il condotto (2) di alimentazione e ruota attorno ad un asse (4) di rotazione tra una posizione di chiusura ed una posizione di completa apertura del condotto (2) di alimentazione; la valvola (1) a farfalla è caratterizzato dal fatto che l'asse (4) di rotazione dell'otturatore (3) è disposto eccentricamente rispetto ad un centro (9) dell'otturatore (3) in modo tale che ruotando dalla posizione di chiusura alla posizione di completa apertura del condotto (2) di alimentazione l'otturatore (3) si dispone su di un lato del condotto (2) di alimentazione rispetto all'asse (10) longitudinale.
  2. 2) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 1, in cui il condotto (2) di alimentazione comprende: una porzione (il) di ingresso disposta a monte dell'otturatore (3); ed una porzione (12) intermedia disposta in corrispondenza dell'otturatore (3) e presentante una sezione trasversale maggiore rispetto alla porzione (il) di ingresso.
  3. 3) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 1, in cui la porzione (12) intermedia presenta una sezione trasversale progressivamente crescente lungo l'asse (10) longitudinale ed allontanandosi dalla porzione (11) di ingresso.
  4. 4) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui nella posizione di chiusura l'otturatore (3) appoggia ad una superficie interna della porzione (12) intermedia.
  5. 5) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 4, in cui la superficie interna della porzione (12) intermedia comprende una prima area (14) di contatto che è disposta nel lato del condotto (2) di alimentazione in cui si dispone l'otturatore (3) nella posizione di completa apertura, è sostanzialmente perpendicolare all'asse (10) longitudinale, ed appoggia ad una superficie esterna dell'otturatore (3) nella posizione di chiusura.
  6. 6) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 5, in cui la superficie interna della porzione (12) intermedia comprende una seconda area (15) di contatto che è disposta nel lato opposto al lato del condotto (2) di alimentazione in cui si dispone l'otturatore (3) nella posizione di completa apertura, è affacciata alla prima area (14) di contatto, tocca un bordo esterno dell'otturatore (3) nella posizione di chiusura, ed è conformata come una superficie cilindrica centrata sull'asse (4) di rotazione dell'otturatore (3).
  7. 7) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 6, in cui la seconda area (15) di contatto viene sfiorata dal bordo esterno dell'otturatore (3) nel corso del movimento tra la posizione di chiusura e la posizione di completa apertura del condotto (2) di alimentazione.
  8. 8) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 2 a 7, in cui la superficie interna della porzione (12) intermedia comprende una terza area (16) di contatto che è disposta nel lato del condotto (2) di alimentazione in cui si dispone l'otturatore (3) nella posizione di completa apertura, è parallela all'asse (10) longitudinale, ed appoggia ad una superficie esterna dell'otturatore (3) nella posizione di completa apertura.
  9. 9) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 2 a 8, in cui la porzione (12) intermedia presenta una forma asimmetrica rispetto all'asse (10) longitudinale del condotto (2) di alimentazione.
  10. 10) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui l'otturatore (3) presenta una forma convessa avente la concavità rivolta verso una porzione (11) di ingresso del condotto (2) di alimentazione disposta a monte dell'otturatore (3) nella posizione di posizione di chiusura.
  11. 11) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 10, in cui l'otturatore (3) presenta una forma a sella.
  12. 12) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 11 e comprendente un albero (8) che è angolarmente solidale all'otturatore (3) per controllare la posizione angolare dell'otturatore (3) attorno all'asse (4) di rotazione e fuoriesce dal condotto (2) di alimentazione attraverso un foro (17) passante che è ricavato attraverso una parete del condotto (2) di alimentazione stesso e si estende tra una apertura interna che sfocia all'interno del condotto (2) di alimentazione ed una apertura esterna che sfocia all'esterno del condotto (2) di alimentazione.
  13. 13) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 12, in cui in corrispondenza della apertura interna del foro (17) passante ed attorno all'albero (8) è disposto un labirinto (18) che circonda l'albero (8) stesso.
  14. 14) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 13, in cui il labirinto (18) comprende un primo corpo (19) cilindrico provvisto di una gola (20) anulare ed un secondo corpo (21) cilindrico che è montato girevole rispetto al primo corpo (19) cilindrico, riproduce in negativo la forma della gola (20) anulare, ed è disposto all'interno della gola (20) anulare stessa.
  15. 15) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 14, in cui il primo corpo (19) cilindrico è solidale all'otturatore (3) ed il secondo corpo (21) cilindrico è solidale ad una parete del condotto (2) di alimentazione.
  16. 16) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui il primo corpo (19) cilindrico comprende un foro (22) centrale in cui è inserito ad incastro l'albero (8).
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