ITCE20100002A1 - Sistemi di distribuzione variabile di tipo meccanico a 3 ed a 4 elementi attivi - Google Patents

Description

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE AVENTE PER TITOLO:

“SISTEMI DI DISTRIBUZIONE VARIABILE DI TIPO MECCANICO A 3 ED A 4 ELEMENTI ATTIVI”

Settore della tecnica

Il dispositivo oggetto della presente invenzione si inquadra nel settore dei sistemi di distribuzione variabile del tipo meccanico, anche definiti sistemi VVA meccanici (Variable Valve Actuation), studiato per essere adattato alle particolari esigenze di pesi, ingombri e logistica dei moderni motori a combustione interna motociclistici, circostanza che non preclude affatto l’adozione del sistema in oggetto su propulsori destinati ad altri usi (automobilistici, trazione pesante, ecc.).

Tecnica nota

L’obiettivo principale che nella tecnica motoristica si intende conseguire attraverso l’adozione di sistemi VVA è di ottenere l’ottimizzazione contemporanea di diversi parametri motoristici nei possibili differenti regimi di rotazione del propulsore. I parametri che si possono ottimizzare sono i<seguenti:>

<• consumi specifici;>

• emissioni;

• prestazioni in termini di coppia e potenza;

• elasticità del motore.

Le strategie utilizzate nella tecnica dei sistemi VVA di tipo meccanico, finalizzate all’ottenimento degli obiettivi di cui sopra, si possono sintetizza<re come segue:>

<• variazione di fase;>

• variazione di durata;

• variazione di alzata massima;

• variazione combinata, ma non indipendente, di fase, durata e alzata.Nella Fig. A1 si riporta un tipico diagramma che rappresenta, in funzione dell’angolo di rotazione dell’albero motore, la legge d’alzata della valvola di scarico (curva a) e quella della valvola d’ammissione (curva b) così come esse possono presentarsi in un moderno motore a combustione interna a 4 tempi.

La variazione di fase consiste nella traslazione rigida di una o di entrambe le curve di alzata. Nella Fig. A2 si riporta, ad esempio, la variazione di fase effettuata solo sulla valvola di aspirazione che costituisce la strategia più comune. Tale la strategia può ottenersi attraverso semplici sistemi puramente meccanici e, permettendo la variazione dell’incrocio tra le valvole, consente di:

1) ottimizzare il coefficiente di riempimento volumetrico del cilindro, producendo la instaurazione di favorevoli fenomeni fluidodinamici; 2) dosare in modo continuo la quantità di EGR (Exhaust Gas Recirculation) interno in modo da poter regolare la temperatura massima del ciclo e quindi la formazione di NOx.

Tuttavia il solo utilizzo di tale strategia (tra l’altro già adottata su alcune moto di grossa cilindrata in produzione) non è sufficiente a garantire il raggiungimento delle migliori prestazioni.

La variazione della durata angolare della legge di alzata, ottenuta interve-

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nendo sulla fase e sulla durata stessa, rappresentata nelle Figg. B1, B2 e B3, non è ottenibile attraverso i dispositivi puramente meccanici a tre elementi finora proposti o realizzati, mentre è uno dei punti di forza per i sistemi a tre elementi attivi proposti nella presente invenzione i quali consentono pure una variazione d’alzata valvola. Viene anche proposta una soluzione a quattro elementi attivi, attraverso la quale è possibile avere più gradi di liberta per l’ottenimento di distribuzioni variabili flessibili maggiormente rispondenti alle possibili esigenze motoristiche.

I migliori risultati in termini di efficienza globale del motore si ottengono in genere agendo sulla valvola di aspirazione ed operando ad angolo di apertura fisso ed angolo di chiusura variabile (come mostrato in Fig B1). Nelle Figg. B2 e B3, vengono riportate per completezza le altre possibili variazioni della legge di alzata della valvola di aspirazione, rispettivamente ad angolo di apertura variabile e di chiusura fisso oppure ad angolo di apertura e chiusura entrambi variabili.

Il primo tipo di modalità di attuazione della distribuzione variabile (Fig. B1) offre la possibilità di controllare, durante la corsa di compressione, il riflusso nel condotto di aspirazione dei gas aspirati permettendo di realizzare motori con rapporto volumetrico di compressione effettivo variabile. In tal modo si possono implementare cicli termodinamicamente ottimizzati, diversi da quelli tradizionali, come i cicli Miller e Atkinson.

