ITBO20130676A1 - Valvola a farfalla per un motore a combustione interna provvista di una sede valvola metallica costampata all'interno di un corpo valvola in materiale plastico - Google Patents

Valvola a farfalla per un motore a combustione interna provvista di una sede valvola metallica costampata all'interno di un corpo valvola in materiale plastico

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ITBO20130676A1
ITBO20130676A1 IT000676A ITBO20130676A ITBO20130676A1 IT BO20130676 A1 ITBO20130676 A1 IT BO20130676A1 IT 000676 A IT000676 A IT 000676A IT BO20130676 A ITBO20130676 A IT BO20130676A IT BO20130676 A1 ITBO20130676 A1 IT BO20130676A1
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valve
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butterfly
supply duct
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Marcello Colli
Michele Garofalo
Luigi Lubrano
Salvatore Vutera
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Magneti Marelli Spa
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Description

D E S C R I Z I O N E
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“VALVOLA A FARFALLA PER UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA PROVVISTA DI UNA SEDE VALVOLA METALLICA COSTAMPATA ALL'INTERNO DI UN CORPO VALVOLA IN MATERIALE PLASTICO”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un 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 maggior parte delle valvole a farfalla presenti in commercio, l’intero corpo valvola è realizzato in materiale metallico ed è monolitico (cioè è formato da un unico pezzo senza soluzione di continuità). Per ridurre il peso ed il costo di produzione di una valvola a farfalla è stato proposto di suddividere il corpo valvola in due parti tra loro inizialmente separate: una prima parte che comprende il condotto di alimentazione (al cui interno è disposto il piattello a farfalla) ed è realizzata in materiale metallico, ed una seconda parte che comprende il supporto del motore elettrico e della trasmissione ad ingranaggi ed è realizzata in materiale plastico; le due parti vengono prodotte separatamente e quindi vengono collegate insieme mediante viti. Tuttavia, il mercato richiede ulteriori riduzioni di peso e di costo di produzione della valvola a farfalla senza alcuna penalizzazione delle prestazioni.
Nella domanda di brevetto DE202013005082U1 (ed anche nei documenti di arte anteriore WO0031405A2, WO9607041A1 e US6138988B1) è stata proposta una valvola a farfalla presentante un corpo interno di forma anulare che è costituito di un materiale metallico, definisce una porzione centrale del condotto di alimentazione, ed è disposto in corrispondenza dell’albero in modo tale che in una posizione di chiusura il bordo esterno del piattello a farfalla sia prossimo ad una superficie interna del corpo interno stesso, ed un corpo esterno che è costituito di un materiale plastico (tipicamente un tecnopolimero), ingloba dentro di sé il corpo interno lasciando a vista la superficie interna del corpo interno, e costituisce la restante parte del condotto di alimentazione ai lati opposti del corpo interno.
La valvola a farfalla descritta nella domanda di brevetto DE202013005082U1 è di semplice ed economica realizzazione (infatti è facilmente realizzabile mediante un costampaggio ad iniezione del corpo esterno attorno al corpo interno), presenta un peso ed un costo di produzione estremamente contenuti (è quasi interamente realizzato in materiale plastico che è più leggero ed economico del materiale metallico), e non risente negativamente né delle dilatazioni termiche dovute agli sbalzi di temperatura a cui la valvola a farfalla è sottoposta durante l’uso, né dei fenomeni di invecchiamento (in quanto le due parti che cooperano assieme per definire la chiusura del condotto di alimentazione, cioè il piattello a farfalla ed il corpo interno, sono realizzate con lo stesso materiale metallico e quindi presentano lo stesso tipo di comportamento sia alle variazioni termiche, sia all’invecchiamento).
