ITPI20130039A1 - Un motore provvisto di pistone e cilindro accoppiati in modo tale da eliminare la spinta laterale del pistone sulla parete del cilindro - Google Patents

Description

Descrizione a corredo della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

UN MOTORE PROVVISTO DI PISTONE E CILINDRO ACCOPPIATI IN MODO TALE DA ELIMINARE LA SPINTA LATERALE DEL PISTONE

SULLA PARETE DEL CILINDRO

Ambito dell’invenzione

La presente invenzione riguarda il settore tecnico inerente i motori in genere, ad esempio quelli del tipo diesel o benzina.

In particolare l’invenzione si riferisce ad un nuovo accoppiamento tra pistone e cilindro configurato in modo tale da ridurre al minimo, e persino eliminare, la spinta laterale che il pistone esercita sul cilindro durante il suo scorrimento, per cui riducendo gran parte degli attriti.

Brevi cenni alla tecnica nota

I motori a combustione interna sono noti da tempo. Ne esistono di vari modelli e cilindrate, ad esempio benzina o diesel a due o a quattro tempi.

Questi sono utilizzati in vari campi che vanno da quello automobilistico, al campo navale, aereo e persino per la realizzazione di motori destinati a compressori, pompe ecc.

La figura 1A di Prior Art riprende schematicamente il funzionamento di un motore 100 a scoppio (benzina) a quattro tempi anche se, ovviamente, il funzionamento e le problematiche di seguito descritte sono traslabili equivalentemente anche per il motore diesel di qualsiasi cilindrata e tipologia.

Il motore a scoppio si basa sul ciclo termodinamico Otto e comprende un cilindro 110 che forma al suo interno un canale 115 di scorrimento per un pistone 120. Il canale di scorrimento 115 forma di fatto la cosi detta camera di scoppio. Il pistone 120 è poi incernierato ad un leverismo formato da una biella 130 che si collega ad un albero girevole 140. In questa maniera il moto di scorrimento del pistone 120 rispetto al cilindro si trasforma, attraverso la biella 130, in una rotazione dell’albero 140. La rotazione dell’albero può così essere utilizzata per azionare ad esempio le ruote motrici di una autovettura oppure le pale di elica di un aereo o elicottero oppure le pale dell’elica di una barca, ecc.

Il cilindro prevede un ingresso 160 per una apposita miscela o sola aria (a seconda del tipo di motore), una uscita 170 per i gas combusti di scarico ed una candela 180 per innescare l’accensione (presente nei motori a benzina).

Nel motore diesel la struttura è similare ma non è presente la candela. Lo scoppio è ottenuto attraverso un elevato valore di temperatura dell’aria ottenuta attraverso una sua compressione entro il cilindro in cui è iniettata e tale per cui, quando incontra il diesel iniettato attraverso apposito iniettore, ne causa l’accensione.

In sostanza, con riferimento alla figura 2A, il principio di funzionamento ad esempio del motore a scoppio è il seguente.

Una prima fase è quella della aspirazione in cui il pistone scende aspirando la miscela dal carburatore. Nella seconda fase il pistone risale comprimendo la miscela nella camera a scoppio. Nella terza fase avviene l’esplosione con la candela che fa scoccare la scintilla e dunque, come conseguenza, la pressione generata dallo scoppio spinge il pistone in basso. Nell’ultima fase il pistone risale espellendo i gas di scarico.

Il ciclo di funzionamento (motore a quattro tempi) si ripete continuativamente generando così la rotazione dell’albero e la generazione del moto.

Un problema tecnico legato a questi tipi di motori è dovuto alla generazione di spinte laterali che si innescano tra pistone e parete laterale del cilindro in cui scorre a contatto il pistone e le quali sono ovviamente causa di usure e perdite di potenza.

La figura 1A chiarisce molto bene, in maniera semplice, il principio di generazione di tale forza.

