ITMI20081605A1 - Dispositivo meccanico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna - Google Patents

Description

DISPOSITIVO MECCANICO PER LA VARIAZIONE DELLA FASE E DELL'ALZATA DELLE VALVOLE IN UN MOTORE A COMBUSTIONE

INTERNA

La presente invenzione si riferisce ad un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna, applicabile in particolare su motoveicoli provvisti di motori in cui le valvole vengono comandate dall'asse a camme per mezzo di bilancieri .

I sistemi di fasatura variabile della distribuzione sui motori a combustione interna del tipo a quattro tempi sono nati con l'obiettivo di aumentare le prestazioni, contenere le emissioni inquinanti, in particolare degli idrocarburi incombusti, e migliorare la regolarità del motore ai bassi regimi con bassi carichi e al regime di minimo.

II dispositivo variatore modifica la fasatura fra l'albero motore e l'asse a camme che aziona le valvole. Il suo compito à ̈ quello di variare il movimento delle valvole in funzione della potenza erogata e del numero di giri e viene utilizzato per realizzare un più efficace controllo delle emissioni inquinanti, in particolare quando si richiedono elevate prestazioni, e per conseguire una migliore regolarità di funzionamento quando il motore si trova al minimo o alle basse aperture della valvola a farfalla. In quest' ultima situazione, la pressione dei gas di scarico risulta maggiore di quella all'interno della camera di combustione, quindi i gas combusti entrano nei condotti d'aspirazione, inquinando la miscela aria-benzina, con il risultato di rendere più irregolare il funzionamento del motore stesso. Senza il variatore, in un motore con una fasatura sportiva, ai bassi carichi e al regime di rotazione minimo, si avrebbe fino al 40% della camera occupata dai gas combusti anziché da miscela fresca aria-benzina.

I dispositivi variatori di fase, in particolare quelli gestiti elettronicamente, consentono di soddisfare in modo ottimale le esigenze del motore a tutti i regimi di rotazione, senza ricorrere a penalizzanti compromessi. Il variatore infatti influenza l'angolo d'incrocio delle valvole, che corrisponde all'intervallo di rotazione dell'albero motore durante il quale rimangono aperte simultaneamente sia le valvole di aspirazione che quelle di scarico. L'incrocio à ̈ provocato dal ritardo di chiusura dello scarico e dall'anticipo di apertura dell'aspirazione. Ciò avviene quando il pistone si trova in corrispondenza del punto morto superiore, all'inizio della fase di aspirazione e alla fine della fase di scarico. In alcuni casi, un angolo d'incrocio limitato ridurrebbe, soprattutto ad alto numero di giri, la durata della fase di aspirazione della miscela fresca e di scarico dei gas combusti, impedendo l'ottimale riempimento dei cilindri, con il risultato che la potenza erogata dal motore sarebbe inferiore a quella normalmente ottenibile. Infatti, agli alti carichi (gas aperto), anticipare l'apertura delle valvole di aspirazione, ossia avere un ampio valore dell'angolo d'incrocio, consente di migliorare il riempimento dei cilindri, ottenendo quindi una maggiore coppia con un guadagno consistente a tutti i regimi. Al contrario, un incrocio eccessivo può causare un funzionamento irregolare del motore a basso numero di giri e bassi carichi, soprattutto al minimo, con ritorni di fiamma, spreco di carburante incombusto che uscirebbe dalle valvole di scarico e conseguentemente un aumento delle emissioni inquinanti, oltre al rischio di deterioramento del catalizzatore.

Riassumendo, si può quindi affermare che il variatore di fase, se gestito opportunamente, offre il vantaggio di poter realizzare un ridotto angolo d'incrocio quando il motore funziona ai bassi regimi, per ridurre le emissioni di idrocarburi e assicurare al motore un regime minimo di buona qualità. In alcuni casi si utilizza questa fasatura con ridotto angolo d'incrocio anche a regimi molto elevati, utilizzando il vantaggio del ritardo di chiusura per ottenere le più alte prestazioni in questa zona di funzionamento del motore. Nell'arco di giri intermedio la posizione del variatore può dipendere anche dall'apertura del gas. Il sistema di distribuzione a fasatura variabile sinora descritto, denominato "di prima generazione", à ̈ ormai molto diffuso sui motori ad alte prestazioni prodotti dalla maggior parte delle industrie automobilistiche.

