ITRE20060003A1 - Sistema per l'avviamento di un motore a combustioneinterna di piccola potenza" - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del Brevetto Italiano per Invenzione Industriale dal titolo:

"SISTEMA PER L'AVVIAMENTO DI UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA DI PICCOLA POTENZA"

Il presente trovato si riferisce ad un sistema per facilitare l'avviamento di motori endotermici alternativi di piccola potenza, ed in particolare di motori dotati di un'accensione di tipo induttivo.

È noto che i piccoli motori a combustione interna sono dotati di un sistema di accensione costituito da un volano ed una bobina di accensione. Il volano è dotato di almeno un magnete e si accoppia magneticamente con il nucleo magnetico in ferro laminato della bobina, fornendo l'energia, ed i riferimenti elettrici di fase, per la generazione della scintilla che innesca la combustione del carburante all'interno del cilindro.

In particolare la bobina di accensione comprende un avvolgimento primario collegato ad un circuito di spegnimento, ed un avvolgimento secondario collegato alla candela del motore.

Un problema dei piccoli motori a combustione interna è che affinché avvenga l'accensione il volano del motore deve ruotare ad una velocità di circa 300-400 giri minuto. A tal fine l'accensione di questi motori avviene generalmente con un sistema a strappo, che comprende una puleggia meccanicamente collegata ad un'uscita dell'albero del motore, intorno alla quale è avvolta una fune di avviamento. Un problema correlato a questa tipologia di dispositivo è quello che la velocità di rotazione a cui viene portato il volano del motore è funzione della forza con cui si tira la fune. Accade quindi che se la fune non viene tirata con una forza sufficiente il volano non ruoti sufficientemente veloce per consentire l'avviamento del motore.

Quindi per avviare il motore l'utente deve compiere generalmente uno sforzo notevole. Va poi sottolineato che se per alcune volte si aziona il dispositivo di avviamento senza la dovuta forza ed il motore non parte, si rischia di ingolfare il motore, con tutte gli inconvenienti relativi. Scopo del presente trovato è quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota nell'ambito di una soluzione semplice e razionale, e dal costo particolarmente contenuto. Il trovato consegue questo ed altri scopi grazie ad un sistema di avviamento per motori endotermici dotati di accensione elettronica induttiva in accordo con le caratteristiche tecniche recitate nella rivendicazione indipendente 1.

Le rivendicazioni dipendenti definiscono particolari e vantaggiose forme di attuazione del trovato.

In particolare secondo il trovato il sistema di avviamento comprende una scheda elettronica, inserita ai capi dell'avvolgimento primario della bobina, ed atta a collegare una sorgente di energia a detta bobina almeno all'atto dell'accensione del motore. La scheda elettronica comprende almeno un circuito di controllo, collegato a mezzi per la rilevazione della posizione del pistone del motore ed un circuito di comando, controllato dal detto circuito di controllo, per fornire l'energia alla bobina di accensione del motore.

In una preferita forma di attuazione la sorgente di energia utilizzata dal trovato è una batteria da 12 Volt. Altre forme di attuazione del trovato prevedono diverse tipologie di sorgenti di energia in funzione delle specifiche applicazioni a cui è destinato il motore a cui devono essere associate .

Il circuito di controllo comprende mezzi per rilevare la posizione del pistone, in particolare il passaggio del pistone dal punto morto superiore. Detti mezzi sono realizzati mediante un sensore di posizione esterno, ad esempio un sensore di Hall, un microinterruttore, un sensore ottico, un sensore induttivo o capacitivo o di prossimità, oppure sono integrati nel circuito di controllo il quale rileva la variazione di flusso indotta dai magneti in rotazione direttamente dalla bobina di accensione. Il circuito di controllo comprende anche un circuito ritardatore che ha lo scopo di regolare l'anticipo dell'accensione. Tale circuito può essere alternativamente realizzato utilizzando un semplice timer, ad esempio il modello NE555 dispositivo prodotto dai principali costruttori di semiconduttori, oppure mediante un microprocessore collegato al detto sensore di posizione.

