ITMO990280A1 - Motore termico alternativo dotato di equilibratura e precompressione - Google Patents

Motore termico alternativo dotato di equilibratura e precompressione Download PDF

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Maurizio Bigi
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Description

DESCRIZIONE
L'invenzione concerne: un motore termico alternativo dotato di equilibratura e precompressione, ossia un motore a combustione interna del tipo a manovellismo di spinta in cui sono realizzati meccanismi che contemporaneamente eseguono l'equilibratura e la precompressione dell'aria d'alimentazione; esso motore potendo essere a ciclo Otto od a ciclo Diesel ed indifferentemente a due o quattro tempi.
Lo stato della tecnica comprende già motori a combustione interna in cui la funzione di equilibratura delle masse rotanti viene sviluppata da meccanismi appositi, che si muovono in sincronismo con la rotazione dell'albero motore; esso stato della tecnica comprende anche motori dotato di meccanismi di compressione che sono mobili in sincronismo con la rotazione dell'albero motore .
Infatti, da decenni sono noti i motori a combustione interna due tempi con pistone di compressione dell'aria di lavaggio, effettuata da un apposito pistone ruotato di un angolo retto in precessione al pistone attivo, che pompa ad ogni ciclo l'aria di lavaggio e compressione. Essi, peraltro, risultano non equilibrati essendo la manovella del pistone ausiliario ruotata di 180 gradi rispetto alla manovella motrice, nonché la distribuzione a luci e a cilindro attivo sdoppiato non permette di raggiungere dei risultati accettabili per i limiti imposti ad evitare l'inquinamento atmosferico.
Più ancora, é noto dalla domanda di brevetto PCT WO90/15917, un motore termico quattro tempi a due cilindri allineati e con manovelle a 180 gradi in cui é presente un cilindro ausiliario collegato col proprio albero a gomito con rapporto di moltiplicazione 2:1 coll'albero motore, per effettuare la compressione dell'aria di lavaggio ed ottenere l’equilibratura delle forze d'inerzia del II ordine, mentre le forze d'inerzia del I ordine risultano equilibrate dalla disposizione delle manovelle a 180 gradi. Tuttavia, un motore così costituito presenta pur sempre una notevole complessità meccanica, per l'albero proprio del pistone ausiliario, nonché per la limitazione alle prestazion per i limiti meccanici dello stesso albero a gomito de pistone ausiliario, che limita fortemente il regime d rotazione del motore.
Inoltre, sono parimenti noti motori dotati di un cilindro disposto ad angolo retto, rispetto ad un ulteriore cilindro, ambedue attivi, che reciprocamente si equilibrano con riguardo alle forze d'inerzia del I ordine .
Infine, sono noti dei meccanismi, con bielle ausiliarie a 90 gradi rispetto alla biella principale, che realizzano una bilanciatura delle masse rotanti ed alternative di un motore monocilindrico, per le suddette forze d'inerzia del I ordine: ove la detta biella aggiunta é guidata da una ulteriore bielletta connessa al piede della biella ausiliaria, che contrariamente alla disposizione in cui ambedue i cilindri, e quindi le bielle sono attivi, mantiene un residuo di squilibrio in senso trasversale all'albero motore in quanto la detta bielletta é guidata all’estremo libero con un bilanciere che ovviamente non può avere il raggio infinito teoricamente necessario. In conseguenza la presente disposizione limita l’utilizzo di questo meccanismo di bilanciatura al solo scopo previsto aumentando il costo di costruzione e senza ottenere ulteriori vantaggi. Così anche la disposizione precedente dei due cilindri attivi a 90 gradi, presenta la complessità del motore bicilindrico ed un funzionamento non ulteriormente intrinsecamente migliorabile essendo i cilindri limitati dalla relativa reciproca funzione.
Tale stato della tecnica è suscettibile di notevoli perfezionamenti con riguardo alla possibilità di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota raggiungendo una integrazione delle parti in moto che permetta una semplificazione costruttiva e quindi una riduzione di costi e pesi, potendo superare tutti gli inconvenienti suddetti.