I sistemi di distribuzione a fasatura variabile ad oggi più evoluti, applicati sui motori automobilistici cosiddetti "di seconda generazione", prevedono dispositivi che ottimizzano le caratteristiche prestazionali del motore, modificando in maniera opportuna sia la fasatura che l'alzata delle valvole nei vari punti di funzionamento del motore. Con queste possibilità, risulta chiaramente più facile coniugare sullo stesso motore caratteristiche prestazionali molto elevate a quelle di un buon comportamento al minimo e in presenza di carichi parziali, con i massimi vantaggi in termini di rendimento e di riduzione delle emissioni inquinanti.

I sistemi di fasatura variabile sono nati e sono stati sviluppati prevalentemente con riferimento ai motori automobilistici, che per primi si sono trovati nella condizione di dover affrontare le problematiche delle normative antinquinamento, in particolare sul mercato americano già dagli anni '80 del secolo scorso.

Nel campo dei motoveicoli a due o tre ruote le stesse problematiche si sono presentate con circa dieci anni di ritardo ed il problema à ̈ stato affrontato in maniera parziale, intervenendo principalmente sul trattamento dei gas di scarico in marmitta, con catalizzatori e aria secondaria e, più recentemente, con l'adozione di impianti d'iniezione di tipo o derivazione automobilistica.

Scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di realizzare un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna, destinato in particolar modo all'impiego su un motoveicolo, che risulti più leggero, compatto, economico e di maggiore semplicità costruttiva e manutentiva rispetto alle soluzioni attualmente note in campo automobilistico.

Un altro scopo dell'invenzione à ̈ quello di realizzare un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna in grado di far fronte, con riferimento in particolare alla categoria dei motoveicoli, alle più restrittive normative antinquinamento vigenti nella maggior parte dei paesi industrializzati.

Ancora un altro scopo dell'invenzione à ̈ quello di realizzare un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna che sia compatibile con l'esigenza di realizzare motori, in particolar modo ad uso motociclistico, con prestazioni sempre più elevate.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna come esposto nella rivendicazione 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni dipendenti, che sono parte integrante della presente descrizione.

Le caratteristiche ed i vantaggi di un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali:

la figura 1 à ̈ una vista in sezione della testata completa di un motore a combustione interna provvisto di un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole che non à ̈ oggetto della presente invenzione;

la figura 2 Ã ̈ uno schema che mostra in dettaglio come viene realizzata la variazione della fase mediante il dispositivo illustrato in figura 1;

la figura 3 Ã ̈ una vista in sezione ottenuta lungo la linea A di figura 1, che mostra in dettaglio come viene realizzata la variazione della fase mediante il dispositivo illustrato in figura 1;

la figura 4 Ã ̈ una vista in sezione della testata completa di un motore a combustione interna provvisto di un esempio di realizzazione di un dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole secondo l'invenzione;

la figura 4A Ã ̈ una vista in sezione dell'asse a camme, ottenuta lungo la linea B di figura 4; e

le figure 5 e 6 sono due differenti viste in sezione, ottenute lungo la linea B di figura 4, del sistema di distribuzione di un motore provvisto del dispositivo di figura 4.

Va precisato innanzitutto che tutti gli esempi di realizzazione dei dispositivi illustrati nelle figure, descritti nel dettaglio più avanti, possono essere applicati a motori ad uno oppure a più cilindri, nonché a testate provviste sia di due che di quattro valvole per ciascun cilindro.

La figura 1 mostra la sezione della testata completa di un motore 10 a combustione interna, con il dispositivo regolatore della fase delle valvole, dì tipo centrifugo con boccolo scanalato a doppia elica, disposto in corrispondenza di un'estremità dell'asse o albero a camme per il comando delle valvole.

In particolare, in figura 1 à ̈ rilevabile come l'asse a camme sia composto da due pezzi, dove la camma fissa 32 (di scarico) à ̈ solidale ad un primo semiasse 11 sul quale viene calettata la corona della distribuzione 12, mentre la parte mobile del secondo semiasse 13, solidale alla camma di aspirazione 31 che verrà azionata dal dispositivo regolatore, à ̈ alloggiata e guidata all'interno della parte fissa 11.

Il collegamento tra i due semiassi a camme 11 e 13 Ã ̈ realizzato da un boccolo 14 con dentatura a scanalature preferibilmente elicoidali, il quale realizza lo spostamento angolare tra le due camme 31 e 32 quando il dispositivo regolatore centrifugo costringe il boccolo a spostarsi assialmente.