Tuttavia, nella valvola a farfalla descritta nella domanda di brevetto DE202013005082U1 il condotto di alimentazione potrebbe non garantire sempre una sigillatura ottimale in corrispondenza delle due giunzione anulari tra il corpo interno ed il corpo esterno. In altre parole, in corrispondenza delle due giunzione anulari tra il corpo interno ed il corpo esterno si possono verificare dei trafilamenti di aria sia dal condotto di alimentazione verso l’ambiente esterno, sia dall’ambiente esterno verso il condotto di alimentazione. Tali trafilamenti di aria possono essere particolarmente negativi perché da un lato possono portare delle sostanze potenzialmente dannose (umidità che determina ossidazioni o prodotti della combustione che possono essere chimicamente aggressivi) verso i componenti meccanici, elettrici ed elettronici del dispositivo attuatore, e dall’altro lato possono rendere la valvola a farfalla non conforme alle specifiche delle normative di omologazione (ad esempio le normative Euro 6 stabiliscono un limite relativamente basso per la tenuta del condotto di alimentazione).
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di realizzare una valvola a farfalla per un motore a combustione interna, la quale valvola a farfalla sia esente dagli inconvenienti sopra descritti e, nello stesso tempo, sia anche di facile ed economica realizzazione.
Secondo la presente invenzione viene realizzata 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:
• la figura 1 è una vista prospettica, parzialmente esplosa e con parti asportate per chiarezza di una valvola a farfalla realizzata secondo la presente invenzione;
• la figura 2 è una vista frontale e con parti asportate per chiarezza della valvola a farfalla della figura 1 con in evidenza un dispositivo attuatore che controlla la posizione di un piattello a farfalla;
• la figura 3 è una vista prospettica, parzialmente sezionata con l’asportazione di parti per chiarezza della valvola a farfalla della figura 1;
• la figura 4 è una vista in sezione longitudinale e con l’asportazione di parti per chiarezza della valvola a farfalla della figura 1;
• la figura 5 è una vista prospettica di un corpo intero metallico della valvola a farfalla della figura 1;
• la figura 6 è una vista in pianta del corpo interno metallico della figura 5;
• la figura 7 è una vista in sezione longitudinale del corpo interno metallico della figura 5;
• la figura 8 è una vista in scala ingrandita di un particolare della figura 7; e
• la figura 9 è una vista prospettica di un semilavorato che è realizzato per estrusione e viene utilizzato per produrre il corpo interno metallico della figura 5. FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nelle figure 1 e 2, 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 corpo 2 valvola alloggiante un dispositivo attuatore provvisto di un motore 3 elettrico (illustrato nella figura 2), un condotto 4 di alimentazione tubolare a sezione circolare attraverso cui fluisce l’aria aspirata dal motore a combustione interna, ed un piattello 5 a farfalla (illustrato schematicamente in tratteggio), il quale è di forma circolare, impegna il condotto 4 di alimentazione e ruota tra una posizione di apertura e una posizione di chiusura del condotto 4 di alimentazione per effetto dell’azione del dispositivo attuatore. Il piattello 5 a farfalla è calettato su di un albero 6 presentante un asse 7 di rotazione longitudinale per ruotare tra la posizione di apertura e la posizione di chiusura per effetto dell’azione del dispositivo attuatore.
Secondo quanto illustrato nella figura 2, il dispositivo attuatore comprende il motore 3 elettrico che è accoppiato all’albero 6 mediante una trasmissione 8 ad ingranaggi, una molla di ritorno (non illustrata ed accoppiata all’albero 6) atta a ruotare il piattello 5 a farfalla verso la posizione di chiusura, ed una molla di contrasto (non illustrata ed accoppiata all’albero 6) atta a ruotare il piattello 5 a farfalla contro l’azione della molla di ritorno e verso una posizione di parziale apertura (o posizione di limp-home) definita da un corpo di riscontro (non illustrato).