Da quanto precede deriva la necessità della risoluzione del problema tecnico di realizzare una combinazione di parti che nel meccanismo di spinta tipico dei motori termici alternativi possa limitare le vibrazioni, dovute alle forze del I ordine generate dalle evoluzioni delle masse alterne, e possa nel contempo migliorare il rendimento termodinamico della combustione riducendo i consumi e l’inquinamento, potendo altresì raggiungere elevate potenze specifiche.
L'invenzione risolve il problema tecnico suddetto, adottando: motore termico alternativo dotato di equilibratura e precompressione, comprendente almeno un cilindro attivo; almeno un cilindro ausiliario posto ad angolo retto rispetto al cilindro attivo; le manovelle dei pistoni dei relativi cilindri poste nel medesimo albero motore; organi di alimentazione del combustibile; il cilindro ausiliario dotato di testa con valvola unidirezionale d'ammissione dell'aria e valvola unidirezionale di mandata dell'aria, caratterizzato da ciò, che presenta la testa del cilindro attivo dotata di almeno una valvola di scarico ed almeno una apertura di alimentazione dell'aria nel cilindro attivo; infine, presenta il pistone del cilindro ausiliario in precessione di 90 gradi di fase rispetto alla fase del pistone del cilindro attivo.
Adottando in una preferita forma di realizzazione: un solo cilindro attivo ed un solo cilindro ausiliario con ambedue le bielle accoppiate sulla stessa manovella dell'albero a gomito.
Adottando in una seconda preferita forma di realizzazione: due cilindri attivi ed un cilindro ausiliario, con le bielle dei cilindri attivi e del cilindro ausiliario accoppiate tutte alla medesima manovella.
Adottando in una seconda preferita forma di realizzazione, come variante della predente: due cilindri attivi ed un cilindro ausiliario, con le bielle dei cilindri attivi e del cilindro ausiliario poste ciascuna accoppiata ad una rispettiva manovella e le tre manovelle in fase tra loro.
Adottando in una ulteriore e preferita forma di realizzazione: due cilindri attivi e due cilindri ausiliari a loro corrispondenti con le manovelle in fase di 180 gradi e ciascuna accoppiata alla rispettiva biella del cilindro attivo ed alla biella del cilindro ausiliario corrispondente.
Adottando in una ulteriore e preferita forma di realizzazione: più di una valvola di scarico nella testa. Adottando in una ulteriore e preferita forma di realizzazione, nel caso di motori pluricilindrici: più di un cilindro attivo e corrispondentemente un rispettivo cilindro ausiliario ciascun cilindro attivo, con le rispettive bielle del singolo cilindro attivo e del rispettivo cilindro ausiliario accoppiate sulla stessa manovella.
Adottando in una forma di realizzazione ulteriore, nel caso di motori a due tempi: la detta apertura d'aspirazione costituita da una serie di luci di lavaggio ricavate nella camicia del cilindro attivo.
Adottando in una preferita forma di realizzazione: un dispositivo turbocompressore a gas di scarico dell'aria d'alimentazione, collegato per l'aria a monte della valvola unidirezionale d'ammissione e per i gas di scarico a valle della/e detta/e valvola/e di scarico.
Adottando, inoltre, in una ulteriore e preferita forma di realizzazione, per l'ottenimento del ciclo Diesel: i suddetti organi di alimentazione del combustibile costituiti, vantaggiosamente, da un iniettore-pompa posto sull'asse della testa di ciascun cilindro attivo.
Adottando, infine, in una ulteriore e preferita forma di realizzazione, per l'ottenimento del ciclo Otto: i suddetti organi di alimentazione del combustibile costituiti, vantaggiosamente, da un iniettore di combustibile posto nel condotto di travaso a monte della detta apertura/valvola d'aspirazione della testa del cilindro attivo; oppure costiuito da un iniettore di combustibile che lo inietta direttamente nella camera di combustione.