La variazione della massima alzata della valvola (Fig. C) consente di effettuare numerose strategie di controllo del propulsore:

1) controllo del carico del motore senza l’ausilio del corpo farfallato con conseguente riduzione delle perdite di carico a piena ammissio ne;

2) controllo della velocità di efflusso dei gas attraverso le valvole e quindi del livello di turbolenza con conseguente ottimizzazione della combustione;

3) nei motori con almeno due valvole di aspirazione, regolando indipendentemente l’alzata delle stesse, sarebbe inoltre possibile controllare il livello di swirl riducendo le emissioni inquinanti ed il consumo di combustibile.

Tale strategia può ottenersi attraverso l’uso di semplici sistemi puramente meccanici, compresi quelli della presente invenzione.

La variazione combinata dei parametri di fase, di durata e di alzata (Fig. D) permetterebbe di conseguire, almeno in parte, tutti i benefici di cui godono i sistemi precedentemente esaminati. Si noti che per quanto complesso, è comunque pensabile un sistema meccanico ad un grado di libertà capace di operare tale strategia di attuazione (ne è un esempio il sistema Valvetronic della BMW). In questo caso generalmente le soluzioni costruttive realizzate non consentono una variazione indipendente dei suddetti tre parametri, ovvero della fase, della durata e dell’alzata massima. Tuttavia un sistema VVA ottimale, ovvero tale da poter variare tutti i parametri della legge di alzata in maniera indipendente tra loro, non è ottenibile con un sistema meccanico ad un grado di libertà.

Descrizione dell’invenzione

Oggetto del presente brevetto è un sistema di distribuzione di tipo meccanico azionato da un sistema tradizionale di camme in cui sia possibile variare non solo l’alzata massima (fino ad ottenere un valore nullo della stessa) ma anche la fase e la durata angolare della legge di alzata.

Poiché in un generico sistema meccanico di distribuzione ad albero a camme la durata angolare (riferita all’albero a camme) della movimentazione del generico elemento a contatto con la camma è imposta dal profilo utile della camma stessa, l’unico modo per ottenere una riduzione della durata angolare della legge di alzata consiste nel generare una corsa folle per un tratto variabile di uno degli elementi della catena cinematica (che per quanto asserito non può essere l’elemento a contatto con la camma).

Una possibile soluzione al problema è quella di adottare un sistema costituito da almeno tre elementi attivi (bilanciere principale, bilanciere ausiliario e camma oltre al sistema di azionamento che potrebbe essere esso stesso un ulteriore elemento attivo) in cui il profilo superiore del bilanciere principale sia per un primo tratto circolare con centro (in posizione di valvola chiusa) coincidente con il fulcro del bilanciere ausiliario (in tale modo la rotazione dell’elemento ausiliario non produce rotazione dell’elemento principale e la valvola resta chiusa) ed un secondo tratto di forma opportuna in cui avviene l’effettiva movimentazione della valvola. Lo stesso risultato potrebbe ottenersi adottando per il profilo del pattino del bilanciere ausiliario un primo tratto circolare concentrico con il fulcro del bilanciere stesso ed un secondo tratto di diversa geometria; così facendo però si ricadrebbe in brevetti preesistenti quali il Valvetronic della BMW. Tramite l’adozione del sistema VVA in esame è possibile ottenere a titolo di esempio, un motore motociclistico monocilindrico di elevate prestazioni, bassi consumi specifici ed emissioni, al fine di far fronte a quelle che sono le principali problematiche inerenti ai veicoli a motore, per i quali è necessario rispondere alle normative antinquinamento sempre più restrittive e al costo dei combustibili in continua crescita, pur mantenendo le elevate prestazioni di coppia e potenza richieste dall’utenza.

Descrizione dettagliata delle realizzazioni preferite

Nella Fig. E, viene riportato lo schema di una possibile realizzazione dell’oggetto della presente invenzione costituita da tre elementi attivi,<definita da ora in avanti “soluzione 1”, composta da:>

<• una camma (1);>

<• un bilanciere ausiliario a fulcro fisso (2);>

• un bilanciere principale a fulcro mobile (3);

• un bicchierino solidale alla valvola da azionare (4);

• eventuali cuscinetti per ridurre gli attriti (5).

