ITMI20011625A1 - Motore due tempi a combustione interna ad iniezione diretta assistitapneumaticamente - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale

La presente invenzione si riferisce ad un motore due tempi a combustione interna (c.i.) ad iniezione diretta assistita pneumaticamente, più in particolare dotato di una valvola automatica e funzionante mediante compressore integrato nel motore con funzione anche di sovralimentazione.

In un motore a due tempi la fase di scarico e l'introduzione dei gas freschi nel cilindro (fase di lavaggio) avvengono quasi simultaneamente, quando il pistone si trova in prossimità del suo punto morto inferiore. La sovrapposizione delle fasi di immissione e di scarico provoca la fuoriuscita di una parte di miscela carburata (il 30% circa) che non partecipa alla combustione. Tale parte di miscela viene espulsa direttamente attraverso il condotto di scarico e quindi questa fase costituisce il punto più critico del ciclo a due tempi dal punto di vista inquinamento e consumi.

Lo schema di funzionamento dell'iniezione diretta nel cilindro, per sua natura, rende molto improbabile la fuga di carburante incombusto in quanto l'iniezione avviene generalmente a scarico quasi completamente chiuso. Al lavaggio effettuato con miscela, caratteristico dei motori a due tempi, si sostituisce il lavaggio con aria; ciò comporta una sicura riduzione del consumo specifico e delle emissioni di idrocarburi.

Sono note attualmente varie soluzioni e dispositivi che consentono a motori a c.i. l'iniezione diretta di carburante assistita pneumaticamente.

Il principio di funzionamento di tali sistemi si basa sull'iniezione in camera di scoppio di una miscela aria-benzina in modo da ottenere, sia pur in presenza di basse pressioni di combustibile, una buona atomizzazione dello spray con conseguente miglioramento dell'efficienza di combustione.

In un sistema di iniezione semplice l'aria può venire spillata direttamente dal carter motore, arricchita con un iniettore benzina e quindi iniettata in camera di scoppio attraverso una valvola comandata da una camma. La complessità meccanica dell'utilizzo di una camma e del relativo sistema di lubrificazione non permette di raggiungere elevati regimi di funzionamento per cui tale sistema non risulta convenientemente applicabile a cilindrate piccole, anche per i costi elevati.

Un'evoluzione di tale sistema è stato ottenuto togliendo la camma di comando della valvola di iniezione e rendendo tale valvola completamente automatica in termini di aperture e durate. In questa soluzione la valvola è comandata dalla pressione generata nel carter motore che attraverso un condotto decisamente lungo insiste sulla valvola posta sulla testa cilindro. Tale lunghezza ha come principale inconveniente il fatto che la fase di iniezione può essere ottimizzata solamente per alcuni regimi motore e quindi tale sistema risulta limitato nei veicoli stradali.

Sono altresì noti sistemi che’ alimentano direttamente il motore con una miscela di benzina e aria in pressione mediante un iniettore diretto.

Un sistema particolarmente interessante prevede un controllo sia per l'alimentazione benzina che per l'iniettore diretto. In una camera a monte dell'iniettore diretto vengono miscelati l'aria, proveniente da un compressore, e il combustibile. La miscela così formata viene quindi immessa in camera di scoppio attraverso un iniettore diretto comandato da una centralina elettronica.

Questo sistema implementato con componenti elettronici risulta costoso ed oneroso dal punto di vista del consumo energetico; conseguentemente la sua applicazione a piccole cilindrate per motocicli può risultare problematica.

Un'altra soluzione alternativa in grado di risolvere gli inconvenienti precedentemente descritti è data da un compressore, posizionato direttamente sulla testa cilindro in modo da ridurre gli spazi nocivi, che inietta nel motore una miscela aria/benzina. Il sistema di alimentazione benzina può essere costituito da un carburatore o da un iniettore elettronico e da una pompa benzina elettrica. L'iniezione nel cilindro motore avviene attraverso una valvola automatica comandata dalla differenza di pressione tra la camera del compressore e la camera di scoppio.

Quest'ultima soluzione presenta comunque un alto costo della parte meccanica che trasmette il moto dall'albero motore al compressore in testa.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un motore a due tempi a c.i. che risolva in generale i problemi tecnici sopra esposti.