I vantaggi ottenuti da questa invenzione sono: il motore monocilindrico risulta equilibrato intrinsecamente rispetto alle forze d'inerzia del I ordine e contemporaneamente i medesimi organi a ciò preposti realizzano anche la precompressione dell'aria di alimentazione, senza utilizzare altre parti o dispositivi aggiuntivi specifici.
Inoltre, lo schema con cilindro attivo e cilindro ausiliario di equilibratura e precompressione dell'alimentazione può funzionare sia col ciclo Otto sia col ciclo Diesel, sia esso a due o quattro tempi, in quanto il sistema di lubrificazione é separato dall'alimentazione dell'aria comburente ed identico sia nel due sia nel quattro tempi, cioè risulta intrinsecamente ecologico .
Più ancora, i maggiori vantaggi si ottengono col ciclo Diesel, per l'aumento delle potenze specifiche paragonabili a quelle di un motore con ciclo Otto non sovralimentato. Nel caso di un motore bicilindrico, con lo schema delle manovelle in fase ed a quattro tempi la distribuzione della coppia risulta più regolare, senza penalizzare la rotazione del motore agli alti regimi in quanto é intrinsecamente equilibrato. Così, invece, la versione bicilindrica con un cilindro ausiliario per ciascun cilindro attivo e le manovelle a 180 gradi consente anche una compensazione delle forze d'inerzia del II ordine.
Infine, la disposizione adottata risulta particolarmente vantaggiosa con un ciclo Otto a quattro tempi in cui il condotto di travaso alimenta le valvole tradizionali di aspirazione e l'effetto di aumento della quantità d'aria pompata dal cilindro ausiliario risulta teoricamente doppio. Così, anche, risulta molto vantaggiosa la disposizione adottata se impiegata con un ciclo Diesel a due tempi, in quanto l'effettuazione della fase di lavaggio, con il medesimo organo che al termine di essa può effettuare anche una precompressione, permette di ottenere ottimi risultati in quant il lavaggio avviene con aria pura, cioè senza perdere energia per incombusti allo scarico e senza inquinare con in suddetti incombusti.
Alcuni modi di attuare l’invenzione sono illustrati, a puro titolo esemplificativo, nelle tre tavole di disegno allegate in cui Figura 1 é la sezione longitudinale del cilindro attivo e del cilindro di equilibratura/precompressione del motore termico secondo 1'invenzione, nella versione 2 tempi Diesel; Figura 2 é un vista prospettica dei cilindri di Figura 1 limitata alle parti essenziali; Figure da 3 a 11 sono le fasi del ciclo di funzionamento del motore nel caso di ciclo 2 tempi; Figura 12 é la vista prospettica di un motore completo monocilindrico,secondo 1'invenzione;Figura 13 é una vista prospettica del motore di Figura precedente, ma bicilindrico due tempi con manovelle a 180 gradi; Figura 14 é una vista prospettica di un motore bicilindrico quattro tempi, con. unico cilindro ausiliario e manovelle in fase sia del cilindro ausiliario sia dei cilindri attivi; Figura 15 é una sezione, simile alla Figura 1, di un motore a due tempi con sovralimentazione con turbocompressore dell’aria aspirata dal cilindro ausiliario; Figura 16 é una sezione, come la precedente, di un motore a quattro tempi con dispositivo di raffreddamento ed accumulo dell'aria spinta dal cilindro ausiliario.
Sono indicati: con 1, Figura 1, l'albero motore dotato di manovella 2 su cui sono accoppiate una prima biella 3 per il cilindro attivo 4 ed una seconda biella 5 per il cilindro ausiliario 6; con 7 il pistone del cilindro attivo, mobile entro la camicia 8 dotata di luci di lavaggio 9; con 10 il rivestimento della detta camicia dotato di canali 11 per il raffreddamento e di condotti 12 per alimentare le dette luci di lavaggio; con 13 la testa del detto cilindro attivo, dotata di condotti di scarico 14 e relative valvole 15; con 16 1 ’iniettore-pompa, comandato come peraltro le valvole dal relativo bilanciere 17, azionati dall'albero a camme 18 o 19; con 20 il condotto di travaso tra il detto cilindro ausiliario 6 e le dette luci di lavaggio 9; con 21 la camicia alettata del cilindro ausiliario; con 22 la testata del cilindro ausiliario, dotata di valvole a lamelle 23 d'ammissione e 24 di mandata; con 25 il condotto d'aspirazione dell’aria; con 26 il pistone del detto cilindro ausiliario.
