ITTO20111112A1 - Sistema, pompa e metodo per la generazione di vuoto per applicazioni nel settore degli autoveicoli - Google Patents

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ITTO20111112A1
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IT
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pump
lubricant
internal combustion
combustion engine
electric motor
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IT001112A
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Leonardo Cadeddu
Volker Leifert
Guido Zardo
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Vhit Spa
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Description

SISTEMA, POMPA E METODO PER LA GENERAZIONE DI VUOTO PER
APPLICAZIONI NEL SETTORE DEGLI AUTOVEICOLI
Settore della tecnica
La presente invenzione riguarda le pompe per vuoto, e più in particolare riguarda un sistema di generazione di vuoto per applicazioni nel settore degli autoveicoli, una pompa per vuoto utilizzabile in tale sistema e un metodo di generazione del vuoto utilizzando il sistema e la pompa.
Preferibilmente l'invenzione à ̈ destinata all'uso in autoveicoli ibridi, cioà ̈ autoveicoli con un motore a combustione interna e un motore elettrico.
Tecnica nota
Diversi organi in un autoveicolo richiedono una depressione per operare. Un esempio à ̈ l'amplificatore della forza di frenata (booster) del servofreno. Nella maggior parte dei veicoli attuali, la depressione à ̈ generata da una pompa per vuoto che, dopo che la depressione à ̈ stata generata, à ̈ azionata per compensare il consumo di vuoto da parte degli organi utilizzatori e le perdite.
Negli autoveicoli ibridi à ̈ abituale usare per questo scopo due sorgenti di vuoto indipendenti, e precisamente una pompa azionata dal motore a combustione interna ("pompa meccanica") e una pompa azionata dal motore elettrico ("pompa elettrica"). Questa soluzione permette di generare il vuoto anche quando il motore a combustione interna à ̈ spento, a prezzo però della duplicazione delle pompe e quindi di un aumento dei costi. Inoltre, le pompe meccaniche convenzionali, se progettate con caratteristiche tali da soddisfare alle esigenze di velocità di evacuazione dell'aria a bassi regimi di rotazione del motore, saranno sovradimensionate a regimi di rotazione più elevati, ciò che comporta maggior assorbimento di potenza e quindi maggiori consumi e maggior inquinamento ambientale. A loro volta, le pompe elettriche sono relativamente costose e difficili da gestire e, molto spesso, lavorano a secco, e quindi hanno minore affidabilità e minor durata.
US 2010/0230187 descrive una pompa per vuoto per un veicolo ibrido, azionata dal solo motore elettrico che, a sua volta, può essere trascinato dal motore a combustione interna. La pompa ha portata regolabile ed à ̈ associata ad un attuatore controllato dal vuoto che la disattiva quando il livello di vuoto in un accumulatore di vuoto à ̈ sufficiente. In caso di periodi prolungati di marcia intermittente con veicolo funzionante nel modo elettrico, à ̈ necessaria una pompa ausiliaria azionata da un proprio motore elettrico.
Uno scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un sistema e un metodo per la generazione di generazione del vuoto per applicazioni ad autoveicoli, e una pompa utilizzabile in tale sistema, che ovviino agli inconvenienti della tecnica nota.
Descrizione dell'Invenzione
Secondo l'invenzione, ciò à ̈ ottenuto usando una pompa per vuoto atta ad essere collegata ad un motore a combustione interna (nel seguito della descrizione chiamato "motore termico") e ad un motore elettrico, preferibilmente ad essa dedicato, e ad essere azionata indipendentemente dall’uno o dall’altro motore a seconda delle condizioni di funzionamento del motore termico e del livello di vuoto in organi di utilizzazione.
Quando il motore termico lavora a bassi regimi di rotazione, la pompa può essere azionata dal motore elettrico a velocità tale da soddisfare le esigenze di vuoto degli organi di utilizzazione. In questo modo, la cilindrata della pompa può essere ridotta, con una conseguente riduzione dell'assorbimento di potenza durante l'azionamento con il motore a combustione interna.