In particolare, è uno scopo della presente invenzione realizzare un motore a due tempi a c.i.

che tenga conto e risolva i vincoli di legge relativi alle emissioni inquinanti, che sono sempre più restrittivi per il motore a due tempi.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un motore due tempi a c.i. ad iniezione diretta assistita pneumaticamente come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive.

Le caratteristiche ed i vantaggi di un motore due tempi a c.i. ad iniezione diretta assistita pneumaticamente secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 è una sezione di una porzione di un motore a due tempi a c.i. ad iniezione diretta assistita pneumaticamente secondo la presente invenzione,

la figura 2 è una sezione in corrispondenza del pistone compressore

la figura 3 è una sezione trasversale ingrandita del pistone compressore in corrispondenza del relativo spinotto e del tappo laterale nel quale sono ricavati i canali di travaso,

la figura 4 è una vista laterale in sezione della porzione di motore mostrata in figura 1 e relativa ad un sistema di alimentazione in un carter basamento ed in una testa di un cilindro,

la figura 5 è una sezione ingrandita di una valvola pneumatica ad ago flottante ed azionamento automatico,

le figure 6a-6f mostrano uno schema del funzionamento del motore relativo ad un ciclo completo, ad intervalli di 60°.

Con riferimento alle figure, viene mostrato, almeno in parte, un motore due tempi a combustione interna (c.i.) ad iniezione diretta assistita pneumaticamente secondo l'invenzione in una sua vista schematica di assieme.

Viene infatti mostrato un corpo cilindro 11 del suddetto motore a c.i. a due tempi in cui è collocato un relativo pistone 12 scorrevole entro un cilindro motore 13. Un albero motore 14 porta una prima biella 16 ed è supportato su cuscinetti 15. L'albero motore 14 nella sua estensione supporta tramite un eccentrico 18 anche una seconda biella 17 con interposizione di una gabbia a rulli 19 che attua un pistone 20 di un compressore alternativo ricavato nel corpo cilindro 11 al disotto di una testa del cilindro 22. Inoltre, per un corretto montaggio dell'eccentrico 18 è previsto sull'albero motore 14 un apposito foro 23 nel quale viene inserita una spina 24 che serve da riferimento angolare per la fasatura del compressore.

Una camera di compressione o cilindro compressore 21 contiene il pistone 20 del compressore mentre si nota come il volume di un carter del compressore 25, contenente la seconda biella 17, è in comunicazione con il volume del carter motore 26 mediante apposite aperture 27 e tramite uno dei citati cuscinetti a sfere 15.

Da un punto di vista della struttura generale si nota inoltre che nella testa del cilindro 22 si colloca una‘valvola automatica 28 per l'introduzione di miscela aria/benzina, una candela 29. Inoltre è presente un gruppo lamelle 30 (non mostrato) ed un corpo farfallato 31 per l'immissione di sola aria, ed olio tramite un foro 32, in una zona a valle di una relativa farfalla 33 di massima turbolenza, aspirata direttamente dal carter 26 del motore.

Ulteriormente, la seconda biella 17, montata sull'eccentrico 18, con interposizione di una gabbia a rulli 19, porta ai lati due rondelle di spallamento 34, munite di aperture 35 per il passaggio di olio per la lubrificazione ed aventi funzione di contenimento biella e gabbia a rulli.

E' inoltre possibile notare che il piede della seconda biella o biella secondaria 17 ha uno spinotto flottante 36 collocato in un suo foro 47, sul quale spinotto 36 è montato il pistone 20 del compressore alternativo grazie a fori 46 nel pistone 20.