Sono, inoltre, indicati: con 27, Figura 2, la pompa di lubrificazione ad ingranaggi; con 28 la catena di azionamento degli alberi a camme 18 e 19; con 29 il carter del motore monocilindrico e 30 il carter del motore bicilindrico; con 31, Figura 14, il carter del motore bicilindrico a quattro tempi con un unico cilindro 6 ausiliario, ove vantaggiosamente le manovelle dei cilindri sono in fase; con 32 il condotto di travaso sdoppiato ad alimentare le valvole d'aspirazione dei suddetti cilindri; con 33, Figura 15, un collettore di scarico collegato al turbocompressore 34 a cui é pure collegato il collettore di scarico 35 delle altre valvole 15 di scarico; con 36 lo scarico finale dei gas combusti; con 37 l'ingresso dell'aria che il turbocompressore spinge lungo il condotto 25 detto.
Sono, infine, indicati: con 38, Figura 16, la camicia del cilindro attivo 4, quando realizzato per un ciclo a 4 tempi, posta entro il rivestimento 39 a cui é collegata la testa 40; con 41 il condotto di aspirazione che adduce l'aria pompata dal detto cilindro ausiliario 6 alle valvole d'aspirazione 42; con 43 l'albero a camme di comando delle valvole d’aspirazione; con 44 il condotto di travaso della detta aria, dotato di volume di compensazione 45 a permettere un sufficiente accumulo di aria ed eventuale raffreddamento, per il doppio ciclo di pompaggio effettuato dal cilindro ausiliario 6, solo 360 gradi, rispetto al ciclo di 720 gradi del cilindro attivo 4.
Il funzionamento del motore termico dotato di cilindro ausiliario di equilibratura e precompressione avviene come segue.
Facendo riferimento alle Figure da 3 ad 11, il pistone 7 del cilindro attivo 4 nella prima fase, Figura 3, si trova in compressione essendo già oltre la luce di lavaggio 9 e con le valvole 15 in testa chiuse; il pistone 26 del cilindro ausiliario 6 si trova al p.m.s.; la rotazione é oraria, guardando la figura, e nella successiva fase, Figura 4, il pistone 7 si trova già al termine della compressione, mentre il pistone 26, del cilindro ausiliario, é in fase di aspirazione dell'aria dalla relativa valvola a lamelle 23; nella Figura 5 il pistone 7 é già al p.m.s.: cioè nell'intorno di esso é in fase di iniezione, per il ciclo Diesel, o di accensione comandata, per il ciclo Otto. Nella Figura 6 il pistone 7, del cilindro attivo 4, é in fase di espansione, cioè i gas combusti sviluppano la massima spinta su di esso con le valvole di scarico 15 che iniziano l'apertura, mentre il pistone 26, del cilindro ausiliario 6, é prossimo al p.m.i., che raggiunge nella Figura 7 successiva; nella fase rappresentata in Figura 8 l'apertura delle dette valvole é completa e i gas escono dallo scarico, mentre la valvola a lamelle 24 di mandata é aperta e l'aria viene sospinta attraverso il condotto 20 di travaso e la luce 9 nel cilindro attivo; in Figura 9 la fase successiva é rappresentata col pistone 7 del cilindro 4 attivo al p.m.i., mentre il condotto di travaso é percorso dall'aria pompata dal cilindro 6 ausiliario; infine, in Figura 10 é rappresentata la fase terminale del lavaggio in cui il pistone 26, del cilindro ausiliario 6, é prossimo al p.m.s., ma pompa a più elevata pressione l'aria nel condotto di travaso e nel cilindro 4 attivo in cui sono ancora aperte la luce 9 di lavaggio, ma chiuse le valvole di scarico 15; al termine la Figura 11 rappresenta la medesima posizione del manovellismo e dei pistoni nei relativi cilindri della Figura 3 iniziale.