L’effetto di realizzare una contemporanea riduzione dell’alzata valvola, della durata angolare e della fase è ottenuto imponendo al fulcro del bilanciere principale un movimento circolare intorno al fulcro del bilanciere ausiliario (ad esempio tramite un DC motor). In tale maniera, fermo restante la legge di moto del bilanciere ausiliario, cambia il percorso folle durante il quale il contatto tra i due bilancieri avviene lungo il tratto circolare (tratto circolare con centro nel fulcro del bilanciere ausiliario della Fig. E) del bilanciere principale (dove evidentemente non si ha alzata valvola). In definitiva, allo spostarsi del fulcro del bilanciere principale nel senso della freccia (riferimento Fig. E, nella quale a titolo di esempio il fulcro del bilanciere principale ruota intorno al fulcro del bilanciere ausiliario), si ottiene una riduzione dell’alzata massima della valvola, a seguito della minore durata della corsa utile del bilanciere ausiliario (tratto di corsa in cui il contatto tra i bilancieri avviene lungo il profilo rettilineo del bilanciere principale), e contemporaneamente una riduzione della durata e della fase a seguito dell’incremento della corsa folle del bilanciere ausiliario sul bilanciere principale. È importante notare come per tale sistema, al fine di mantenere il contatto tra bilanciere principale e bicchierino durante l’attuazione a valvola chiusa, risulta necessario che il pattino del bilanciere principale abbia anch’esso un profilo circolare (tratto circolare b della Fig. E) concentrico al profilo circolare superiore del bilanciere principale stesso (e quindi, a valvola chiusa, avente centro nel fulcro del bilanciere ausiliario). Una ulteriore precisazione riguarda la necessità di assicurare il contatto tra il bilanciere ausiliario e la camma mediante una opportuna forza di chiusura (ottenibile attraverso, ad esempio, una molla). Nella Fig. F, viene riportato lo schema di una ulteriore possibile realizzazione dell’oggetto della presente invenzione, applicabile ad un motore monocilindrico, costituita sempre da tre elementi attivi, definita da ora in<avanti “soluzione 2”, composta da:>

<• una camma (1);>

<• un supporto basculante per l’albero a camme (2);>

<• un bilanciere ausiliario a fulcro fisso (3);>

<• un bilanciere principale a fulcro fisso (4);>

• la valvola da azionare (5);

• eventuali guide valvole (6);

• eventuali cuscinetti per ridurre gli attriti (7);

• una ruota dentata solidale alla camma (8);

• una ruota dentata solidale alla presa di forza (9);

• la presa di forza per la catena di distribuzione (10).

La soluzione 2 funziona in maniera simile alla soluzione 1, con la differenza che a spostarsi non è il fulcro del bilanciere principale bensì è la camma a ruotare per mezzo dell’elemento denominato “supporto albero a camme”, attorno ad un fulcro fisso (fulcro supporto albero a camme – Fig. F). Il moto della camma è reso possibile dall’elemento “supporto albero a camme” che è in definitiva una bielletta nel cui fulcro mobile è incernierato l’albero a camme mentre nel cui fulcro fisso (rispetto al motore) è collegata una presa di forza costituita da un albero avente in un estremità una corona dentata collegata direttamente alla catena di distribuzione; sempre sull’albero è calettata una ruota dentata ingranante con una ruota compagna (con rapporto di trasmissione 1:1) solidale e coassiale all’elemento albero a camme.

Al ruotare della camma attorno al “ fulcro supporto albero a camme” nella direzione indicata in Fig. F, il bilanciere ausiliario, spinto da un apposita molla, necessaria per mantenere il contatto con la camma, è costretto a ruotare attorno al suo fulcro, aumentando o riducendo la corsa folle (come nel caso del precedente schema di Fig. E). Nello schema proposto, il “fulcro supporto albero a camme” è posto sullo stesso asse di rotazione del bilanciere ausiliario, in modo da rendere invariante la legge del moto del bilanciere ausiliario al variare della posizione dell’albero a camme, anche se tale soluzione non è affatto vincolante, anzi una sua variazione potrebbe risultare conveniente.