Come rappresentato in figura 3, lo spinotto 36 viene mantenuto in sede da un lato dalla camera o cilindro 21 del compressore e dall'altro, in maniera parziale, da una parete 37 ottenuta direttamente in un tappo di chiusura 38 con relativo anello di tenuta 39. Il tappo di chiusura 38 viene collocato in corrispondenza di un foro 40 ricavato nel cilindro stesso 21 del 'compressore. Il foro 40 consente i'l montaggio dello spinotto 36, calando dall'alto il pistone 20 del compressore. Nel tappo stesso 38, bloccato tramite bulloni 41, ai lati della parete 37 di contenimento dello spinotto 36, è ricavata una coppia di canali di travaso 42 tra il cilindro 21 del compressore ed il carter 26 del motore ed il carter 25 del compressore. Quindi, il tappo 38 ha funzioni di: chiusura del foro 24, di luce di travaso 25, di montaggio e contenimento dello spinotto 36 entro il piede di biella 17 ed il pistone 20.

Si nota poi che nella testa cilindro 22 è ricavato un canale di mandata 43, nel quale si affaccia un elettroiniettore 44 di combustibile, che si collega con la valvola automatica 28 attraverso un canale circolare 45 in parte ottenuto nella testa e in parte ricavato direttamente sul diametro esterno della valvola stessa 28.

La figura 5 rappresenta in particolare ingrandito la valvola 28 quale gruppo valvola pneumatica ad azionamento automatico con ago flottante.

Un corpo valvola 50, a stelo sagomato e con estremità a fungo 50a, risulta flottante rispetto ad una sede 51, complementare a detta estremità a fungo e ricavata in un elemento anulare 52 collocato entro un astuccio 53. Il movimento flottante è tale che il passaggio della miscela aria - benzina avvenga attraverso una intercapedine 54 formata tra elemento anulare 52, sede 51 ed estremità a fungo 50a del corpo valvola 50.

Il fine corsa della valvola 50 viene garantito da un primo anello 55, che montato sullo stelo 50 della valvola stessa viene tenuto a contatto con un secondo anello 56 inserito sempre sullo stelo. La precarica è assicurata da una molla 57 che interagisce tra elemento anulare 52 e primo anello 55. L'intero gruppo valvola è racchiuso nel citato astuccio 53 che, munito di filettatura 58 e testa esagonale 59 per essere avvitato sulla testa del motore 22.

Tale gruppo valvola completo si affaccia direttamente in una camera di scoppio 60 posta all'estremità del cilindro 13.

Il funzionamento del motore relativo ad un ciclo completo, ad intervalli di 60°, viene qui di seguito descritto con riferimento alle figure 6a-f.

E' evidente che tramite la presente invenzione 11 compressore associato al cilindro 13 viene azionato direttamente dall'albero motore 14 attraverso la biella 'secondaria 17 e l'eccentrico 18. L'aria presente nel carter pompa, costituito dal carter motore 26 e carter compressore 25 in comunicazione tra loro, viene compressa dal pistone motore 12 e dal pistone compressore 20, che vanno contemporaneamente, con una certa fasatura, ai propri punti morti inferiori (figura 6a). La fasatura tra i pistoni 12 e 20 è tale che, mentre il pistone motore 12 tiene ancora chiusi i condotti di lavaggio del cilindro principale, il pistone compressore 20 scopre i canali di travaso 42 ricavati nel tappo 38 e richiama aria dal carter in pressione (figure 6b-c). Durante la fase di compressione dell'aria nel cilindro 21 del compressore, nel cilindro principale 13 (figure 6d-e) avvengono le fasi di scarico e lavaggio. Nel motore a due tempi (figure 6e-f) si ha contemporaneamente l'aspirazione di aria necessaria al ciclo successivo da parte del carter attraverso il gruppo lamelle 30. E' proprio in questo istante che viene messo in risalto il contributo da parte del compressore che aumenta l'effetto pompante dovuto ad una maggiore variazione di volume nel carter stesso (superlavaggio) rispetto ad un tradizionale motore a due tempi; inoltre si garantisce la sovralimentazione durante la fase di mandata in quanto questa avviene principalmente a luce ‘di scarico del cilindro 13 chiusa.