Pertanto, gli ottimi risultati ottenuti da questo motore sono in funzione del doppio impiego del cilindro ausiliario, come equilibratore, delle forze d'inerzia del I ordine del manovellismo di spinta, e come stadio di precompressione ad indurre un lavaggio forzato del cilindro attivo.
Inoltre, nel caso di motore monocilindrico a quattro tempi, secondo la Figura 16, la fase di precompressione avviene due volte nel ciclo di 720 gradi del cilindro attivo e, quindi, risulta utile disporre il volume di compensazione 45, che può avere anche funzione di raffreddamento, intercooler, dell aria precompressa Il funzionamento delle versioni bicilindriche avviene nel medesimo modo, identico se il motore é due tempi della Figura 13 od a quattro tempi della Figura 16, col vantaggio che il volume di compensazione 45 nel caso del bicilindrico con manovelle a 360 gradi non é necessario, mentre l’effetto equilibrate di un singolo cilindro ausiliario 6, come peraltro suggerito nella Figura 14, può essere ottenuto ugualmente con la manovella del cilindro ausiliario a 180 gradi o 360 gradi rispetto alle manovelle dei cilindri attivi 4.
Il funzionamento, infine, della versione di motore due tempi dotato anche di dispositivo di sovra-alimentazione a turbocompressore, avviene come descritto per le Figure da 3 ad 11, in cui però l’alimentazione d'aria al condotto 25 avviene a pressione superiore all’atmosferica, così da ottenere ottimi lavaggi e riempimenti di tutta la cilindrata anche agli elevati regimi a cui il motore, anche monocilindrico, può ruotare. Il collettore di scarico 35 é unito con il collettore di scarico 33, ad ottenere la medesima contropressione allo scarico con lunghezze dei collettori uguali o diverse.
Negli esempi precedenti il riferimento é stato fatto prevalentemente alla versione a ciclo Diesel del motore termico secondo l'invenzione, per il più facile e conveniente utilizzo del medesimo per le sue doti intrinseche di carattere ecologico, cioè a più basso inquinamento. Tuttavia, risulta molto agevole sostituire all'iniettore il dipositivo di comando dell'accensione e disporre nel condotto di travaso 20 o 43, sia esso due o quattro tempi, un dispositivo iniettore del combustibile ed ottenere un funzionamento a ciclo Otto; oppure di disporre un iniettore di benzina direttamente nella camera di combustione assieme al dispositivo di comando dell'accensione.
Nell'attuazione pratica i materiali, le dimensioni, i particolari esecutivi potranno essere diversi da quelli indicati, ma ad essi tecnicamente equivalenti, senza per questo uscire dal dominio giuridico della presente invenzione. Così, seppur meno convenientemente, le dette valvole unidirezionali 23 o 24 ad apertura automatica possono essere sostituite da valvole ad apertura comandata meccanicamente.
Più ancora, le suddette valvole unidirezionali di ammissione e di mandata del cilindro ausiliario possono essere in numero superiore ad una per ciascuna funzione, aspirazione e/o mandata; infine, esse valvole plurime, con la medesima funzione, potendo essere di luce diversa e/o sensibilità alla differenza di pressione d apertura diversa .

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Motore termico alternativo dotato di equilibratura e precompressione, comprendente: almeno un cilindro attivo (4); almeno un cilindro ausiliario (6), posto ad angolo retto rispetto al cilindro attivo; le manovelle (2) dei pistoni (7, 26) dei relativi cilindri poste nel medesimo albero motore (1); organi di alimentazione del combustibile (16); il cilindro ausiliario dotato di testa (22) con valvola unidirezionale d'ammissione (23) dell'aria e valvola unidirezionale di mandata (24) dell'aria, caratterizzato da ciò, che presenta la testa del cilindro attivo (13, 40) dotata di almeno una valvola di scarico (15) ed almeno una apertura (9, 42) di alimentazione dell'aria nel cilindro attivo; infine, presenta il pistone (26) del cilindro ausiliario (6) in precessione di 90 gradi di fase rispetto alla fase del pistone (7) del cilindro attivo (4).
