ITCT20060019A1 - Macchina volumetrica con camera toroidale a sezione circolare, suddivisa in due volumi variabili da due valvole di separazione e da un pistone a settore toroidale. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per TITOLO:

"Macchina volumetrica con camera toroidale a sezione circolare, suddivisa in volumi variabili da due valvole di separazione e da un pistone a settore toroidale",

a nome di Emanuele Spada, residente in Siracusa, Via Giuseppe Maria Danieli n. 14,di nazionalità italiana,

depositata in data

CAMPO DI APPLICAZIONE DEL TROVATO E STATO ANTERIORE DELLA TECNICA: il campo di interesse dell'invenzione è quello dei motori a combustione interna (nel seguito MCI) e delle macchine a fluido motrici ed operatrici, in cui le tipologie di macchine che coprono attualmente la gran parte delle applicazioni, sono rispettivamente:

motori a pistone e camera di combustione cilindrica (nelle versioni a due o quattro tempi, aspirati o sovralimentati, con alimentazione a benzina, diesel, gas o di altro tipo ancora poco utilizzati), universalmente diffusi nonostante lo scarso rendimento rispetto al potenziale di energia contenuto nel carburante, e motori Wankel, di limitata diffusione.

turbomacchine a palettatura (turbine idrauliche, a gas o a vapore,<turboreattori,>turbopompe, turbocompressori,turboaspiratori,turboventilatori, ecc.), macchine operatrici a stantuffo-cilindro ed altre macchine volumetriche dal ridotto ambito di applicazione rispetto alle precedenti come macchine Scroll, Root, viti di Archimede, pompe ad ingranaggi, e tipologie minori.

- ---

FINALITA' CHE SI INTENDONO RAGGIUNGERE: introdurre una nuova tipologia di macchina dalle caratteristiche di notevole rilevanza tecnica e commerciale quali:

-<versatilità, potendo funzionare, con qualche variante come la presenza o meno>di alcuni componenti (iniettori, candele, polmone a pressione) e con la opportuna disposizione e taratura delle valvole di ingresso/uscita fluido, come MCI, come macchina operatrice (pompa, compressore, aspiratore o ventilatore) o come macchina motrice (equivalente ad una turbina) idraulica, a gas o a vapore, con possibilità di essere realizzata in qualsiasi dimensione (con possibilità di applicazione all'autotrazione, all'industria, ecc.).

- rendimenti superiori rispetto alle macchine a pistone-cilindro, non essendo soggetta alla perdita per inerzia connaturata al moto alternativo del pistone, pur conservandone la semplicità costruttiva (ed i relativi vantaggi) rispetto alle turbomacchine a palettatura.

- possibilità, grazie al polmone a pressione nell'utilizzo come MCI, di preriscaldare l'aria da immettere in camera di combustione, recuperando parte dell' energia che nei tradizionali motori pistone-cilindro viene persa con lo scarico dei fumi e col riscaldamento del motore, senza compromettere il grado di riempimento, svincolando il rapporto di compressione dal volume nocivo. - la portata indipendente dalla prevalenza nell'utilizzo come macchina operatrice, potendo facilmente regolare l'una col numero di giri e l'altra agendo sulla taratura delle valvole di mandata.

-<facilità di adeguamento in esercizio alle variazioni delle condizioni del fluido>in ingresso nell'utilizzo come macchina motrice, potendosi agire sui tempi delle valvole comandate di aspirazione.

2

- ---- DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE: si descriverà nel seguito il principio di funzionamento della macchina, e si fornirà un esempio di soluzione costruttiva limitata ai componenti principali; si precisa quindi che i disegni schematici allegati non includono organi di lubrificazione, di raffreddamento, di comando valvole, molle, ecc., e che dimensioni e proporzionamenti adottati hanno scopo puramente illustrativo e non funzionale.

Il principio di funzionamento dell'invenzione consiste nell'adozione di una camera toroidale a sezione circolare, con due valvole comandate di separazione che individuano un angolo caratteristico sulla circonferenza di rivoluzione del toro, ognuna delle quali si apre allorché sta per essere raggiunta dal pistone a settore toroidale che ruota dentro la camera, così da permettergli il passaggio, e si chiude non appena il pistone la oltrepassa, suddividendo la camera in volumi la cui variabilità permette lo scambio di energia tra il fluido ed il pistone; ognuno dei suddetti volumi è delimitato dalla parete di una valvola di separazione chiusa e dalla parete che la fronteggia, sia che essa appartenga al pistone o all'altra valvola di separazione.