Il leverismo che trasforma la traslazione del pistone in rotazione dell’albero è composto da una biella 130 la quale, durante il suo moto, non è quasi mai in asse con l’asse di simmetria trasversale del cilindro (asse congiungente il punto di inserimento della candela e l’incernieramento della biella con il pistone). Ad esempio proprio la figura 1A mostra una posizione generica in cui la biella 130 ha una certa inclinazione rispetto all'asse verticale del cilindro. Ciò è necessario in quanto la biella è connessa alla periferia dell’albero e dunque distanziata dall’asse rotativo dell’albero. In questo modo la forza trasmessa dalla biella all’albero risulta decentrata rispetto all’asse di rotazione dell’albero stesso generando un momento torcente sull’albero che lo fa ruotare.

Dal grafico delle forze riportato in figura 1A è dunque evidente, per il principio di azione e reazione, che la biella riceve dal pistone che scorre una forza lungo il suo asse (dunque una forza inclinata). Si nota come, in accordo a tale soluzione di arte nota, tale forza di spinta non è costante durante una rotazione completa dell’albero in quanto la biella cambia angolatura rispetto al cilindro in maniera ciclica.

Alla stessa maniera il pistone riceve dalla biella la medesima forza reattiva (stessa direzione) ma nel verso opposto. Il sistema costituito dal solo pistone isolato è dunque soggetto alla forza inclinata che la biella, lungo il suo asse di sviluppo, trasmette al pistone (forza applicata nel punto di incernieramento della biella al pistone), e dalle forze di contenimento della parete del percorso 115. Tale forza inclinata si scompone dunque in una componente laterale (Spinta laterale) equilibrata dalla parete di contenimento del cilindro ed in una componente verticale (Spinta verticale) responsabile dello scorrimento.

La spinta laterale è quella forza che tende a spingere il pistone contro le pareti del cilindro durante il suo scorrimento e che è dunque causa di forte usura delle parti. Si ricorda infatti che la forza di attrito dipende dalla intensità della spinta verticale e dalla intensità della spinta laterale. L’attrito è ovviamente causa di perdita di potenza, maggiori consumi di carburante ed elevata produzione di calore il quale contribuisce non poco alla usura dei componenti, soprattutto l’usura delle guarnizioni.

Allo stato attuale della tecnica le soluzioni proposte per ridurre gli effetti della spinta laterale e dunque della forza inclinata in genere, prevedono l’uso di particolari lubrificanti che tendono a migliorare lo scorrimento tra pistone e cilindro. Ovviamente questa soluzione non è in grado di eliminare di per se la forza laterale ma tende a ridurne gli effetti negativi anche se i risultati, con tale tecnologia, non sono ottimali. Si rileva dunque una notevole perdita di potenza, alti consumi e dunque maggiore inquinamento per l’ambiente ed usure elevate che obbligano a più frequenti sostituzioni.

Sintesi dell’invenzione

È quindi scopo della presente invenzione fornire un motore che risolva i suddetti inconvenienti tecnici.

In particolare è scopo della presente invenzione fornire un motore strutturato in modo tale per cui si eliminano gli effetti della forza inclinata, in particolare della spinta laterale, aumentando così le prestazioni del motore e riducendone consumi, effetti inquinanti ed usure.

Questi e altri scopi sono così ottenuti con il motore in accordo alla rivendicazione 1.

Il motore (1) comprendente:

− Un pistone (3, 4) ed;

− Un cilindro (6) formante un canale (7) di scorrimento entro cui risulta scorrevolmente predisposto il pistone (3, 4).

In accordo all’invenzione il pistone (3, 4) comprende una estremità (4), scorrevole entro il canale di scorrimento (7) del cilindro (6), ed un braccio (3) incernierato esternamente al cilindro (6) in modo tale da vincolare detta estremità (4) a percorrere una traiettoria curva intorno a detto punto di incernieramento (5).

Ovviamente, al fine di consentire al pistone 4 di scorrere entro il canale 7 con un preciso grado di tolleranza meccanica così come avviene nei motori tradizionali, il canale di scorrimento (7) risulta conformato secondo una appropriata curvatura (6’).

In tal maniera sono risolti agevolmente tutti i suddetti problemi tecnici.