Il motore 3 elettrico presenta un corpo cilindrico, il quale è disposto in un alloggiamento 9 tubolare (illustrato nella figura 1) del corpo 2 valvola disposto a fianco del condotto 4 di alimentazione ed è mantenuto in una posizione determinata all’interno dell’alloggiamento 9 tubolare da una piastra metallica provvista di una coppia di connettori 10 elettrici femmina (illustrati nella figura 2), i quali sono elettricamente collegati al motore 3 elettrico e sono atti a venire impegnati da una coppia di rispettivi connettori 11 elettrici maschio (illustrati nella figura 1).
La trasmissione 8 ad ingranaggi è disposta in una camera 12 (illustrato nella figura 2) del corpo 2 valvola, la quale viene chiusa da un coperchio 13 asportabile (illustrato nella figura 1).
Secondo quanto illustrato nelle figure 1 e 2, la valvola 1 a farfalla comprende un sensore di posizione induttivo di tipo “senza contatto”, il quale è accoppiato all’albero 6 ed è atto a rilevare la posizione angolare dell’albero 6 e, quindi, del piattello 5 a farfalla per permettere una controllo in retroazione della posizione del piattello 5 a farfalla stesso. Il sensore di posizione comprende un rotore 14 (illustrato nella figura 2) solidale all’albero 6 ed uno statore 15 (illustrato nella figura 1) supportato dal coperchio 13 ed in uso disposto affacciato al rotore 14.
Secondo quanto illustrato nella figura 1, il coperchio 13 è provvisto di un connettore 16 elettrico femmina, il quale comprende una serie di contatti elettrici (non illustrati in dettaglio): due contatti elettrici sono collegati ai connettori 11 elettrici maschio atti ad alimentare il motore 3 elettrico, mentre gli altri contatti elettrici sono collegati allo statore 15 del sensore di posizione.
Secondo quanto illustrato nelle figure 3 e 4, il corpo 2 valvola comprende un corpo 17 interno di forma anulare che è costituito di un primo materiale, definisce una porzione centrale del condotto 4 di alimentazione, ed è disposto in corrispondenza dell’albero 6 del piattello 5 a farfalla in modo tale che nella posizione di chiusura del condotto 4 di alimentazione il bordo esterno del piattello 5 a farfalla è prossimo (si appoggia) ad una superficie 18 interna del corpo 17 interno stesso. Inoltre, il corpo 2 valvola comprende un corpo 19 esterno che è costituito di un secondo materiale diverso dal primo materiale, ingloba dentro di sé il corpo 17 interno lasciando a vista (cioè libera, non coperta) la superficie 18 interna del corpo 17 interno, e costituisce la restante parte del condotto 4 di alimentazione ai lati opposti del corpo 17 interno. In altre parole, il corpo 17 interno è quasi completamente circondato dal (annegato nel) corpo 19 esterno che lascia libera (cioè a vista, ovvero non coperta) solo la superficie 18 interna del corpo 17 interno contro la quale si appoggia il bordo esterno del piattello 5 a farfalla nella posizione di chiusura del condotto 4 di alimentazione.
In particolare, il corpo 19 esterno comprende, tra le altre cose, l’alloggiamento 9 tubolare che è disposto a fianco del condotto 4 di alimentazione ed alloggia il motore 3 elettrico e la camera 12, la quale alloggia la trasmissione 8 ad ingranaggi ed è chiusa dal coperchio 13 asportabile.
Secondo una preferita forma di attuazione, il primo materiale che costituisce il corpo 17 interno è un materiale metallico (ad esempio alluminio), ed il secondo materiale che costituisce il corpo 19 esterno è un materiale plastico (ad esempio un tecnopolimero caricato con fibre di vetro). Preferibilmente, il secondo materiale che costituisce il corpo 19 esterno è costampato ad iniezione attorno al corpo 17 interno.