Il combustibile liquido viene iniettato dallo elettroiniettore 44 nel canale di mandata 43 del compressore (figura 1). La miscela di aria e combustibile viene iniettata nella camera di scoppio 60 negli istanti precedenti alla fine della fase di compressione del motore, attraverso la valvola automatica 28, che viene azionata dalla differenza di pressione che si genera tra la camera di scoppio e la camera del compressore. E' da evidenziare che in questo istante mentre il pistone motore 12 comprime l'aria nel cilindro principale 13, il pistone 20 del compressore, essendo anticipato, comprime l'aria nel proprio cilindro 21 determinando la sovralimentazione durante la fase di iniezione. Ed è questo un altro principale vantaggio da aggiungere a quello precedentemente descritto del superlavaggio .

Allo scopo di ottimizzare il funzionamento del compressore a determinati regimi di rotazione, è previsto l'impiego di una opportuna calibrazione o l'inserimento di un ugello nel condotto di mandata 43. La forma dello spray della miscela aria/combustibile nel cilindro 13 è pilotata dalla valvola automatica 28 ed è orientato controcorrente (figura 4) rispetto al 'flusso di lavaggio; si allontana così il rischio di fughe di idrocarburi dallo scarico e si facilita la formazione della carica stratificata.

Rispetto ai motori due tempi con iniezione diretta assistita da aria attualmente conosciuti, la presente invenzione è caratterizzata dalla integrazione del compressore dell'aria nel cilindro motore ricavato lateralmente ad esso tra i travasi e il piano della testa, e comandato direttamente dall'albero motore.

Tale configurazione consente una serie di soluzioni vantaggiose qui di seguito elencate:

a) il cilindro compressore 21 ricavato nel cilindro principale 13 consente di limitare al minimo il volume nocivo derivante dal canale di mandata 43 e di dare luogo ad un ingombro molto simile a quello di un comune cilindro a due tempi pur mantenendo la semplicità costruttiva e un costo limitato;

b) la riduzione del numero di componenti specifici relativamente a soluzioni che necessitano di trasmissione tra albero motore 14 e compressore comporta una abbattimento dei costi di produzione e manutenzione, ma contemporaneamente anche un aumento del rendimento meccanico e della facilità di manutenzione e di montaggio dei vari organi;

c) il compressore contribuisce, grazie ad un effetto pompante maggiore, a garantire un superlavaggio, una sovralimentazione ed a recuperare ampiamente l'effetto negativo dovuto agli spazi nocivi aggiunti nel carter per il comando a biella del compressore. Il compressore aspira direttamente nel carter motore 26 ed il suo riempimento è condizionato dall'apertura del corpo farfallato 31. Questo consente al sistema di funzionare correttamente anche al minimo o con il gas parzializzato . La combinazione dell'effetto di superlavaggio e sovralimentazione ad opera del compressore porta il motore a livelli di coppia motrice superiore a quelli che si hanno nei motori tradizionali, rendendo possibile ottenere le stesse prestazioni a regimi di rotazione inferiori con vantaggi anche sulle emissioni acustiche;

d) si ottiene sulla testa cilindro 22 una maggiore libertà di posizionamento del gruppo valvola pneumatica 28 e candela 29, in modo da ottimizzare la formazione dello spray per la realizzazione della carica stratificata. Grazie ad una configurazione della testa semplice e non condizionata da altri ingombri, si può inoltre ottimizzare la posizione dell' elettroiniettore 44 e ‘del sensore di temperatura. Questa architettura permette una facile accessibilità a tutti i componenti alloggiati sulla testa per ragioni di manutenzione o sostituzione; e) i due manovellismi trovandosi nello stesso ambiente, vengono lubrificati da un solo punto di immissione dell'olio 32, trasportato dall'aria aspirata nel carter motore 26 e situato sul condotto del corpo farfallato. Il vantaggio è nella uniformità della portata e precisione di erogazione essendo possibile il controllo della dosatura dell'olio tramite un elettropompa gestita dalla centralina del sistema di alimentazione ed accensione. Un ulteriore beneficio risulta essere la lubrificazione della valvola automatica 28, altrimenti non possibile se non con soluzioni specifiche e molto onerose.

Di conseguenza, secondo la presente invenzione ci sono molteplici vantaggi da evidenziare, a partire dalla efficienza termodinamica in termini di superlavaggio e di sovralimentazione. L'accentramento di più funzioni su alcuni componenti principali, senza comprometterne la resistenza e la complessità di realizzazione, ha permesso perciò la riduzione dei componenti atti a comandare il compressore con conseguente abbattimento anche della rumorosità dovuta ai vari organi in movimento (ad esempio la cinghia di trasmissione rispetto a sistemi analoghi ad oggi esistenti).