Infatti utilizzando come fulcro di movimentazione del supporto albero a camme un punto diverso dal fulcro del bilanciere ausiliario, sarebbe possibile ridurre la corsa totale del bilanciere ausiliario al ridursi dell’alzata massima, con conseguente contenimento di velocità e accelerazioni valvola in condizioni di alzata parziale.

Il sistema in oggetto, presenta l’inconveniente di dover movimentare un organo fortemente sollecitato quale l’albero a camme (un tale sistema sembra non essere stato ancora concepito). Probabilmente per rendere tale sistema concretamente realizzabile su un motore monocilindrico a quattro valvole, in cui è necessario comandare due valvole di aspirazione, potrebbe convenire utilizzare un’unica camma agente su entrambi i bilancieri ausiliari (tra di loro collegabili mediante uno spinotto di sostegno ad un rullo centrale sul quale possa agire un’unica camma) in maniera da rendere quanto più semplice, rigido e compatto il sistema composto da albero a camme e suo supporto mobile. La movimentazione dell’equipaggio composto dal supporto albero a camme e l’albero a camme stesso potrebbe essere realizzata o mediante sistema a vite senza fine o mediante ulteriore camma spingente sul supporto mobile (come avviene nel sistema Valvetronic).

Un ulteriore sistema in grado di realizzare fase, alzata e durata variabili può essere realizzato adottando un meccanismo a quattro elementi attivi, quale quello di Fig. G, da ora definito “soluzione 3”. Tale sistema, dal punto di vista funzionale, prende il meglio dei due sistemi precedentemente esposti presentando però alcuni inconvenienti dovuti alla maggiore complessità, ingombro e perdite per attrito.

Nella Fig. G, viene riportato lo schema di una possibile realizzazione dell’oggetto della presente invenzione, costituito da:

<• una camma (1);>

<• un bilanciere ausiliario a fulcro mobile (2);>

<• un bilanciere ausiliario a fulcro fisso (3);>

• un bilanciere principale a fulcro fisso (4);

• la valvola da azionare (5);

• eventuali cuscinetti per ridurre gli attriti (6).

Il funzionamento del sistema è il seguente:

fissata attraverso apposito comando (ad esempio un DC motor) la posizione del fulcro del bilanciere ausiliario (2), la camma (1), ruotando attorno al proprio asse, aziona il bilanciere ausiliario (2) che a seguito della catena cinematica costituita dal bilanciere ausiliario (3) e dal bilanciere principale (4), aziona infine la valvola (5), imponendo ad essa di compiere una prefissata legge di alzata. Variando, con apposito sistema di attuazione, la posizione del fulcro del bilanciere ausiliario (2), vengono a mutare le proprietà cinematiche della catena di comando valvola, ottenendo in tale modo diverse leggi in cui non solo si modifica il valore dell’alzata massima fino eventualmente ad annullarlo, ma è anche possibile modificare il valore della durata angolare e della fase della legge di alzata, peculiarità questa assente nella totalità degli altri sistemi VVA di tipo meccanico a tre elementi preesistenti ed ottenibile appunto con l’adozione di una catena cinematica a quattro elementi. Anche in questo caso è necessario disporre di dispositivi elastici per evitare il distacco degli elementi della catena cinematica, situazione potenzialmente realizzabile in particolari condizioni di funzionamento.

La soluzione a quattro elementi attivi può consentire attraverso la movi mentazione dei fulcri sia del bilanciere ausiliario 2 che del bilanciere ausiliario 3 di ottenere una più ampia combinazione di configurazioni del meccanismo capaci di ottenere variazioni di alzata, durata e fase con differenti valori di ciascuna grandezza.

Si osservi che con le soluzioni 1, 2 e 3 è possibile, assegnando opportune leggi di moto ai vari elementi, disegnare i vari profili a contatto relativo in maniera da ridurre le forze di inerzia concordemente alla riduzione delle alzate, cosa non possibile con tutti gli altri sistemi a tre elementi.