Secondo una caratteristica vantaggiosa dell'invenzione, il motore elettrico à ̈ atto ad essere trascinato dalla pompa e ad operare come generatore quando la pompa à ̈ trascinata dal motore a combustione interna.
Secondo un'altra caratteristica vantaggiosa dell'invenzione, il sistema à ̈ collegato al circuito di lubrificazione del motore termico in modo tale che la pompa sia lubrificata in caso di azionamento sia meccanico, da parte del motore termico, sia elettrico, da parte del motore elettrico.
L'invenzione fornisce anche una pompa per vuoto azionabile indipendentemente da un motore termico o da un motore elettrico, preferibilmente dedicato ad essa, ed associata ad un circuito di lubrificazione, atto a lubrificare la pompa con lubrificante in pressione fornito dal motore termico quando si aziona la pompa con questo, e con lubrificante aspirato dalla pompa, dalla coppa del motore quando si aziona la pompa con il motore elettrico.
In alternativa, la pompa potrebbe auto-lubrificarsi aspirando il lubrificante unicamente dalla coppa dell'olio qualunque sia il motore di azionamento.
L'invenzione fornisce anche un metodo di generazione del vuoto comprendente le operazioni di:
- prevedere una pompa per vuoto atta ad essere azionata indipendentemente da un motore a combustione interna o da un motore elettrico; e
- azionare la pompa con il motore termico se il livello di vuoto in organi di utilizzazione à ̈ sufficiente o se il motore termico funziona a velocità non inferiore ad un valore minimo;
- azionare la pompa con il motore elettrico se il livello di vuoto à ̈ insufficiente e se il motore termico à ̈ spento o funziona a velocità inferiore al valore minimo.
Breve Descrizione delle Figure
Altre caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno chiaramente dalla descrizione che segue di forme preferite di realizzazione, date a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:
- la fig. 1 Ã ̈ uno schema di principio di un sistema di generazione di vuoto secondo l'invenzione;
- la fig. 2 Ã ̈ una vista in sezione che mostra la pompa utilizzata nel sistema di fig. 1 e parte del suo circuito di lubrificazione; e
- la fig. 3 Ã ̈ un diagramma di flusso del metodo secondo l'invenzione.
Descrizione di Forme Preferite di Realizzazione
Con riferimento alle figure 1 e 2, secondo l'invenzione un sistema di pompaggio per vuoto 1 comprende una pompa per vuoto 10 che può essere azionata indipendentemente da un motore termico 11 o da un motore elettrico 12, preferibilmente un motore ad essa dedicato, per generare il vuoto in organi di utilizzazione 15. Nell'applicazione preferita dell'invenzione, il motore 11 appartiene ad un autoveicolo ibrido. Il motore elettrico 12 à ̈ destinato ad azionare la pompa quando à ̈ richiesta la generazione di vuoto e il motore termico 11 à ̈ spento o ruota a velocità insufficiente perché la pompa soddisfi le esigenze degli organi di utilizzazione 15, mentre nelle altre condizioni la pompa à ̈ azionata dal motore termico 11. La pompa 10 à ̈ inoltre collegata al circuito di lubrificazione 16 del motore 11 in modo da essere lubrificata in caso di azionamento sia meccanico sia elettrico.
Tra il motore termico 11 e la pompa à ̈ disposto un primo innesto unidirezionale 13, per esempio del tipo a ruota libera, per scollegare la pompa 10 dal motore 11 quando la pompa à ̈ azionata dal motore elettrico 12. Un secondo innesto unidirezionale a ruota libera 14 (indicato solo nello schema di fig. 1) può essere previsto tra il motore elettrico 12 e la pompa 10 per scollegare il motore elettrico 12 dalla pompa 10 mentre il motore termico 11 à ̈ in funzione.