Come evidenziano anche le figure 2 e 3, sul boccolo 14 sono state ricavate due coppie di scanalature elicoidali 15 e 16 disposte a 90°, dove vanno ad impegnarsi i perni 17 e 18 alloggiati rispettivamente nei due semiassi 11 e 13. Questa particolare soluzione à ̈ stata adottata in luogo della classica dentatura elicoidale, a causa del limitato ingombro assiale a disposizione. Infatti, la singola scanalatura, a parità di passo, avrebbe bisogno di uno spostamento assiale doppio.

Il passo delle scanalature elicoidali 15 e 16 viene scelto in base all'angolo di attrito, ed à ̈ preferibile che l'accoppiamento sia irreversibile per evitare le reazioni provocate dai picchi di coppia provenienti dall'asse a camme in corrispondenza delle alzate valvola, in particolare quando viene scelta una legge graduale della variazione della fase.

Il dispositivo automatico comprende un gruppo regolatore centrifugo composto da un contenitore 19 per delle masse 20 che scorrono radialmente su una parete di contrasto 21 calettata, per mezzo delle viti 22 ed assieme alla corona della distribuzione 12, sul semiasse a camme 11.

La parete 21, realizzata sotto forma di lamierino, presenta delle appendici piegate 23 che vincolano radialmente il contenitore 19 per le masse 20. Completano il gruppo regolatore una molla di contrasto 24 ed un relativo scodellino 25, bloccato sul semiasse 13 dalla vite 26.

La caratteristica elastica della molla 24, combinata con la forma della pista ricavata sul contenitore 19 dove lavorano le masse mobili 20, determina i giri di intervento e la durata della variazione della fase.

Pertanto, la variazione della fase si ottiene quando, al regime di rotazione prestabilito e per effetto della forza centrifuga, le masse 20 che lavorano sulla superficie inclinata del contenitore 19 vincono la precarica della molla 24 per andare verso il fine corsa ricavato all'estremità della pista sul contenitore 19 stesso. Il movimento delle masse 20 provoca lo scorrimento assiale, nella direzione dell'asse centrale di rotazione dell'albero a camme, del contenitore 19 e del boccolo scanalato 14.

Le scanalature elicoidali 15 e 16 del boccolo 14 costringono ad uno spostamento angolare i perni 17 e 18 in esse inseriti, che trasmettono questa rotazione al semiasse 13 e quindi alla camma 31 ad esso solidale.

In base a questo esempio di realizzazione à ̈ possibile ottenere, con un dispositivo regolatore relativamente semplice, la variazione di fase di una delle due camme 31 e 32 (a seconda delle caratteristiche del motore 10) e quindi di passare da un diagramma con ridotto incrocio ai bassi regimi, con vantaggi su consumo e inquinamento, ad un diagramma con maggior incrocio, per avere vantaggi prestazionali agli alti regimi (figura 2). Pertanto, tarando opportunamente il gruppo regolatore centrifugo sopra descritto, potrà essere realizzata la variazione di fase in un intervallo di giri ridotto o graduale.

Nelle figure 4, 5 e 6 viene mostrata la testata completa di un motore 10 a combustione interna provvisto di un esempio di realizzazione del dispositivo secondo l'invenzione per la variazione delle fasi e delle alzate delle valvole di aspirazione e scarico, con la possibilità di variazione simultanea della fase di una o entrambe le camme 31 e 32 per una entità anche diversa tra loro. La soluzione per la variazione di alzata richiede l'impiego di camme coniche e l'accoppiamento bilanciere - camma con snodo sferico.

Anche in questo caso il motore 10 à ̈ provvisto di un asse a camme costituito da due componenti, dove il componente centrale tiene allineato e guidato tutto il gruppo ed à ̈ costituito da un primo asse 30 dove, in corrispondenza di una estremità, à ̈ ricavata la portata che alloggia sulla testata. L'asse a camme comprende quindi una camma conica 31 di aspirazione, integrale o riportata con accoppiamento stabile sul primo asse 30.