Preferibilmente, il piattello 5 a farfalla è realizzato con lo stesso primo materiale metallico che compone il corpo 17 interno; in alternativa il piattello 5 a farfalla è realizzato con un materiale metallico che è diverso dal primo materiale metallico che compone il corpo 17 interno ma ha comunque un comportamento termico simile al primo materiale metallico che compone il corpo 17 interno (ovvero entrambi i materiali presentano sostanzialmente lo stesso coefficiente di dilatazione termica). In questo modo, le due parti che cooperano assieme per definire la chiusura del condotto 4 di alimentazione (cioè il piattello 5 a farfalla ed il corpo 17 interno disposto in corrispondenza dell’asse 7 di rotazione del piattello 5) sono realizzate con lo stesso materiale (o comunque entrambe con materiali metallici tra loro simili) e quindi presentano sostanzialmente lo stesso tipo di comportamento sia alle variazioni termiche, sia all’invecchiamento.
Secondo una preferita forma di attuazione illustrata nelle figure 5 e 6, il corpo 17 interno è provvisto di una pluralità di nervature 20 di aggrappaggio (cioè di trattenimento, di bloccaggio) che sporgono a sbalzo da una superficie esterna e sono inglobate dentro al corpo 19 esterno. Secondo alternative forme di attuazione non illustrate, le nervature 20 di aggrappaggio non sono presenti oppure presentano forme diverse.
Secondo quanto illustrato nelle figure 3-5 e 7, il corpo 17 interno presenta due fori 21 passanti, i quali sono simmetricamente disposti da lati opposti del corpo 17 interno, sono coassiali all’asse 7 di rotazione, e sono attraversati dall’albero 6; in altre parole, la funzione dei fori 21 passanti è di permettere il passaggio dell’albero 6 attraverso il corpo 17 interno.
Secondo una preferita forma di attuazione, il corpo 17 interno presenta due appendici 22 tubolari, le quali sono simmetricamente disposte da lati opposti del corpo 17 interno, sono coassiali all’asse 7 di rotazione (ovvero sono disposte in corrispondenza dei fori 21 passanti), sporgono radialmente a sbalzo verso l’esterno del corpo 17 interno, ed alloggiano corrispondenti cuscinetti (noti e non illustrati) dell’albero 6. Le appendici tubolari possono alloggiare anche delle boccole di centraggio assiale (note e non illustrate) dell’albero 6, ovvero degli elementi che garantiscono la corretta posizione assiale dell’albero 6 (e, ovviamente, del piattello 5 a farfalla portato dall’albero 5); in alternativa, i cuscinetti e/o le boccole di centraggio assiale dell’albero 6 sono alloggiate dentro al corpo 19 esterno. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il corpo 17 interno è privo delle due appendici 22 tubolari; di conseguenza, gli alloggiamenti per i cuscinetti dell’albero 6 (e, ovviamente, delle boccole di centraggio assiale) vengono ricavati nel corpo 19 esterno.
Secondo quanto illustrato nelle figure 5-8, il corpo 17 interno presenta due pareti 23 anulari (visibili insieme solo nella figura 7) che sono tra loro assialmente contrapposte e ciascuna delle quali circonda il condotto 4 di alimentazione. Ciascuna parete 23 anulare del corpo 17 interno è provvista di una gola 24 ricavata in mezzo alla parete 23 anulare stessa; ovvero ciascuna parete 23 anulare del corpo 17 interno è centralmente scavata per ricavare una corrispondente gola 24 (ovviamente di forma anulare anch’essa).
Secondo quanto meglio illustrato nella figura 8, ciascuna gola 24 è delimitata da un lato da un bordo 25 interno di diametro minore (ovvero disposto dentro alla gola 24) e dall’altro lato da un bordo 26 esterno di diametro maggiore (ovvero disposto fuori dalla gola 24). Secondo una preferita forma di attuazione, in ciascuna gola 24 il bordo 25 interno presenta una altezza misurata assialmente inferiore rispetto al bordo 26 esterno (ovvero il bordo 25 interno è assialmente più basso del bordo 26 esterno). Secondo una preferita forma di attuazione, in ciascuna gola 24 il bordo 25 interno presenta uno spessore misurato radialmente inferiore rispetto al bordo 26 esterno (ovvero il bordo 25 interno è radialmente più sottile del bordo 26 esterno). Infine, secondo una preferita forma di attuazione, ciascuna gola 24 presenta uno spessore misurato radialmente superiore rispetto al bordo 25 interno (ovvero ciascuna gola 24 è radialmente più spessa del bordo 25 interno).
