ITPR20090018A1 - Sistema di raffreddamento di motori a combustione interna - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

TITOLO: SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO DI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

CAMPO DI APPLICAZIONE DELL'INVENZIONE

Il presente trovato si inserisce nel campo dei motori a combustione interna per l'impiego aeronautico.

Specificamente il circuito di raffreddamento è costituito da un sistema ad aria abbinato ad un raffreddamento ad olio; lo stesso olio del circuito di lubrificazione.

Il circuito descritto è relativo alla famiglia dei motori quattro tempi ad accensione comandata e rappresenta un'innovazione esclusiva in particolare per il settore aeronautico.

La validità del principio su cui si basa il circuito è applicabile non solo a motori a ciclo otto ma anche quelli a ciclo diesel ed è indipendente dal tipo di carburante di alimentazione delle unità e/o da eventuali miscele di carburante (AVGAS 100 LL ; Benzina verde; etanolo, GPL, CFI4; JET A, ecc).

Il circuito dell'olio assolve alla funzione di equilibrare termicamente il motore oltre che lubrificarlo adeguatamente.

Il raffreddamento ad olio comporta delle migliorie rispetto ad un normale circuito di raffreddamento ad acqua, soprattutto per quel che concerne due aspetti:

• L'affidabilità-semplicità; in quanto rispetto ai normali motori raffreddati ad acqua è evidente la mancanza di componenti quali: pompa dell'acqua, manicotti, vaso d'espansione, massa radiante e tutti i relativi cablaggi. Quindi vi sono meno probabilità di rottura del singolo componente.

· La sicurezza; in quanto il sistema adottato consente il mantenimento di un corretto equilibrio termico, necessario per il buon funzionamento del motore nelle varie condizioni di volo riscontrabili nelle diverse condizioni ambientali e climatiche.

Detti scopi e vantaggi sono tutti raggiunti dal sistema di raffreddamento per motori a combustione interna, oggetto del presente trovato, che si caratterizza per quanto previsto nelle sotto riportate rivendicazioni.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Questa ed altre caratteristiche risulteranno maggiormente evidenziate dalla descrizione seguente di alcune forme di realizzazione illustrate, a puro titolo esemplificativo e non limitativo nelle unite tavole di disegno.

Figura 1: una sezione di motore, cilindro e testa, con sistema di raffreddamento misto olio aria,

Figura 2: schema del circuito di lubrificazione secondo l'arte nota

Figura 3: schema del circuito di lubrificazione secondo l'oggetto del trovato

- Figura 4: il sistema di by-pass con valvola termostatica per il raffreddamento dell'olio di mandata, configurazione di valvola termostatica aperta,

Figura 5: la medesima illustrazione di cui alla figura 4, in configurazione di valvola termostatica chiusa.

DESCRIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è un sistema di raffreddamento misto olio aria per motori a combustione interna; in specifico si prevede di utilizzare l'olio lubrificante come parte del sistema di raffreddamento; infatti il cilindro e la testa sono completamente circondati da una pluralità di alette distanziate tra loro ed atte a permette uno scambio termico ad aria secondo l'arte attualmente usata per motori a raffreddamento ad aria.

In aggiunta parte della parete cilindro e della testa sono completamente circondate da un volume pieno di olio mantenuto tale da apposita pompa olio.

La funzione dell'olio è duplice:

asportare il calore dalla parete del cilindro ad un circuito scambiatore dove viene raffreddato, equilibrare termicamente il motore oltre che lubrificarlo adeguatamente.

Con riferimento alla figura 2 si illustra un circuito dell'olio secondo l'arte nota.

Il punto di partenza e di arrivo dello schema è la coppa 7 dell'olio: sulla destra si vede la parte di circuito che manda in pressione l'olio e ne gestisce la temperatura: dal pescante alla pompa al filtro.

Da qui l'olio in pressione entra nel flauto 8.

Nel flauto 8 è presente la valvola limitatrice di pressione che si apre e fa scaricare l'olio in coppa qualora nel flauto la pressione diventi troppo elevata superando i valori prestabiliti. Dal flauto partono i rami principali della lubrificazione e del raffreddamento: uno va a lubrificare l'albero a camme, gli altri tre sono destinati alla lubrificazione dell'albero motore, delle bronzine di biella, del pistone, della testa e al raffreddamento cilindro-testa. Il ramo che porta l'olio all'albero a camme è opportunamente dimensionamento per garantire ai supporti la portata necessaria alla lubrificazione dell'albero della distribuzione. Vi sono poi i tre rami che portano l'olio ai tre supporti di banco.

L'olio una volta arrivato ai supporti di banco passa ai bilancieri e ritorna nel basamento tramite gli astucci.