Saranno descritte nel seguito le parti principali della macchina, con i numeri tra parentesi che fanno riferimento alla fig. 1, in cui l'angolo caratteristico individuato dalle valvole di separazione (d'ora in avanti denominato "a") è, per semplicità, pari a 180°; detti numeri sono validi anche per le fig. 2 e 3, in cui sono riportate le sagome piane e l'asse attorno al quale esse ruotano generando i pezzi costituiti da solidi di rivoluzione.

Le parti principali della macchina sono dunque:

·<Due semigusci esterni (1), ognuno dei quali è costituito dal solido di>rivoluzione generato dalla corrispondente sagoma di fig. 2 che copre un

3

angolo di 180° nel suo moto attorno all'asse (nel caso generale a e 3600-a per i due semigusci ) ; nella parte terminale, su ambedue le estremità, la parte rettilinea della sagoma avrà le dimensioni parallele all'asse di rivoluzione notevolmente maggiorate (parte sinistra della fig. 2), generando così le semiflange esterne, all'interno delle quali saranno ricavate i fori per i tiranti che tengono assiemata la macchina (3), e metà delle sedi delle valvole comandate di separazione.

.<Un blocco interno (2), racchiuso dai semigusci esterni a formare la camera>toroidale a sezione circolare, costituito dal solido di rivoluzione generato dalla corrispondente sagoma di fig. 2 che copre un angolo di 360° nel suo moto attorno all'asse. Anche in questo caso, in corrispondenza delle 4 semiflange dei gusci esterni, la parte rettilinea della sagoma avrà le dimensioni parallele all'asse di rivoluzione notevolmente maggiorate (parte sinistra della fig. 2), formando un ringrossamento dove sarà ricavata l'altra metà delle sedi delle valvole di separazione. Il blocco racchiude al proprio interno una camera (v. fig. 7), che costituisce il polmone a pressione nel caso di funzionamento come MCI, mentre diventa la parte terminale del collettore di aspirazione nel caso di funzionamento come macchina motrice o operatrice.

·<le valvole comandate di separazione a scomparsa (4.a e 4.b), ognuna delle>quali è costituita dal solido di rivoluzione generato dalla corrispondente sagoma di fig. 3 che copre un angolo di pochi gradi nel suo moto attorno all'asse. Esse sono rappresentate nelle fig. 1 e 3 nelle due posizioni estreme della loro corsa: al punto morto inferiore, in posizione tale da permettere il

4

--- --passaggio del pistone (4.a), ed al punto morto superiore (4.b), ad effettuare l'azione di separazione.

.<le 4 valvole di non ritorno (5) per l'ingresso/uscita fluido dalla camera>toroidale; dette valvole possono essere, a seconda dei casi, automatiche (apertura/chiusura determinata dalla pressione del fluido e dalla pressione di taratura), o comandate; due delle relative sedi sono ricavate nei semigusci esterni e le altre due nel blocco interno, in modo da formare due coppie ognuna delle quali a cavallo di una valvola di separazione (v. fig.4+6).

.<un pistone a settore toroidale a sezione circolare (6), costituito cioè dal solido>di rivoluzione generato dalla circonferenza interna della camera che, nel suo moto attorno all'asse, copre un determinato angolo caratteristico (d'ora in avanti denominato "b"). Su di esso sono fissati i tiranti (7) di collegamento all'albero motore, e sono ricavate le sedi per le relative fasce elastiche (8). .<Un albero motore (9), costituito dal solido di rivoluzione generato dalla>corrispondente sagoma di fig. 2 che copre un angolo di 3600 nel suo moto attorno all'asse, la cui base costituisce la volta superiore della camera.

.<Le tenute ad anello fra l'esterno dell'albero motore e semigusci esterni (lOa)>e fra blocco interno e l'interno dell'albero motore (lOb), le cui sedi sono ricavate nell'albero motore (v. fig.2 e 3).

.<Un fondello (11) fissato al blocco interno (2), a costituire la faccia superiore>della camera interna. In caso di funzionamento come MCI un altro fondello, uguale al primo, chiuderà la parte inferiore delimitando il polmone a pressione; invece, in caso di funzionamento come macchina motrice o operatrice, al posto del secondo fondello troveremo una flangia o altro tipo di connessione al collettore di aspirazione.