Ovviamente e come ben illustrato nella figura 4, una parte del corpo 19 esterno penetra all’interno di ciascuna gola 24 riempiendo completamente la gola 24 stessa.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, ciascuna parete 23 anulare del corpo 17 interno è provvista di una sola gola 24; secondo alternative forma di attuazione non illustrate, ciascuna parete 23 anulare del corpo 17 interno è provvista di due o più gole 24 disposte concentricamente una all’interno dell’altra (o, da un altro punto di vista, disposte concentricamente una all’esterno dell’altra).
Il corpo 17 interno può venire realizzato partendo da un semilavorato grezzo realizzato mediante fusione (normalmente pressofusione) che viene successivamente lavorato meccanicamente con asportazione di materiale. In alternativa, il corpo 17 interno può venire realizzato partendo da un semilavorato grezzo realizzato mediante estrusione che viene successivamente lavorato meccanicamente con asportazione di materiale; nella figura 9 è illustrato un esempio di un semilavorato grezzo realizzato mediante estrusione da cui viene successivamente ricavato il corpo 17 interno (tale semilavorato viene ricavato “tagliando a fette” una corrispondente barra estrusa).
La valvola 1 a farfalla sopra descritta presenta numerosi vantaggi.
In primo luogo, ciascuna gola 24 (al cui interno penetra il corpo 19 esterno riempiendo completamente la gola 24 stessa) costituisce un “labirinto” che rende più difficoltoso il percorso per i gas che penetrano all’interno del condotto 4 di alimentazione o fuoriescono dal condotto 4 di alimentazione in corrispondenza delle giunzione anulari tra il corpo 17 interno ed il corpo 19 esterno (particolarmente passando attorno alle appendici 22 tubolari) In altre parole, la presenza della gola 24 permette di ottenere una maggiore tenuta pneumatica che riduce in modo sensibile il passaggio di gas in corrispondenza delle giunzione anulari tra il corpo 17 interno ed il corpo 19 esterno (particolarmente passando attorno alle appendici 22 tubolari).
Il fatto che in ciascuna parete 23 anulare il bordo 25 interno è radialmente più stretto della gola 24 e del bordo 26 esterno ed è assialmente più basso del bordo 26 esterno permette di migliorare l’effetto di tenuta della gola 24, ovvero permette di ridurre la permeabilità ai gas della corrispondente giunzione anulare tra il corpo 17 interno ed il corpo 19 esterno.
Inoltre, per la sua conformazione l’effetto di tenuta di ciascuna gola 24 si conserva anche in caso di differenti dilatazioni (dovute a variazioni di temperatura e/o ad invecchiamento) del corpo 19 esterno rispetto al corpo 17 interno. In altre parole, anche se il corpo 19 esterno si dilata diversamente dal corpo 17 interno (in seguito a variazioni di temperatura e/o ad invecchiamento), le gole 24 conservano comunque quasi inalterata la propria capacità di tenuta.
Infine, il corpo 17 interno della valvola 1 a farfalla sopra descritta è di semplice ed economica realizzazione, in quanto ciascuna gola 24 è facilmente realizzabile ad esempio mediante una lavorazione meccanica di asportazione mediante fresatura.