Il pistone è adesso incernierato ad un punto della struttura del motore tale per cui è vincolato a fare una traiettoria curva. L’incernieramento compensa l’effetto delle traslazioni laterali del pistone dovute alla forza di reazione ricevuta dalla biella e per tal motivo l’incernieramento scarica la forza laterale la quale non grava più sull’accoppiamento pistone-cilindro.

In tal maniera è ridotta notevolmente l’usura delle parti e il consumo di carburante. Questa soluzione è ovviamente molto più funzionale rispetto alle soluzioni tradizionali che prevedono l’uso di additivi chimici o sostanze lubrificanti.

Vantaggiosamente la curvatura (6’) è con raggio centrato intorno al medesimo punto di incernieramento (5) del braccio (3).

Vantaggiosamente la curvatura (6’) è a raggio fisso. Vantaggiosamente il punto di incernieramento (5) del braccio (3) del pistone (3, 4) è fisso.

Vantaggiosamente il pistone (3, 4) è un braccio ad L e di cui una estremità (3’) incernierata nel punto di incernieramento (5) e l’estremità (4) opposta formate il corpo del pistone (4) scorrevole nel canale di scorrimento (7).

Vantaggiosamente detto braccio ad L è formato da due aste ad L (30, 40) tra loro distanziate.

Vantaggiosamente una biella (8) è collegata girevolmente nello spazio compreso tra le due aste ad L (30, 40).

Vantaggiosamente detto motore può essere del tipo a benzina o diesel.

E’ anche qui descritta la combinazione di un pistone (3, 4) con un cilindro (6), formante un canale (7) di scorrimento per il pistone (3, 4), ad esempio per realizzare un motore di un veicolo.

In accordo all’invenzione, il pistone (3, 4) comprende una estremità (4), scorrevole entro il canale di scorrimento (7) del cilindro (6), ed un braccio (3) incernierato esternamente al cilindro (6) in modo tale da vincolare detta estremità (4) a percorrere una traiettoria curva intorno a detto punto di incernieramento (5), il canale di scorrimento (7) essendo conformato, lungo la direzione di scorrimento del pistone (4), secondo una curvatura (6’) tale da consentire lo scorrimento del pistone.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e i vantaggi del presente motore, secondo l’invenzione, risulteranno più chiaramente con la descrizione che segue di una sua forma realizzativa, fatta a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui: − La figura 1A schematizza un motore secondo arte nota; − La figura 2A mostra uno schema di funzionamento del motore in accordo all’arte nota, in particolare un motore a scoppio a quattro tempi;

− La figura 1 mostra in sezione laterale un motore in accordo alla presente invenzione;

− La figura 2 estrapola in vista laterale il solo pistone formato dal piattello 4, il braccio 3 ad L ad esso solidale ed incernierabile ad un punto fisso della struttura del motore e la traiettoria curva che effettua il pistone, in particolare il piattello 4, a causa della rotazione del braccio 3 a cui è solidale;

− La figura 3 è una vista assonometrica del pistone;

− La figura 4 riporta ulteriori viste del pistone con alcune misure in millimetri preferite ma non vincolanti per la presente invenzione;

− Le figure dalla 5 alla 8 mostrano le fasi di funzionamento del presente motore.

Descrizione di alcune forme realizzative preferite Con riferimento alla sezione di figura 1, è mostrato un motore 1 in accordo all’invenzione.

Il motore 1 comprende una struttura 2 (la figura ovviamente ne ritaglia una sola porzione) ove trova alloggiamento il cilindro 6.

La struttura 2 è dunque una parte del motore.

Il cilindro 6, come da arte nota, forma il canale 7 entro cui è montato scorrevolmente il pistone.

Solo a scopo di chiarezza e completezza la figura 1 mostra ulteriormente la valvola 11 di passaggio per il fluido combustibile (l’aspirazione), lo scarico 12 dei gas combusti e la candela 13 nel caso di motore a scoppio.

In particolare, a seconda del tipo di motore, il fluido sarà costituito da una miscela di aria-benzina nei motori a benzina oppure sola aria nei motori diesel (la miscela aria combustibile si forma dunque entro la camera del cilindro).