L'altra camma conica 32 (di scarico) à ̈ montata in maniera tale da essere libera di ruotare rispetto all'asse 30 ed à ̈ vincolata angolarmente, con alcune scanalature 33 diritte o elicoidali (in funzione se si voglia o meno la variazione della fase di questa camma 32), all'altro componente 34 dell'asse a camme. Su tale componente 34 à ̈ ricavata l'altra portata che alloggia sulla testata ed à ̈ fissata, per mezzo delle viti 35, la corona di distribuzione 36 opportunamente fasata per mezzo del grano 37.

Come esposto in precedenza in relazione all'esempio di realizzazione in cui può avvenire soltanto la variazione della fase, il dispositivo regolatore automatico centrifugo presenta una forma particolare per ragioni d'ingombro ed à ̈ costituito da un contenitore 38 per delle masse 39 che scorrono radialmente su una parete o lamierino di contrasto 40 calettato, per mezzo delle viti 35 ed assieme alla corona 36, alla parte fissa del componente 34 dell'asse a camme.

Il lamierino 40 presenta delle appendici piegate 41 che vincolano radialmente il contenitore 38 delle masse 39. Un boccolo scanalato 42 à ̈ vincolato all'asse centrale 30 con un perno 43, mentre nelle scanalature 44 ricavate all'estremità, che possono essere elicoidali o diritte (in funzione se si voglia o meno la variazione della fase della camma 31 solidale all'asse 30), sono inseriti i perni 45 alloggiati all'interno dell'elemento 34 e contenuti da uno scodellino 46.

La molla di contrasto 47 del dispositivo regolatore, opportunamente tarata, tiene precaricati i due componenti 30 e 34 dell'asse a camme in posizione di recupero di gioco e di dimensione massima in estensione, con la punteria snodata composta da un pattino 48 alloggiato in un perno con testa sferica 49 solidale dall'altro lato all'estremità dei bilancieri 50 che lavorano sulla dimensione di minima alzata delle camme 31 e 32.

La variazione dell'alzata si ottiene quando, per effetto della forza centrifuga, le masse 39 che lavorano sulla superficie inclinata della pista del contenitore 38 vincono la precarica della molla 47 per andare verso il fine corsa esterno, provocando lo scorrimento assiale di tutto l'equipaggio centrale composto dal boccolo scanalato 42, dall'asse 30 e dalle due camme 31 e 32 ad esso collegate. Le camme 31 e 32, traslando, si troveranno a lavorare nella posizione di massima alzata rispetto alle punterie snodate dei bilancieri, che rimangono vincolati assialmente sui rispettivi perni 51 e 52 nella stessa posizione.

La variazione della fase avviene simultaneamente alla variazione di alzata ed à ̈ provocata dalle scanalature elicoidali 44 presenti sul boccolo 42, per la camma 31 calettata sull'asse centrale 30, e direttamente sulla camma 32, vincolata all'elemento 34 solidale alla corona 36.

E' facile intuire che l'entità della rotazione, e quindi della variazione di fase, dipende dall'entità della traslazione e dall'inclinazione delle scanalature elicoidali 44. L'inclinazione di tali scanalature elicoidali 44 può essere diversificata tra le due camme 31 e 32, fino ad essere annullata quando le scanalature 44 stesse sono rettilinee. Le figure rappresentano pertanto solo una delle possibili soluzioni costruttive.

In particolare, esaminando la figura 5, si può osservare come ciascun bilanciere 50, in corrispondenza della sua estremità dal lato valvola, sia provvisto di uno snodo sferico con annesso un registro per la regolazione del gioco della valvola stessa. In funzione delle esigenze costruttive, come mostrato nella figura 6, questa funzione di regolazione potrebbe essere trasportata sullo snodo sferico lato camma, utilizzando un bilanciere 53 dove, sul lato camma, à ̈ ricavata un'estremità 54 filettata internamente per l'alloggiamento di uno snodo sferico 55, provvisto di uno stelo 56 filettato esternamente per impegnarsi con tale estremità 54 e di un dado 57 per la registrazione del gioco valvola. Sul lato valvola à ̈ invece ricavato un contatto a dito 58, con vantaggi di semplicità e leggerezza per il bilanciere 53.

Rispetto all'esempio di realizzazione illustrato nelle figure 1-3, il dispositivo delle figure 4-6 si presenta decisamente più complesso, specie se vengono utilizzate tutte le potenzialità che esso offre. Tuttavia, anche i benefici offerti in termini dì rendimento complessivo del motore 10 risultano essere qualitativamente superiori. Come nel primo esempio di realizzazione, il dispositivo à ̈ azionato da un regolatore centrifugo, quindi deve essere scelta in maniera accurata la soglia d'intervento.