Il circuito di comando comprende un interruttore elettronico, che può essere ad esempio un transistore MOS-FET, oppure un transistore BJT, o ancora un qualunque altro interruttore elettronico adatto allo scopo, ad esempio un diodo SCR, un diodo GTO, un diodo TRIAC, oppure un transistore IGBT .

Le caratteristiche ed i pregi del trovato risulteranno evidenti dalla particolareggiata descrizione che segue, fatta con riferimento alle figure delle allegate tavole disegni che ne illustrano, a titolo puramente esemplificativo e non limitativo, due particolare e preferite forme di attuazione.

La Fig. 1 illustra lo schema circuitale di una prima forma di attuazione del trovato.

La Fig.2 illustra lo schema circuitale di una seconda forma di attuazione del trovato.

Dalla Figura 1 si rileva la bobina 1 che comprende un avvolgimento primario 2 ed un avvolgimento secondario 3.

L'avvolgimento secondario 3 è collegato alla candela 4 di accensione, invece l'avvolgimento primario 2 è collegato al sistema di accensione 5 secondo il trovato attraverso i connettori J1 e J2.

Il sistema di accensione 5 comprende una scheda elettronica 6 ed una sorgente di energia 7, atta ad alimentare in corrente l'avvolgimento primario 2 almeno al momento dell'accensione del motore su cui è installata la bobina 1. Nella forma di attuazione illustrata nel presente esempio la sorgente di energia 7 comprende una usuale batteria 70 da 12 V.

La scheda elettronica 6 comprende un circuito di alimentazione 8, un circuito di controllo 9, un circuito di comando 10, ed un circuito di spegnimento del motore 11;

Il circuito di alimentazione 8 è collegato alla sorgente di energia 7 ed è preposto ad alimentare l'energia sia all'avvolgimento primario 2 della bobina sia al circuito di controllo 9.

Il circuito di alimentazione 8 comprende un diodo DI che presenta due terminali indicati con i riferimenti VBT e VPW. Il terminale VBT è collegato al terminale J1 dell'avvolgimento primario 2, mentre il terminale VPW è collegato ad un relè 12 che ha la funzione di connettere alternativamente il terminale J2 dell'avvolgimento primario 2 al circuito di comando 10 oppure al circuito di spegnimento 11.

IL diodo DI è collegato al circuito di controllo 9 attraverso uno stadio per limitare e stabilizzare la tensione di alimentazione fornita dalla batteria 70. Detto stadio comprende un diodo ZENER DZ1 posto in parallelo alla batteria 70 ed avente scopi di protezione e limitazione di tensione con in serie una resistenza RI che ne limita la corrente. In parallelo a DZ1 è posto il condensatore CE1 che ha la funzione di livellare la tensione di alimentazione. Inoltre tra la sorgente di energia 7, ossia la batteria 70 nella forma di attuazione illustrata, ed il diodo DI, è inserito un interruttore 13 la cui chiusura è comandata dall'utente al momento di avviare il motore.

Il circuito di controllo 9 comprende un timer 14, del tipo NE 555, provvisto di un circuito di ritardo 15 composto dalle resistenze R2 ed RV1, e dal condensatore CI. Il condensatore C2 è invece condensatore di stabilizzazione il cui utilizzo è suggerito nel manuale del timer NE 555. Inoltre, il circuito di controllo comprende anche un filtro 16 composto dalla resistenza R3 e dal condensatore C3.

Si precisa che il detto circuito di ritardo 15 ed il filtro 16, illustrati nella presente forma di attuazione del trovato, sono collegati in accordo alle indicazioni riportate sul manuale di istallazione del timer NE555. Tali componenti possono anche essere diversi in funzione del modello di timer che viene utilizzato.

Il timer 14 è collegato anche a mezzi 17 atti a rilevare la posizione del pistone, che, nella forma di attuazione illustrata, comprendono un sensore 18 ad effetto hall, collegato ad un pin di ingresso, indicato con il riferimento TRG (TRIGGER) del timer 14. Un pin di uscita del timer 14, indicato con il riferimento OUT, è invece collegato al circuito di comando 10.

Il circuito di comando 10 comprende un interruttore comandato, nella fattispecie un transistore MOS-FET 19 il cui gate è collegato al pin OUT dell'timer 14 attraverso una resistenza R8 ed un condensatore CE2.