Con riferimento alla figura 3 si illustra un circuito dell'olio secondo l'oggetto del trovato ossia sistema misto di raffreddamento aria e olio.

Il punto di partenza e di arrivo dello schema di figura 3 è ancora la coppa 7 dell'olio: sulla destra si vede la parte di circuito che manda in pressione l'olio e ne gestisce la temperatura: dal pescante alla pompa al filtro. Da qui l'olio in pressione entra nel flauto 8.

Si osserva la presenza di una valvola termostatica 9 inserita tra il filtro dell'olio ed un radiatore 11; lo scopo di detta valvola 9 è di ottimizzare la temperatura d'esercizio dell'olio. La valvola 9 infatti, può, in funzione della temperatura dell'olio, aprire o chiudere il ramo 13 che conduce alla massa radiante. Per esempio subito dopo l'accensione del motore, durante la fase di riscaldamento l'olio non deve asportare calore, quindi non è necessario che passi dal radiatore 11 ma direttamente nel flauto attraverso il condotto 12. Escludendo questa parte del circuito permette all'olio di entrare in temperatura d'esercizio prima ottimizzando il funzionamento dell'intero motore.

Si precisa che la valvola termostatica 9 non ha un comportamento solo di tutto aperto/tutto chiuso, ma serve anche per parzializzare il flusso di olio che va al radiatore 11, sempre in funzione delle temperature; anche da questo punto di vista si ha un'ottimizzazione termodinamica del corretto funzionamento del motore.

Ancora, si osserva che nel flauto 8 è presente la valvola limitatrice di pressione che si apre e fa scaricare l'olio in coppa qualora nel flauto la pressione diventa troppo elevata superando i valori prestabiliti. Dal flauto 8 partono i rami principali della lubrificazione e del raffreddamento: uno va a lubrificare l'albero a camme, gli altri tre sono destinati alla lubrificazione dell'albero motore, delle bronzine di biella, del pistone, della testa e al raffreddamento cilindro-testa. Il ramo che porta l'olio all'albero a camme è opportunamente dimensionamento per garantire ai supporti la portata necessaria alla lubrificazione dell'albero della distribuzione. Vi sono poi i tre rami che portano l'olio ai tre supporti di banco. L'ultima parte è destinata alla lubrificazione del gruppo bilanciere - valvole - recuperatore di gioco oltre ché al raffreddamento del cilindro e della testa, oggetto del presente trovato.

Si evidenziano ora le differenze tra il tradizionale circuito di lubrificazione e quello qui proposto per la lubrificazione e il raffreddamento.

Innanzitutto nel circuito tradizionale le portate sono minori, di circa un 60% in meno, in quanto l'olio non deve asportare il calore generato dalla combustione, ma solamente quello dovuto agli attriti.

Nel circuito tradizionale (di figura 2) nel cilindro e nella testa non sono presenti le camere predisposte per il raffreddamento quindi l'olio una volta arrivato ai supporti di banco passa ai bilancieri e ritorna nel basamento tramite gli astucci; inoltre nel caso in oggetto il supporto albero motore, quello centrale, è dimensionato in modo da garantire la portata dell'olio ai due cilindri e alle due teste. Infatti dal supporto deve essere garantita una portata minima di olio tale per cui oltre che lubrificare l'albero motore, deve andare a lubrificare sia le bronzine di biella tre e quattro e i bilancieri in testa sia garantire l'olio necessario ad alimentare i getti presenti sulle bielle che raffreddano il cielo dei pistoni e le camere di raffreddamento del cilindro e della testa.

Con riferimento alla figura 1 si illustra un possibile esempio di un motore 10 a combustione interna che utilizza olio per la lubrificazione, secondo il sistema in oggetto. Si illustra uno dei cilindri in una sua configurazione sezionata.

Nel dettaglio si osserva una struttura di un cilindro 18 con una superficie interna 5 che definisce una cavità per la ricezione di un pistone (non illustrato) scorrevole all'interno di esso e una superficie esterna provvista di una pluralità di alettature 15 che provvedono ad effettuare lo scambio termico con l'ambiente esterno.

Si osserva la presenza di una camera 1 o vano atta a definire uno spazio circostante il cilindro 18.

Si osserva altresì la presenza di una camera 2 o vano atta a definire uno spazio circostante la testa 14 del motore 10.

Camera 1 e 2 sono combacianti nella zona di giunzione tra la testa e il cilindro cosicché l'olio, in arrivo dal punto di ingresso PI, crea una camera di fluido che circonda cilindro e testa

L'utilizzo di una camera in cui l'olio possa lambire le pareti del cilindro e parte della testa ha una duplice funzionalità: una di raffreddamento del sistema, l'altra di volano termico.