Si à ̈ così visto che il dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna secondo la presente invenzione, destinato in particolar modo all'applicazione sui motoveicoli, realizza gli scopi in precedenza evidenziati.

Il dispositivo meccanico automatico per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore a combustione interna della presente invenzione così concepito à ̈ suscettibile in ogni caso di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica ì materiali utilizzati, nonché le forme e le dimensioni, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche.

L'ambito di tutela dell'invenzione à ̈ pertanto definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la variazione della fase e dell'alzata delle valvole in un motore (10) a combustione interna del tipo comprendente almeno un albero a camme per il comando delle valvole, costituito da un primo componente (34), operativamente collegato ad almeno una prima camma (32), e da un secondo componente (30), operativamente collegato ad almeno una seconda camma (31), detti primo componente (34) e secondo componente (30) dell'albero a camme essendo collegati tra loro per mezzo di un boccolo (42), caratterizzato dal fatto di comprendere un gruppo regolatore centrifugo composto da un contenitore (38) per una o più masse (39) che scorrono radialmente su una parete di contrasto (40) solidale a detto primo componente (34) dell'albero a camme, il movimento di dette masse (39) provocando lo scorrimento assiale, nella direzione di detto albero a camme, di detto contenitore (38) e di detto boccolo (42) per realizzare lo spostamento di detto primo componente (34) e/o di detto secondo componente (30) e di dette camme (31, 32) ad essi operativamente collegate.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto boccolo (42) Ã ̈ provvisto di una dentatura a scanalature (44) elicoidali o diritte per realizzare lo spostamento angolare tra dette camme (31, 32) quando detto gruppo regolatore centrifugo provoca lo scorrimento assiale di detto boccolo (42).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che ad una estremità di detto boccolo (42) sono ricavate una o più scanalature (44) in cui si impegnano rispettivamente uno o più perni (45) alloggiati in detto primo componente (34) dell'albero a camme e contenuti da uno scodellino (46).
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta parete di contrasto (40) presenta delle appendici piegate (41) che vincolano radialmente detto contenitore (38).
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta parete di contrasto (40) Ã ̈ calettata su detto primo componente (34) dell'albero a camme, per mezzo di almeno un elemento di fissaggio (35), assieme alla corona della distribuzione (36) del motore (10).
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto gruppo regolatore comprende almeno una molla di contrasto (47) che tiene precaricati detto primo componente (34) e detto secondo componente (30) in posizione di recupero di gioco e di dimensione massima in estensione.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta prima camma (32) à ̈ montata in maniera tale da essere libera di ruotare rispetto a detto secondo componente (30) dell'albero a camme ed à ̈ vincolata angolarmente, tramite una o più scanalature (33) diritte o elicoidali, a detto primo componente (34) dell'albero a camme.
8. 8. Dispositivo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che su detto primo componente (34) dell'albero a camme à ̈ fissata, per mezzo di almeno un elemento di fissaggio (35), la corona di distribuzione (36) del motore (10), opportunamente fasata per mezzo di un grano (37).
9. 9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che la punteria di ciascuna camma (31, 32) comprende uno snodo sferico costituito da un pattino (48) alloggiato in un perno con testa sferica (49) solidale ad un'estremità dei bilancieri (50) che lavorano sulla dimensione di minima alzata di dette camme (31, 32).
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che ciascun bilanciere (50), in corrispondenza della sua estremità dal lato valvola, à ̈ provvisto di uno snodo sferico con annesso un registro per la regolazione del gioco di detta valvola.
11. 11. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che la punteria di ciascuna camma (31, 32) comprende un bilanciere (53) provvisto, dal lato camma, di un'estremità (54) filettata internamente per l'alloggiamento di uno snodo sferico (55).
12. 12. Dispositivo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detto snodo sferico (55) à ̈ provvisto di uno stelo (56) filettato esternamente, che si impegna con detta estremità (54) filettata internamente, e di un dado (57) per la registrazione del gioco di ciascuna valvola.
13. 13. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 9 a 12, caratterizzato dal fatto che dette camme (31, 32) sono dì tipo conico.
14. 14. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto gruppo regolatore centrifugo à ̈ disposto in corrispondenza di un'estremità dell'albero a camme.