La pompa 10 à ̈ preferibilmente una pompa volumetrica rotativa, per esempio una pompa a palette, montata sull'albero a camme o sull'albero di presa del moto del motore 11. Grazie al fatto che a bassi regimi di rotazione del motore termico 11, p. es. in caso di marcia in folle o di motore al minimo, la pompa 10 può essere azionata dal motore elettrico 12, la pompa 10 può avere cilindrata ridotta rispetto alle convenzionali pompe meccaniche per vuoto usate per le stesse applicazioni. Per esempio, la pompa 10 può avere una cilindrata di circa 50-60 cm<3>, cioà ̈ sostanzialmente 1/6 della cilindrata delle pompe convenzionali dimensionate per operare a velocità ridotta, tipicamente 300 - 400 giri/minuto, mentre il motore elettrico opererà a circa 2500 giri/minuto, garantendo quindi la necessaria capacità di svuotamento nonostante la cilindrata ridotta della pompa 10.
L'asse del rotore 20 della pompa 10 può coincidere con gli assi degli alberi che gli trasmettono il moto del motore termico 11 o del motore elettrico 12, come si vede in fig.
2. In alternativa esso può essere parallelo ad almeno uno di tali assi. E' anche possibile un orientamento dell'albero del motore elettrico 12 perpendicolare all'asse del rotore della pompa. Ovviamente, se gli assi non sono coincidenti, saranno necessari opportuni mezzi di trasmissione del moto dagli alberi di azionamento all'albero del rotore.
Il motore elettrico 12 à ̈ tipicamente un motore a corrente continua, per esempio un motore commutato elettronicamente, e può anche essere utilizzato come generatore quando la pompa 10 à ̈ azionata dal motore termico 11. Quando l'uso come generatore non à ̈ desiderato, per esempio nel caso di motori elettrici con spazzole con vita relativamente corta, sarà prevista la seconda frizione unidirezionale 14 detta sopra.
Un aspetto importante dell'invenzione à ̈ dato dalla lubrificazione della pompa 10. Il circuito di lubrificazione 16 (di cui in fig. 2 si vede la parte che porta l'olio alla pompa 10) opera in due modi diversi, a seconda che il veicolo sia azionato dal motore termico 11 o da quello elettrico 12. Nel primo caso, il circuito opera come nel caso di una pompa a trascinamento meccanico convenzionale e la pompa 10 riceve l'olio in pressione dal motore termico 11 attraverso un primo condotto d'ingresso 21, associato a una prima valvola di controllo unidirezionale (valvola di non ritorno) 23 che si apre ad una pressione uguale o superiore ad una prima soglia, per esempio 0,3 bar. Nel secondo caso, la pompa 10 aspira l'olio direttamente dalla coppa dell'olio attraverso un secondo condotto d'ingresso 22, associato a una seconda valvola di non ritorno 25 che si apre ad una pressione inferiore o uguale ad una seconda soglia, inferiore alla prima, per esempio 0,1 bar.
La valvola 23 lascia passare l'olio in pressione verso un condotto o foro 24 formato nel rotore 20 e comunicante con la camera 30 della pompa 10. La miscela aria-olio che si forma nella camera 30 à ̈ poi scaricata verso il motore 11. Per semplicità di disegno, lo scarico non à ̈ rappresentato.
La valvola 25 lascia passare l'olio aspirato verso un condotto 26 che sbocca nella camera 27 della valvola 23 e di qui verso il condotto 24. L'olio contenuto nella miscela aria-olio che si forma nella camera 30 Ã ̈ poi separato dall'aria attraverso il convenzionale separatore dell'olio motore (non rappresentato) e rimandato al circuito di lubrificazione 16.
Si noterà che, quando la valvola 23 à ̈ aperta, la valvola di non ritorno 25 impedisce il passaggio dell'olio proveniente dall'ingresso 21 verso l'ingresso 22 e, viceversa, quando à ̈ aperta la valvola 25, la valvola di non ritorno 23 impedisce il passaggio dell'olio dal condotto 26 verso l'ingresso 21.
Grazie alla presenza del secondo condotto d'ingresso 22, à ̈ possibile la lubrificazione della pompa anche in caso di un'avaria del motore elettrico 12 e a bassi regimi del motore termico 11; in questo caso, la pompa 10 opererà con una portata e quindi un livello di vuoto ridotti.