L'olio presente nella camera assieme alle alettature garantisce un corretto raffreddamento del cilindro, mantenendo costante la temperatura di esercizio. In più vi è un effetto di "volano termico": il cilindro e la testa non subiscono variazioni termiche repentine che possono danneggiare a lungo andare l'integrità strutturale dell'apparato. Infatti, può capitare che durante un normale volo si entri in nube oppure si necessiti di una discesa rapida con manetta al minimo, la massa d'olio presente all'interno del cilindro quindi "fornisce" calore in contrasto con il notevole abbassarsi della temperatura: questo fa si che il cilindro e la testa non subiscano dei forti stress termici che potrebbero danneggiare in modo irreparabile gli stessi. Di contro, può capitare di aver necessità di una rapida salita a tutta manetta, l'olio asporta il calore prodotto in più, mantenendo sempre la giusta temperatura di esercizio.

L'olio è contenuto nel basamento. Una pompa (non illustrata) consente di mandare l'olio dal serbatoio nelle camere 1, 2 mantenendola piena d'olio durante il funzionamento del motore.

Dalla camera 2 della testa 14 l'olio passa, tramite apposito condotto, nel pozzetto 3 in cui si raccoglie l'olio prima che esso torni in coppa.

Questo pozzetto 3 riempito d'olio lambisce il condotto di scarico 17 e di aspirazione 16 in modo tale da non creare dei delta termici elevati in spazi vicini.

Grazie alla notevole depressione creata dal sistema astuccio-basamento (distanza 4 tra i due punti di ingresso e uscita definiti dagli astucci connessi in testa e nel basamento ) l'olio non rimane a lungo all'interno del pozzetto 3 evitando surriscaldamenti che intaccherebbero il buon funzionamento.

Quindi dal pozzetto 3 l'olio segue un percorso di ritorno tramite gli astucci 4 delle valvole fino ad arrivare nel serbatoio (basamento) del motore.

La valvola termostatica ed lo scambiatore di calore sono situati nel percorso di andata prima di arrivare al flauto di distribuzione olio; in pratica prima che l'olio entri nelle parti di movimento (bronzine, pistone eccc...) e prima che faccia il suo ingresso (tramite PI) nelle camere 1 e 2 che lambiscono le pareti del cilindro e parte della testa.

Quindi:

- con l'intercapedine del cilindro e della testa si realizza all'interno una massa d'olio che funziona da raffreddamento e da volano termico che a seconda delle necessità asporta o cede calore.

- col pozzetto della testa si permette che una data massa d'olio opportunamente calcolata, rimanga lì per un adeguato tempo di permanenza in modo tale da asportare il calore in eccesso e quindi di non surriscaldare i componenti stessi;

- tramite astucci aste si crea una linea di ritorno il ci dimensionamento (lunghezza e punto di scarico olio nel basamento) è di lunghezza tale da creare un differenziale di pressione, tale da garantire un deflusso in depressione di un'idonea quantità d'olio.

- mediante una valvola termostatica si permette il bypass della massa radiante qualora la temperatura dell'olio non fosse quella d'esercizio; inoltre evita che l'olio subisca delle variazioni di temperatura indesiderate.

Si precisa che la pompa olio presenta la portata indispensabile per assolvere alla funzione di lubrificazione -raffreddamento - volano termico.

Claims (4)

1. RIVE N DICAZIO N I 1. Sistema di raffreddamento di motori (10) a combustione interna, detto motore (10) utilizzante un sistema di raffreddamento ad aria combinato a detto sistema ad olio, caratterizzato dal fatto che prevede una massa d'olio all'interno di camere (1, 2) ricavate nel cilindro (18) e parte della testa (14) funzionante da raffreddamento e da volano termico, ovvero asportando e/o cedendo calore a seconda delle necessità.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che da dette camere (1, 2) l'olio viene fatto passare, tramite apposito condotto, anche nel pozzetto (3) lambendo il condotto di scarico (17) e di aspirazione (16); mediante la depressione creata dal sistema astuccio-basamento l'olio non rimane a lungo all'interno del pozzetto (3) evitando surriscaldamenti.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta massa d'olio viene trattata da una valvola termostatica (9) che ne permette il by-pass qualora la temperatura dell'olio non fosse quella d'esercizio; la valvola (9) apre o chiude il ramo (13) che conduce al radiatore (11); detta valvola termostatica (9) e detto radiatore (11) essendo situati nel percorso di andata prima di arrivare al flauto (8) di distribuzione olio ovvero prima dell'ingresso nelle camere (1, 2) del cilindro e di parte della testa.
4. 4. Un motore (10) a combustione interna che utilizza olio per la lubrificazione ed il raffreddamento, abbinato ad un sistema di raffreddamento ad aria secondo il sistema rivendicato nella rivendicazione 1.