La resistenza R8 ha la funzione di limitare la corrente di carica della capacità di gate del transistore MOS-FET 19, mentre il condensatore CE3 ha la funzione di eliminare la componente continua del segnale di comando del timer con l'innesco del MOS-FET 19.

Il terminale comune 20 del condensatore CE2 e della resistenza R8 è collegato a massa attraverso un diodo D4, in parallelo al quale è inserita una resistenza R9. Il diodo D4 svolge una funzione di ricarica veloce del condensatore CE2 durante le commutazioni, e la resistenza R9 ha la funzione di riferimento a riposo del gate del MOSI.

I terminali di DRAIN e SOURCE del transistore MOS-FET 19 sono invece collegati tra loro, ed a massa, mediante un diodo ZENER TZ1, che ha la funzione di limitare il picco di tensione sul transistore MOS-FET 19.

Il circuito di spegnimento 11 comprende un interruttore 21 inserito tra i terminali J1 e J2 dell'avvolgimento primario 2. La chiusura dell'interruttore 21 impedisce la generazione della scintilla in quanto cortocircuita l'avvolgimento primario 2 della bobina. Il circuito 11 di spegnimento comprende anche il relè a commutazione 12 che la funzione di collegare selettivamente il terminale J2 dell'avvolgimento primario 2 con il circuito di spegnimento 11, oppure con il circuito di comando 10.

In dettaglio il relè 12 è costituito un deviatore 22 ed una bobina 1 di comando della posizione del deviatore 22. Come si rileva dalla Fig.l, uno dei due terminali della bobina 1 è collegato al circuito di alimentazione tramite il terminale VPW, mentre l'altro terminale è collegato a massa. In anti-parallelo alla bobina è inserito un diodo D2 di protezione .

II funzionamento del trovato prevede che all'atto dell'accensione del motore 1'utilizzatore chiuda l'interruttore 13 in modo da collegare la batteria 70 all'avvolgimento primario 2 della bobina e da alimentare la scheda elettronica 6 del trovato, e si accerti che l'interruttore 21 sia aperto. Nel caso in cui l'interruttore 21 sia realizzato mediante un pulsante monostabile, che a riposo è normalmente aperto, non è necessario alcun controllo da parte dell'operatore.

La chiusura dell'interruttore 20 provoca anche la commutazione del relè 12, e collega quindi il circuito di comando 10 all'avvolgimento primario 2.

Successivamente 1'utilizzatore avvia il motore mediante l'usuale sistema a strappo che provoca la rotazione dell'albero motore. Il sensore di hall quando rileva che il pistone è prossimo al punto morto superiore invia un segnale al pin TRG (di trigger) del TIMER 12, il quale dopo un certo intervallo di tempo, comanda la conduzione del transistore MOS-FET in modo da alimentare in corrente l'avvolgimento primario 2 della bobina. Tale corrente risulta sommata a quella indotta sull'avvolgimento secondario 3 dal passaggio dei magneti della bobina. In questo modo l'energia fornita alla candela è data dalla somma di quella generata dal passaggio dei magneti della bobina e di quella fornita dalla batteria, in modo da facilitare l'avviamento del motore. Una volta che il motore è avviato 1'utilizzatore apre l'interruttore 13 in modo da scollegare il sistema di accensione 5.

Si precisa che il sistema 5 può continuare ad alimentare energia anche dopo l'avviamento ossia durante il funzionamento del motore. In questo caso la scintilla avrà una maggiore energia con un conseguente miglioramento di rendimento del motore.

La Fig. 2 illustra una seconda forma di attuazione del trovato .

Nella descrizione della seconda forma di attuazione del trovato verranno indicati con gli stessi riferimenti numerici i componenti identici a quelli già descritti nella prima forma di attuazione del trovato.

Dalla Figura 2 si rileva la bobina 1 che comprende 1'avvolgimento primario 2 e 1'avvolgimento secondario 3.

L'avvolgimento secondario 3 è collegato alla candela 4 di accensione, invece l'avvolgimento primario 2 è collegato al sistema di accensione 30 secondo il trovato attraverso i connettori J1 e J2.