La fig. 3 mostra un diagramma di flusso del metodo secondo l'invenzione. Ovviamente, la pompa opera quando il veicolo à ̈ in uso (passo 100). Quando vi à ̈ una richiesta di vuoto al sistema in depressione (passo 101), le modalità di azionamento della pompa dipendono dall'esito del controllo sul livello di vuoto nel sistema in depressione (passo 102).
Se il livello di vuoto à ̈ sufficiente (uscita Y del passo 102)., la richiesta à ̈ soddisfatta (passo 103). In più, se il veicolo à ̈ in frenata (uscita Y del passo 104), il motore elettrico 12 può essere utilizzato come generatore per recupero dell’energia (passo 105). Il funzionamento riprende poi dal passo 100, a cui si ritorna anche se il veicolo non à ̈ in frenata (uscita NO del passo 104).
Se il livello di vuoto à ̈ insufficiente (uscita NO del passo 102), i passi successivi dipendono dallo stato del motore termico 11. Se questo à ̈ spento (uscita Y del passo 106) la pompa à ̈ azionata dal motore elettrico 12 (passo 107). Se il motore termico 11 à ̈ acceso (uscita NO del passo 106), si controlla ancora (passo 108) se esso opera ad una velocità superiore ad una certa velocità minima (p.es. 1500 giri/minuto). In caso affermativo (uscita Y del passo 108) la pompa à ̈ trascinata dal motore termico (passo109), mentre in caso negativo (uscita NO del passo 108) si va nuovamente al passo 107. Dai passi 107 e 109 si ritorna poi al passo 100.
L'invenzione risolve effettivamente i problemi della tecnica nota. La struttura à ̈ più semplice, e quindi meno costosa, perché si ha un'unica pompa azionata dall'uno o dall'altro dei due motori secondo il livello di vuoto negli organi di utilizzazione r le condizioni di funzionamento del motore termico. Inoltre, si può usare una pompa di cilindrata molto inferiore a quelle abituali, riducendo così l'assorbimento di potenza e quindi i consumi durante l'azionamento meccanico.
Si noti che nella condizione di regime (passi 100 - 105) l'azionamento della pompa 10 non sarebbe necessario. Tuttavia, come si à ̈ detto, data la ridotta cilindrata, l'assorbimento di potenza durante il trascinamento meccanico à ̈ molto ridotto e non à ̈ quindi necessario ricorrere a pompe scollegabili dal motore durante i periodi in cui il loro funzionamento non à ̈ richiesto, che sono molto più complicate e perciò più costose.
E' evidente che quanto descritto à ̈ dato unicamente a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche sono possibili senza uscire dal campo di protezione dell'invenzione. Così, per esempio, anche se si à ̈ fatto riferimento ad un sistema di generazione del vuoto per un autoveicolo ibrido, l'invenzione può essere ovviamente utilizzata anche in autoveicoli convenzionali con il solo motore a combustione interna.
Inoltre, anche se si à ̈ illustrato un sistema di pompaggio in cui la lubrificazione può utilizzare olio in pressione fornito dal motore termico o l'olio aspirato direttamente dalla coppa dell'olio, la pompa potrebbe auto-lubrificarsi, aspirando l'olio dalla coppa in qualsiasi condizione di funzionamento. In queste condizioni, il condotto 21, la valvola 23 e, preferibilmente, la valvola 25 saranno assenti.

Claims (11)

  1. Rivendicazioni 1. Sistema di generazione di vuoto, in particolare per applicazioni ad autoveicoli, comprendente una pompa per vuoto (10) e un motore elettrico (12) atto ad azionare la pompa, caratterizzato dal fatto che la pompa per vuoto (10) Ã ̈ atta ad essere collegata anche a un motore a combustione interna (11) dell'autoveicolo e ad essere azionata indipendentemente dall'uno o dall'altro motore (11, 12) a seconda delle condizioni di vuoto in organi di utilizzazione (15) e delle condizioni di funzionamento del motore a combustione interna (11).
  2. 2. Sistema secondo la riv. 1, in cui il motore a combustione interna (11) Ã ̈ un motore di un autoveicolo ibrido e il motore elettrico (12) Ã ̈ un motore dedicato alla pompa (10).