5

--- ----

Funzionamento come M.C.I.

Nel funzionamento come M.C.I. (fig. 8+13) i volumi Sl+S4, ognuno dei quali è numerato secondo la valvola di non ritorno che gli permette di scambiare fluido, svolgono diversa funzione: SI aspira l'aria esterna che S2 comprime fino alla pressione di taratura della V2 ed invia quindi al polmone a pressione dove si preriscalda e si pressurizza ulteriormente assorbendo calore dal motore e contribuendo al suo raffreddamento, mentre S3 provvede alla combustione della miscela ed S4 allo scarico dei fumi; inoltre le 4 valvole di non ritorno VI V4 sono automatiche.

Da notare che, in base al valore di a e b, la sequenza delle fasi sotto descritte può variare, mentre nella configurazione adottata a scopo illustrativo nelle fig. 8+13, con a = b = 1800, la successione delle varie fasi è la seguente: il pistone, rappresentato in fig. 8 nella posizione in cui ha appena scoperto la valvola VI, col suo moto in senso orario e la valvola di separazione Cl chiusa, provoca una depressione che fa aprire la VI ed aspira aria nuova all'interno di SI; contemporaneamente causa con l'altra faccia una sovrappressione in S4 che fa aprire la V4 permettendo di evacuare i fumi della combustione.

Questa fase continua fino alla posizione di fig.9, quando il pistone copre la V4 che si chiude, mentre la C1 si apre per permettergli il passaggio, mettendo in comunicazione SI ed S4, ponendo così fine alla depressione in SI e causando la chiusura della VI.

Quindi il pistone oltrepassa la valvola di separazione C2, che si chiuderà alle sue spalle, e scopre successivamente la V3 (v. fig. lO) provocandone l'apertura ed iniziando ad aspirare dal polmone a pressione (P) l'aria compressa che nel frattempo si è preriscaldata ed ulteriormente pressurizzata, mentre in S2

6

- --- - ---- -- - - - - - commcIa la compressione dell'aria nuova; in caso di alimentazione con combustibile che richiede innesco, inizierà contemporaneamente l'azione dell'eventuale (e quindi non rappresentato in figura) iniettore del combustibile posto, ad esempio, sul blocco interno tra V3 e C2.

Questa fase dura fino a che il pistone raggiunge la posizione di fig. Il, quando, all'inizio dell'iniezione del gasolio o allo scoccare della scintilla, secondo il tipo di alimentazione del motore (per cui in figura è rappresentato un Iniettore o Candela, con la dicitura I/C), la sovrappressione della combustione (rappresentata in fig. Il da una scintilla stilizzata) farà chiudere la V3 e comincerà a trasmettere energia al pistone, mentre in 82 continua la compressione dell' aria.

Quest'ultima durerà fino a che il pistone avrà raggiunto la posizione di fig.

12, quando l'aria in 82 supera la pressione di taratura della V2 che, aprendosi, permette l'accesso dell'aria compressa al polmone a pressione, mentre in 83 la combustione (rappresentata in fig. 12 e 13 da una fiamma stilizzata) si sviluppa e continua a spingere il pistone.

L'afflusso di aria compressa da 82 al polmone si protrae fino a quando il pistone non copre la V2 facendola richiudere (fig. 13), scoprendo nel contempo la V4 che si riapre, iniziando così l'evacuazione dei fumi, essendosi nel frattempo completata la combustione in 83.

A questo punto la C2 si riapre per permettere il passaggio del pistone, ed appena l'altra faccia di quest'ultimo oltrepassa la Cl essa si richiude alle sue spalle, ripristinando in questo modo la situazione immediatamente precedente quella di fig.8 e dando inizio ad un nuovo ciclo.

7

- - -- -

Funzionamento come macchina operatrice.

In questo caso la disposizione delle VI V4, nuovamente a funzionamento automatico, sarà quella indicata nelle fig. 14+17, con i volumi SI e S3 che aspirano il fluido, mentre S2 ed S4 provvedono alla compressione, per cui, data la simmetria di funzionamento rispetto all'asse delle valvole di separazione, la configurazione a = b = 1800risulta la più funzionale.