Il sistema di accensione 30 comprende una scheda elettronica 31 e la sorgente di energia 7, precedentemente descritta, atta ad alimentare in corrente l'avvolgimento primario 2 almeno al momento dell'accensione del motore su cui è installata la bobina 1.

La scheda elettronica 31 comprende un circuito di alimentazione 32, un circuito di controllo 33, un circuito di comando 34, ed un circuito di spegnimento del motore 35; Il circuito di alimentazione 32 è collegato alla sorgente di energia 7 e comprende un diodo DI che presenta due terminali indicati con i riferimenti VBT e VPW. Il terminale VBT è collegato al terminale J1 dell'avvolgimento primario 2, mentre il terminale VPW è collegato al relè 12 che ha la funzione di connettere alternativamente il terminale J2 dell'avvolgimento primario 2 al circuito di comando 34 oppure al circuito di spegnimento 35.

IL diodo DI è collegato al circuito di controllo 33 attraverso uno stadio per limitare e stabilizzare la tensione di alimentazione fornita dalla batteria 70. Detto stadio comprende un diodo ZENER DZ1 posto in parallelo alla batteria 70, ed avente in serie una resistenza RI, che limita la corrente sul diodo ZENER DZ1, ed in parallelo un condensatore CE1, che ha la funzione di livellare la tensione di alimentazione ad un valore di 12V, che è il valore di tensione fornito dalla batteria 70. In parallelo al condensatore CE1 è inserito un regolatore di tensione 36 connesso ad uno stadio di stabilizzazione comprendente il condensatore CE2 e la resistenza R14. Il regolatore di tensione regola ad un valore di 5V il valore della tensione alimentata al circuito di controllo 33.

Il circuito di controllo 33 comprende un microprocessore 38 che gestisce il funzionamento dell'intero sistema di accensione 30.

Nell'esempio illustrato il microprocessore 38 è il modello ATTinyl3 prodotto dalla società Atmel , il quale rende disponibile all'esterno i terminali di collegamento necessari al controllo del sistema.

Si precisa che nella presente trattazione con il termine microprocessore si intende un qualunque dispositivo che sia programmabile. Inoltre si precisa che al microprocessore è associata un'unità di memoria, di per sé nota, che può essere interna od esterna al microprocessore stesso, di tipo volatile per la gestione dei dati variabili e non volatile per la memorizzazione del codice di programma e dei dati da ritenere anche in assenza di alimentazione.

II terminale VDD è il terminale di alimentazione del processore, il quale è collegato a valle del regolatore di tensione 36, come si rileva dalla Fig.2.

Il terminale IGN del microprocessore 38 è collegato al circuito di comando 34, il quale comprende il transistore MOS-FET 19. In particolare il gate del transistore MOSFET-19 è collegato al terminale IGN del microprocessore attraverso una resistenza R8 che la funzione di limitare la corrente di gate. Il GATE risulta collegato al terminale di massa GND del microprocessore attraverso una resistenza RII che ha la funzione di creare una tensione di riferimento per il gate stesso. I terminali di DRAIN e SOURCE del transistore MOS-FET 19 sono collegati tra loro attraverso il diodo ZENER TZ1, che ha la funzione di limitare il picco di tensione sul transistore MOS-FET 19.

Nell'esempio illustrato i mezzi per rilevare la posizione del pistone, ossia il passaggio del pistone del motore per il punto morto superiore, sono integrati nello stesso microprocessore, il quale attraverso il terminale SNS rileva le variazioni di tensione sul terminale 39 del DRAIN del MOS-FET. Per limitare il valore di tensione rilevata dal processore tra il terminale SNS ed il terminale 39 è inserita una resistenza R110 di protezione.

Il circuito di spegnimento 35 comprende un interruttore 21 inserito tra i terminali J1 e J2 dell'avvolgimento primario 2. Il circuito 35 di spegnimento comprende anche il relè a commutazione 12 che la funzione di collegare selettivamente il terminale J2 dell'avvolgimento primario 2 con il circuito di spegnimento 35, oppure con il circuito di comando 34.