Claims (11)

  1. R I V E N D I C A Z I O N I 1) Valvola (1) a farfalla per un motore a combustione interna; la valvola (1) a farfalla comprende: un corpo (2) valvola; un condotto (4) di alimentazione tubolare definito nel corpo (2) valvola ed attraverso cui fluisce l’aria aspirata dal motore a combustione interna; ed un piattello (5) a farfalla, il quale è disposto all’interno del condotto (4) di alimentazione ed è calettato su di un albero (6) montato girevole per ruotare attorno ad un asse (7) di rotazione tra una posizione di massima apertura ed una posizione di chiusura del condotto (4) di alimentazione; in cui il corpo valvola comprende un corpo (17) interno di forma anulare che è costituito di un primo materiale, definisce una porzione centrale del condotto (4) di alimentazione, ed è disposto in corrispondenza dell’albero (6) del piattello (5) a farfalla in modo tale che nella posizione di chiusura del condotto (4) di alimentazione il bordo (26) esterno del piattello (5) a farfalla sia prossimo ad una superficie (18) interna del corpo (17) interno stesso; in cui il corpo valvola comprende un corpo (19) esterno che è costituito di un secondo materiale diverso dal primo materiale, ingloba dentro di sé il corpo (17) interno lasciando a vista la superficie (18) interna del corpo (17) interno, e costituisce la restante parte del condotto (4) di alimentazione ai lati opposti del corpo (17) interno; ed in cui il corpo (17) interno presenta due pareti (23) anulari contrapposte, ciascuna delle quali circonda il condotto (4) di alimentazione; la valvola (1) a farfalla è caratterizzata dal fatto che ciascuna parete (23) anulare del corpo (17) interno è provvista di almeno una gola (24) ricavata in mezzo alla parete (23) anulare stessa.
  2. 2) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 1, in cui ciascuna gola (24) è delimitata da un lato da un bordo (25) interno di diametro minore e dall’altro lato da un bordo (26) esterno di diametro maggiore.
  3. 3) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 2, in cui in ciascuna gola (24) il bordo (25) interno presenta una altezza misurata assialmente inferiore rispetto al bordo (26) esterno.
  4. 4) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 2 o 3, in cui in ciascuna gola (24) il bordo (25) interno presenta uno spessore misurato radialmente inferiore rispetto al bordo (26) esterno.
  5. 5) Valvola (1) a farfalla secondo la rivendicazione 2, 3 o 4, in cui ciascuna gola (24) presenta uno spessore misurato radialmente superiore rispetto al bordo (25) interno.
  6. 6) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui una parte del corpo (19) esterno penetra all’interno di ciascuna gola (24) riempiendo completamente la gola (24) stessa.
  7. 7) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, in cui il piattello (5) a farfalla è realizzato nello stesso primo materiale che costituisce il corpo (17) interno.
  8. 8) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui il secondo materiale che costituisce il corpo (19) esterno è costampato attorno al corpo (17) interno.
  9. 9) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 58, in cui il corpo (17) interno è provvisto di una pluralità di nervature (20) di aggrappaggio che sporgono a sbalzo da una superficie esterna opposta alla superficie (18) interna e sono inglobate dentro al corpo (19) esterno.
  10. 10) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui il corpo (17) interno presenta due fori (21) passanti, i quali sono simmetricamente disposti da lati opposti del corpo (17) interno, sono coassiali all’asse (7) di rotazione, e sono attraversati dall’albero (6).
  11. 11) Valvola (1) a farfalla secondo una delle rivendicazioni da 1 a 10, in cui il corpo (17) interno presenta due appendici (22) tubolari, le quali sono simmetricamente disposte da lati opposti del corpo (17) interno, sono coassiali all’asse (7) di rotazione, sporgono radialmente a sbalzo verso l’esterno del corpo (17) interno, ed alloggiano corrispondenti cuscinetti dell’albero (6).
IT000676A 2013-12-04 2013-12-04 Valvola a farfalla per un motore a combustione interna provvista di una sede valvola metallica costampata all'interno di un corpo valvola in materiale plastico ITBO20130676A1 (it)

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