Dalla parte opposta alle valvole (11, 12), il canale 7 è aperto per consentire il passaggio della biella 8.

In accordo all’invenzione, il pistone è formato da una sorta di leva 3 ad L.

In particolare il pistone è un braccio ripiegato ad L e avente una estremità 3’ che risulta incernierata in un punto fisso della struttura 2, mentre l’estremità 4 opposta forma fisicamente il pistone 4 che scorre entro il canale 7 del cilindro.

L’estremità 3’ incernierata forma dunque un occhiello che serve a consentire appunto l’incernieramento alla struttura 2 attraverso ad esempio un perno di fissaggio.

La figura 3 meglio mostra in vista assonometrica il pistone il quale viene realizzato con due barre (30, 40) ripiegate ad L, tra loro distanziate e che si saldano da una parte all’estremità 3’ e dalla parte opposta si saldano al piattello 4 che forma appunto il pistone scorrevole vero e proprio.

In questo modo lo spazio libero tra una barra 30 e l’altra 40 consente l’inserimento e l’incernieramento della biella 8 la quale si collega dalla parte opposta, come da arte nota, all’albero girevole 10.

Tuttavia nulla escluderebbe la realizzazione del braccio in un unico pezzo, andando semplicemente a fresare la parte ove va connessa girevolmente la biella 8.

La figura 1 mostra un verso di rotazione dell’albero 10 orario ma è ovvio che in uso anche un verso anti-orario può essere applicato.

Addirittura il verso anti-orario di rotazione, ad esempio mostrato nelle sequenze di funzionamento dalla figura 5 alla figura 8, è vantaggioso in quanto in fase di scoppio la biella 8 occupa una posiziona avanzata con una migliore distribuzione delle forze.

La forma ad L è ovviamente vantaggiosa in quanto bene si adatta al moto rotativo intorno all’incernieramento evitando al contempo che il braccio entri in interferenza o in contatto con il cilindro entro cui si inserisce l’estremità 4. La lunghezza dunque della porzione ripiegata 3’’ è tale per cui, quando l’estremità 4 è a fine corsa in alto entro il cilindro, il braccio 3 non entra in interferenza con le pareti del cilindro (vedi figura 1).

Tornando alla figura 1 e alla figura 2, si evidenzia poi come, strutturalmente, il canale 7 è delimitato da una parete a sezione circolare entro cui scorre l’estremità circolare 4 del pistone e che però, a differenza dell’arte nota, segue una traiettoria 6’ curva. Tale curvatura del canale 7 ovviamente non è casuale ma è funzione del raggio di curvatura (r) relativo alla traiettoria seguita dalla estremità 4.

In particolare, come subito chiarito, l’estremità 4 è vincolata a seguire una traiettoria curva 4’ e dunque il canale 7 forma un percorso ugualmente curvo in modo tale che il pistone possa scorrervi dentro con un preciso grado di tolleranza.

Come infatti mostrato in figura 1 o in figura 2, il pistone è incernierato in un punto 5 attraverso l’estremità 3’ e per tal motivo l’estremità opposta 4 (ovvero il corpo del pistone vero e proprio) è vincolata a seguire una traiettoria 4’ curva che altro non è che un arco di circonferenza con centro il punto di incernieramento 5.

Conferendo dunque una opportuna curvatura al percorso interno 7, l’estremità 4 riesce a seguire la sua traiettoria curva 4’ scorrendo entro il canale in modo preciso. Ogni linea del percorso 7 è dunque un arco di circonferenza con raggio centrato nel punto 5 e la cui lunghezza è tale per cui il canale curvo 7 sia appunto un canale di scorrimento che segue il percorso a cui è vincolato il pistone.

Le curve 6’ e 4’ sono dunque raggi di curvatura fissi con centro il punto 5.

La figura 5 mostra le fasi di funzionamento relative ad un motore a scoppio a quattro tempi ma si intende che tale soluzione è applicabile a qualsiasi genere e tipo di motore.

L’albero è rappresentato girevole in senso antiorario.