  2. 2. Motore termico, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato da ciò, che presenta un solo cilindro attivo (4) ed un solo cilindro ausiliario (6) con ambedue le bielle (3, 5) accoppiate sulla stessa manovella (2) dell'albero a gomito (1).
  3. 3. Motore termico, secondo la rivendicazione 1 precedente, caratterizzato da ciò, che presenta due cilindri attivi (4) ed un cilindro ausiliario (6), con le bielle dei cilindri attivi e del cilindro ausiliario accoppiate tutte alla medesima manovella.
  4. 4. Motore termico, secondo la rivendicazione 1 precedente, caratterizzato da ciò, che presenta due cilindri attivi (4) ed un cilindro ausiliario (6), con le bielle dei cilindri attivi e del cilindro ausiliario poste ciascuna accoppiata ad una rispettiva manovella e le tre manovelle in fase tra loro.
  5. 5. Motore termico, secondo la rivendicazione 1 precedente, caratterizzato da ciò, che presenta due cilindri attivi (4) e due cilindri ausiliari (6) a loro corrispondenti con le manovelle (2) in fase di 180 gradi e ciascuna accoppiata alla rispettiva biella del cilindro attivo (3) ed alla biella del cilindro ausiliario (5) corrispondente.
  6. 6. Motore termico, secondo una delle rivendicazioni 1, 2 o 5 precedenti, caratterizzato da ciò, che presenta più di una valvola di scarico (15) nella testa (13, 40 ) .
  7. 7. Motore termico pluricilindrico , secondo la rivendicazione 1 precedente, caratterizzato da ciò, che presenta più di un cilindro attivo (4) e corrispondentemente un rispettivo cilindro ausiliario (6) ciascun cilindro attivo, con le rispettive bielle del singolo cilindro attivo e del rispettivo cilindro ausiliario accoppiate sulla stessa manovella.
  8. 8. Motore termico, secondo una delle rivendicazioni 1, 2, 5 o 6 precedenti, caratterizzato da ciò, che presenta la detta apertura d'aspirazione costituita da una serie di luci di lavaggio (9) ricavate nella camicia (8) del cilindro attivo (4).
  9. 9. Motore termico, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò, che presenta un dispositivo turbocompressore (34) a gas di scarico dell'aria d'alimentazione, collegato per l'aria a monte della valvola unidirezionale d'ammissione (23) e per i gas di scarico a valle della/e detta/e valvola/e di scarico (15).
  10. 10. Motore termico, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò, che presenta le suddette valvole unidirezionali di ammissione (23) e di mandata (24) del cilindro ausiliario (6) in numero superiore ad una per ciascuna funzione, aspirazione e/o mandata .
  11. 11. Motore termico, secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato da ciò, che presenta esse valvole plurime, con la medesima funzione, di luce diversa e/o sensibilità alla differenza di pressione d'apertura diversa
  12. 12. Motore termico, secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò, che presenta, per l'ottenimento del ciclo Diesel, i suddetti organi di alimentazione del combustibile costituiti,vantaggiosamente, da un iniettore-pompa (16) posto sull'asse della testa (13, 40) di ciascun cilindro attivo (4).
  13. 13. Motore termico, secondo una delle rivendicazioni precedenti da 1 a 11, caratterizzato da ciò, che presenta, per l’ottenimento del ciclo Otto, i suddetti organi di alimentazione del combustibile costituiti, vantaggiosamente, da un iniettore di combustibile posto nel condotto di travaso (20, 32, 44) a monte della detta apertura/valvola d'aspirazione (9, 42) della testa (13, 40) del cilindro attivo (4); oppure costituito da un iniettore di combustibile che lo inietta direttamente nella camera di combustione.
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