  3. 3. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui tra il motore a combustione interna (11) e la pompa (10) sono previsti primi mezzi di accoppiamento unidirezionale (13) atti a scollegare la pompa (10) dal motore a combustione interna (11) quando la pompa à ̈ azionata dal motore elettrico (12).
  4. 4. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il motore elettrico (12) à ̈ atto ad essere azionato dalla pompa (10) come generatore quando la pompa à ̈ azionata dal motore a combustione interna (11).
  5. 5. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui tra il motore elettrico (12) e la pompa (10) sono previsti secondi mezzi di accoppiamento unidirezionale (14) atti a scollegare la pompa (10) dal motore elettrico (12) quando la pompa à ̈ azionata dal motore a combustione interna (11).
  6. 6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui à ̈ previsto un circuito di lubrificazione (16) della pompa (10), comprendente: - un ingresso di lubrificante (22), atto a ricevere lubrificante aspirato da un serbatoio; oppure: - un primo ingresso di lubrificante (21), atto a ricevere lubrificante in pressione dal motore a combustione interna (11) ed associato ad una prima valvola di controllo (23) atta a lasciar passare il lubrificante verso la pompa (10) quando la pressione del lubrificante à ̈ almeno uguale ad un primo valore prefissato; e - un secondo ingresso di lubrificante (22), atto a ricevere lubrificante aspirato dal serbatoio ed associato ad una seconda valvola di controllo (25) atta a lasciar passare il lubrificante verso la pompa (10) quando la pressione del lubrificante non supera un secondo valore prefissato, inferiore al primo;
  7. 7. Pompa per vuoto, in particolare per applicazioni ad autoveicoli, caratterizzata dal fatto di essere azionabile indipendentemente da un motore a combustione interna (11) o da un motore elettrico (12) e di presentare un sistema di lubrificazione comprendente: - un primo ingresso di lubrificante (21) per ricevere lubrificante in pressione fornito dal motore a combustione interna (11); - una prima valvola di controllo (23) associata al primo ingresso di lubrificante (21) e atta a lasciar passare il lubrificante alla pompa (10) quando la pressione del lubrificante à ̈ almeno uguale ad un primo valore prefissato; - un secondo ingresso di lubrificante (22) per ricevere lubrificante aspirato dalla pompa (10) da un serbatoio; e - una seconda valvola di controllo (25) associata al secondo ingresso di lubrificante (23) e atta a lasciar passare il lubrificante alla pompa (10) quando la pressione del lubrificante non supera un secondo valore prefissato, inferiore al primo.
  8. 8. Pompa secondo la riv.7, in cui il motore elettrico (12) Ã ̈ un motore dedicato alla pompa (10).
  9. 9. Metodo di generazione di vuoto in organi di un autoveicolo, caratterizzato dal fatto di comprendere le operazioni di: - prevedere una pompa per vuoto (10) atta ad essere azionata indipendentemente da un motore a combustione interna (11) o da un motore elettrico (12); - controllare (102, 106, 108) il livello del vuoto in organi di utilizzazione (15) e le condizioni di funzionamento del motore a combustione interna (11); - azionare la pompa con il motore a combustione interna (103, 109) se il livello di vuoto à ̈ sufficiente o se il motore a combustione interna (11) funziona a velocità non inferiore ad un valore minimo; - azionare la pompa con il motore elettrico (107) se il livello di vuoto à ̈ insufficiente (108, 109) e se il motore a combustione interna à ̈ spento o funziona a velocità inferiore al valore minimo.
  10. 10. Metodo secondo la riv.9, comprendente l'operazione (105) di far funzionare il motore elettrico come generatore quando il veicolo à ̈ in frenata (104) e si aziona la pompa (10) con il motore a combustione interna (11).
  11. 11. Metodo secondo la riv. 9 o 10, comprendente le operazioni di lubrificare la pompa: - con lubrificante aspirato dalla pompa (10) da un serbatoio, oppure - con lubrificante in pressione fornito dal motore a combustione interna (11), quando si aziona la pompa (10) con il motore a combustione interna, e con lubrificante aspirato dalla pompa (10) dal serbatoio, quando si aziona la pompa con il motore elettrico (12).
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