Sono ancora da evidenziare un ingombro pressoché simile a quello di un tradizionale due tempi, una rapida accessibilità e manutenzione di tutti i principali componenti, la possibilità di ottimizzare la posizione della candela e della valvola automatica per la realizzazione della carica stratificata.

L'insieme dei vantaggi descritti rende questa tipologia di motore particolarmente adatto alla costruzione in ottica di grande serie.

Si è così visto che sono stati raggiunti tutti gli scopi della presente invenzione in precedenza evidenziati .

Il motore due tempi a combustione interna (c.i.) ad iniezione diretta assistita pneumaticamente della presente invenzione così concepito è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo.

Inoltre, in pratica i materiali utilizzati, nonché le loro dimensioni ed i componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore due tempi a combustione interna (c.i.) ad iniezione diretta assistita pneumaticamente comprendente un corpo cilindro (11) entro cui è previsto un primo cilindro motore (13) che contiene un primo pistone (12) ed un secondo cilindro compressore (21) che contiene un secondo pistone (20), entrambi detti pistoni (12, 20) essendo collegati tramite bielle (16, 17) ad un albero motore (14), in una testata di detto corpo cilindro (11) essendo previsto un canale di mandata (43), nel quale si affaccia un elettroiniettore (44) di combustibile, che si collega con una valvola automatica (28) ad una camera di scoppio (60) all'estremità di detto primo cilindro (13) , un carter del motore (26) ed un carter del compressore (25) contenendo dette bielle (16, 17) ed essendo collegati tramite aperture (27), detto secondo cilindro (21) del compressore essendo collegato a detto carter del compressore (25) tramite canali di travaso (42).
2. 2. Motore due tempi secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti canali di travaso (42) sono ricavati in un tappo di chiusura (38) disposto in un foro (40) ricavato in detto secondo cilindro (21) del compressore e vincolato ad esso (in 41) .
3. 3. Motore due tempi secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che in detto foro (40) è fatto passare al montaggio uno spinotto (36) per il vincolo di detto secondo pistone (20) a detta seconda biella (17), calando dall'alto detto secondo pistone (20) del compressore a ricevere in un suo foro (46) detto spinotto (36).
4. 4. Motore due tempi secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto tappo di chiusura (38) presenta una parete (37) intermedia a detti canali di travaso (42) che mantiene uno spinotto (36) per il vincolo di detto secondo pistone (20) a detta seconda biella (17).
5. 5. Motore due tempi secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta seconda biella (17) è montata su detto albero motore (14) tramite un eccentrico (18) con interposizione di un cuscinetto (19), essendo inoltre prevista per un corretto montaggio di detto eccentrico (18) sull'albero motore (14) una spina (24) inserita in un apposito foro (23) di detto albero e solidale all'eccentrico che serve da riferimento.
6. 6. Motore due tempi secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta valvola automatica (28) comprende un corpo valvola (50), a stelo sagomato e con estremità a fungo (50a), disposto flottante rispetto ad una sede (51) ricavata in un elemento anulare (52) collocato entro un astuccio (53), essendo previsto un canale circolare (45) collegato a detto canale di mandata (43).
7. 7. Motore due tempi secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detto canale circolare (45) è in parte ottenuto in detta testata di detto corpo cilindro (11) e in parte ricavato direttamente su un diametro esterno di detto astuccio (53).
8. 8. Motore due tempi secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta valvola automatica (28) prevede un fine corsa tramite un primo anello (55), che montato su detto stelo (50) viene tenuto a contatto con un secondo anello (56) inserito sempre sullo stelo, essendo presente una molla (57) che interagisce tra detto elemento anulare (52) e detto primo anello (55).
9. 9. Motore due tempi a combustione interna (c.i.) ad iniezione diretta assistita pneumaticamente come in precedenza descritto e come illustrato e per gli scopi specificati.