La sequenza delle fasi sarà la seguente: lo stantuffo, rappresentato in fig. 14 nella posizione in cui ha appena scoperto la VI, con il suo moto in senso orario e la Cl chiusa crea in SI una depressione che fa aprire la VI ed aspira il fluido dal collettore di aspirazione (A); contemporaneamente comprime con l'altra faccia il fluido in S4, facendo anche, nel caso di fluido incomprimibile (funzionamento da pompa), aprire la valvola V4, tarata alla pressione di mandata, mentre in caso di fluido comprimibile l'apertura della V4 avverrà quando lo stantuffo arriva, ad esempio, alla posizione di fig. 15, allorché la pressione del fluido in S4 supera quella di taratura della valvola di mandata V4 (funzionamento da compressore, ventilatore o aspiratore, a seconda della taratura delle valvole di aspirazione e mandata).

Questa fase continua fino alla posizione di fig. 16, quando lo stantuffo copre la V4 che si chiude, mentre la C1 si apre per permettergli il passaggio, mettendo in comunicazione SI ed S4 e ponendo così fine alla depressione in SI, con la conseguente chiusura della VI.

Appena lo stantuffo oltrepassa la V3 (fig. 17), con la C2 che si chiude alle sue spalle, si instaurerà la situazione di figura 14 con il volume S3 al posto di SI ed S2 al posto di S4, con aspirazione di nuovo fluido in S3 e l'inizio della compressione del fluido precedentemente aspirato in S2.

8

- - - --- ------ Funzionamento come macchina motrice.

In questo caso la disposizione delle V 1-;V.-4 resta invariata rispetto al caso precedente (v. fig. 18-;.-21),ma la VI e la V3 diventano valvole comandate, con i volumi 81 e 83 che provvedono all'aspirazione ed espansione del fluido con trasmissione di energia allo stantuffo, mentre 82 ed 84 provvedono all'evacuazione del fluido scarico.

Quindi, anche in questo caso, data la simmetria di funzionamento rispetto all'asse delle valvole di separazione, la configurazione a = b = 1800risulta la più funzionaIe, con la seguente sequenza delle fasi: appena lo stantuffo, nel suo moto in senso orario, arriva alla posizione di fig. 18, con la C1 che si è appena chiusa, la VI si apre alle sue spalle, permettendo l'ingresso in 81 del fluido ad elevata entalpia che inizia a trasmettergli energia; contemporaneamente causa con l'altra faccia una sovrappressione in 84 che fa aprire la V4 permettendo di scaricare il fluido che ha ormai effettuato il suo salto entalpico.

Questa fase continua fino alla posizione di fig. 19, allorché la valvola comandata VI si chiude e cessa l'afflusso di fluido ad elevata entalpia in 81, mentre continua l'evacuazione del fluido in 84.

Con il fluido in 81 che trasmette energia fino al completamento del suo salto entalpico, lo stantuffo arriva alla posizione di fig.20, quando copre la V4 che si chiude, mentre C1 si apre per permettergli il passaggio.

Appena lo stantuffo oltrepassa la V3 (fig. 21), con la C2 che si chiude alle sue spalle, si instaurerà la situazione di figura 18 con il volume 83 al posto di 81 ed 82 al posto di 84, con ingresso di nuovo fluido ad elevata entalpia in 83 e l' evacuazione attraverso la V2 del fluido in 82, che ha oramai completato il suo salto entalpico.

Claims (1)

1. . ... -. - -..-- .. .. . RIVENDICAZIONI - Alla luce delle caratteristiche di rilevanza tecnica e commerciale evidenziate a pago 2 ed insite nell'innovativo principio di funzionamento illustrato a pago 3, e sulla base dell'attività inventiva che ne ha portato al concepimento, si rivendica, su qualunque macchina il cui principio di funzionamento possa essere ricondotto a quello sopra citato, il diritto esclusivo di realizzarlo, di dispome e di fame oggetto di ricerca, sviluppo, sperimentazione e commercio, nonché di vietare a terzi di produrlo, usarlo, metterlo in commercio, venderlo o importarlo. - Si rivendica altresì l'esclusivo diritto di cedere a terzi, parzialmente o totalmente, temporaneamente o definitivamente, la titolarità dei diritti di cui sopra. <Data>FIRM~jA'. JZ ~ IO --