In particolare il relè 12 comprende un deviatore 22 ed una bobina 23 di comando della posizione del deviatore 22. In anti-parallelo alla bobina 23 è inserito un diodo D2 di protezione .

Come si rileva dalla Fig.2, uno dei due terminali della bobina 23 è collegato al circuito di alimentazione tramite il terminale VPW, mentre l'altro terminale è collegato al microprocessore attraverso un transistore QN1; in dettaglio il detto terminale è collegato al collettore del transistore QN1, come si rileva dalla Fig.2. La base del transistore QN1 è collegata al terminale RLE del microprocessore 38 con l'interposizione di una resistenza RIO, mentre l'emettitor è collegato a massa e al GATE attraverso una resistenza R12. La funzione del transistore QN1 è quella di controllare lo stato di eccitazione della bobina 23 in modo da comandare la pozione del deviatore 22.

II terminale STR del microprocessore 38 è collegato ad un interruttore 40, azionabile dall'utente, che comanda l'attivazione del sistema di accensione 30 secondo il trovato. Come si rileva dalla Fig.2 un terminale dell'interruttore 40 è collegato al terminale STR attraverso una resistenza R13 di protezione, mentre l'altro terminale è collegato a massa. In parallelo all'interruttore 40 è anche inserito un condensatore C4 la cui funzione è quella di antirimbalzo .

Il funzionamento della seconda forma di attuazione del trovato è sostanzialmente identico a quello descritto per la prima forma di attuazione, con le uniche differenze che la posizione del deviatore 22 è comandata dal microprocessore 38 attraverso il transistore QN1, il cui stato di interdizione o conduzione determina lo stato della bobina 23, e che la rilevazione della posizione del pistone avviene monitorando le variazioni di tensione al terminale 39 del collettore del transistore MOS-FET 19.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema per facilitare l'accensione di un motore a combustione interna provvisto di una bobina (1) di accensione di tipo induttivo comprendente un avvolgimento primario (2), collegato al circuito di spegnimento (11,35) del motore, ed un avvolgimento secondario (3) collegato alla candela di accensione (4) del motore, caratterizzato comprendere una scheda elettronica (6,31), inserita ai capi dell'avvolgimento primario (2) della bobina (1), ed atta a collegare una sorgente di energia (7,70) a detta bobina (1) almeno quando si deve avviare il motore, detta scheda elettronica (6,31)comprendendo almeno: un circuito di controllo (9,33) collegato a mezzi (17) per la rilevazione della posizione del pistone del motore ed un circuito di comando (10,34), controllato dal detto circuito di controllo(9,33), per fornire l'energia alla bobina di accensione del motore quando il pistone è in prossimità del punto morto superiore.
2. 2. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di controllo (9,33)comprende un circuito di ritardo.
3. 3. Sistema secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito di ritardo comprende un timer (14 ) .
4. 4. Sistema secondo al rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto circuito di ritardo comprende un microprocessore (38).
5. 5. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi per la rilevazione della posizione del pistone comprendono un sensore di posizione.
6. 6. Sistema secondo al rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi (17) per la rilevazione della posizione del pistone comprendono un sensore induttivo o capacitivo o di prossimità.
7. 7. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che i mezzi (17) per la rilevazione della posizione del pistone comprendono un sensore di hall (18).
8. 8. Sistema secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto sensore di posizione comprende un sensore ottico
9. 9. Sistema secondo le rivendicazioni 1 e 4, caratterizzato dal fatto che i mezzi per la rilevazione della posizione del pistone sono integrati in detto microprocessore.
10. 10. Sistema secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che i mezzi integrati in detto microprocessore rilevano la variazione di flusso indotta dai magneti in rotazione nella bobina di accensione.
11. 11. Sistema secondo al rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto circuito di comando (10,34) comprende un interruttore elettronico ed almeno un dispositivo elettromeccanico.
12. 12. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto interruttore elettronico è un interruttore MOS-FET (19).
13. 13. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto interruttore elettronico comprende un diodo SCR.
14. 14. Sistema secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che detto interruttore elettronico comprende un transistore BJT, oppure un diodo GTO, oppure un diodo TRIAC, oppure un transistore IGBT.
15. 15. Sistema secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta sorgente di energia è una batteria.