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1) Sistema di distribuzione variabile costituito da componenti meccanici in numero di tre o di quattro elementi attivi capaci di consentire le variazioni di alzata, di fase e di durata angolare della legge del moto di una valvola motore; 2) Sistema come da rivendicazione 1) capace, attraverso la posizione reciproca tra i vari elementi costituenti, di consentire una variazione di alzata da un valore minimo pari a zero ad un valore massimo prefissabile; 3) Sistema come da rivendicazione 1) capace, attraverso la posizione reciproca tra i vari elementi costituenti, di consentire una variazione di fase e di durata, in maniera indipendente, nel range di valori compatibili con una distribuzione variabile di un motore a combustione interna alternativo; 4) Sistema come da rivendicazione 1) costituito da tre elementi attivi, così come esemplificato nella Fig. E, avente una camma di comando, un bilanciere ausiliario con fulcro fisso ed un bilanciere principale dotato di fulcro mobile con centro di rotazione coincidente con il fulcro del bilanciere ausiliario; quest’ultimo caratterizzato dall’avere un profilo superiore ed un profilo inferiore caratterizzati da tratti circolari concentrici (in condizioni di valvola chiusa) con il fulcro fisso del bilanciere ausiliario, in maniera da realizzare l’alzata nulla e capace in corrispondenza delle varie posizioni che può assumere il fulcro del bilanciere principale, di consentire la variazione dell’alzata valvola da un valore minimo ad un valore massimo; 5) Sistema come da rivendicazione 1) costituito da tre elementi attivi, così come esemplificato nella Fig. F, avente il primo elemento costituito da una camma di comando il cui asse di rotazione è basculante intorno ad un centro di rotazione (che può anche coincidere come in Fig. F) con il fulcro del bilanciere ausiliario; il secondo elemento è costituito dal bilanciere ausiliario il cui fulcro è fisso; il terzo elemento è costituito da un bilanciere principale di comando della valvola. L’asse di rotazione della camma (1), può ruotare di un certo arco intorno al centro di rotazione di una bielletta (2), sicché varia il punto di contatto tra l’estremità del bilanciere ausiliario (3) ed il profilo attivo del bilanciere principale (4), costituito da un tratto circolare e da un tratto rettilineo. La posizione relativa tra i vari elementi (1), (2), (3) e (4) determina il moto della valvola che così può andare da un valore nullo dell’alzata ad un valore massimo della stessa, potendo influire anche sulla durata e sulla fase. 6) Sistema come da rivendicazione 1) costituito da quattro elementi attivi, così come esemplificato nella Fig. G, avente il primo elemento costituito da una camma di comando (1) il cui asse di rotazione è fisso, un secondo elemento costituito dal bilanciere ausiliario (2) il cui fulcro può muoversi lungo una traiettoria circolare, un terzo elemento costituito da un secondo bilanciere ausiliario (3) il cui fulcro è fisso, un quarto elemento costituente il bilanciere principale (4) il cui fulcro è fisso e che agisce direttamente sulla valvola (5). Il profilo superiore del bilanciere principale è caratterizzato da un tratto circolare concentrico al fulcro fisso del bilanciere ausiliario (3) e da un tratto curvilineo. Per la movimentazione del complesso è necessario, in particolari posizioni reciproche dei vari elementi, l’impiego di elementi elastici di chiusura; 7) Sistema come da rivendicazione 1) costituito da quattro elementi attivi, così come esemplificato nella Fig. G, avente il primo elemento costituito da una camma di comando (1) il cui asse di rotazione è fisso, un secondo elemento costituito dal bilanciere ausiliario (2) il cui fulcro può muoversi lungo una traiettoria circolare, un terzo elemento costituito da un secondo bilanciere ausiliario (3) il cui fulcro è fisso, un quarto elemento costituente il bilanciere principale (4) il cui fulcro è mobile e che agisce direttamente sulla valvola (5). Il profilo superiore del bilanciere principale è caratterizzato da un tratto circolare concentrico al fulcro fisso del bilanciere ausiliario (3) e da un tratto curvilineo. Per la movimentazione del complesso è necessario, in particolari posizioni reciproche dei vari elementi, l’impiego di elementi elastici di chiusura; 8) Sistema come da rivendicazioni precedenti in cui è possibile, assegnando opportune leggi di moto ai vari elementi, disegnare i vari profili a contatto relativo in maniera da ridurre in modulo le forze di inerzia concordemente alla riduzione delle alzate massime.