Nella prima fase di aspirazione il braccio 3 ruota in senso anti-orario intorno al punto 5 in modo tale che il pistone 4 si porti a fine corsa del canale 7 in basso. Segue dunque la compressione in cui il braccio 3 ruota in senso orario in modo tale che il pistone 4 risalga il canale 7 comprimendo il fluido aspirato. Segue lo scoppio e nuovamente la rotazione del braccio 3 in senso antiorario. Infine si ha la fase di scarico.

Tale soluzione risolve i suddetti problemi tecnici in quanto annulla di fatto la componente di forza o spinta laterale che genera attrito tra le parti in contatto di estremità 4 e parete del cilindro.

Il pistone è infatti adesso incernierato ad un punto fisso 5 per cui la forza laterale che il pistone riceve dalla biella viene ora scaricata sull’incernieramento 5. L’incernieramento 5 obbliga dunque l’intero pistone (3, 4) a mantenere una linea di percorso precisa e dunque questo fa si che il piattello o estremità 4 risulti scarica da forze laterali. Inoltre la curvatura del percorso 7 fa si che il pistone scorra con estrema precisione.

In particolare il sistema pistone (3, 4) isolato riceve la solita forza F dalla biella, la reazione della parete di scorrimento del cilindro ma vi è anche a reazione dell’incernieramento 5 che compensa (in sostanza annulla) la reazione della parete.

Il presente motore può anche funzionare da compressore d’aria azionato da un motore elettrico.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un motore (1) comprendente: − Un pistone (3, 4) ed; − Un cilindro (6) formante un canale (7) di scorrimento per il pistone (3, 4); Caratterizzato dal fatto che il pistone (3, 4) comprende una estremità (4), scorrevole entro il canale di scorrimento (7) del cilindro (6), ed un braccio (3) incernierato esternamente al cilindro (6) in modo tale da vincolare detta estremità (4) a percorrere una traiettoria curva intorno a detto punto di incernieramento (5), il canale di scorrimento (7) essendo conformato, lungo la direzione di scorrimento del pistone (4), secondo una curvatura (6’) tale da consentire lo scorrimento del pistone.
2. 2. Un motore (1), secondo la rivendicazione 1, in cui la curvatura (6’) è con raggio centrato intorno al medesimo punto di incernieramento (5).
3. 3. Un motore (1), secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la curvatura (6’) è a raggio fisso.
4. 4. Un motore (1), secondo la rivendicazione 1, in cui il punto di incernieramento (5) del braccio (3) del pistone (3, 4) è fisso.
5. 5. Un motore (1), secondo una o più rivendicazioni dalla 1 alla 3, in cui il pistone (3, 4) è un braccio ad L e di cui una estremità (3’) incernierata nel punto di incernieramento (5) e l’estremità (4) opposta formate il corpo del pistone (4) scorrevole nel canale di scorrimento (7).
6. 6. Un motore (1), secondo la rivendicazione 5, in cui detto braccio ad L è formato da due aste ad L (30, 40) tra loro distanziate.
7. 7. Un motore (1), secondo la rivendicazione 6, in cui una biella (8) è collegata girevolmente nello spazio compreso tra le due aste ad L (30, 40).
8. 8. Un motore (1), secondo una o più rivendicazioni precedenti, in cui detto motore è a benzina.
9. 9. Un motore (1), secondo una o più rivendicazioni precedenti, in cui detto motore è un motore diesel.
10. 10. La combinazione di un pistone (3, 4) con un cilindro (6), formante un canale (7) di scorrimento per il pistone (3, 4), per un motore; Caratterizzato dal fatto che il pistone (3, 4) comprende una estremità (4), scorrevole entro il canale di scorrimento (7) del cilindro (6), ed un braccio (3) incernierato esternamente al cilindro (6) in modo tale da vincolare detta estremità (4) a percorrere una traiettoria curva intorno a detto punto di incernieramento (5), il canale di scorrimento (7) essendo conformato, lungo la direzione di scorrimento del pistone (4), secondo una curvatura (6’) tale da consentire lo scorrimento del pistone.