ITTP970006A1 - Sistema integrato di conversione di un moto alternato in un moto rotatorio applicato nei motori a combustione interna - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione Industriale dal titolo: SISTEMA INTEGRATO DI CONVERSIONE DI UN MOTO ALTERNATO IN MOTO ROTATORIO

L' idea scaturisce dalla necessita' di ottimizzare il processo di trasformazione di un moto alterno, come nel caso di un motore a scoppio, in una coppia motrice che abbia un rendimento migliore rispetto a quelli attuali.

Nella fattispecie l'applicazione vede l'abbinamento di due alberi di conversione di moto e cioè' uno detto tangenziale ed un altro a gomiti.

Il primo albero ( vedi fig. 1 e 1 -a ) è azionato da una cremagliera fissata, possibilmente a fusione, alla base del pistone il quale durante il movimento di espansione riversa la propria azione vettoriale sull'albero tangenziale che è quello che in effetti produce la conversione del moto.

Il secondo albero (albero a gomiti) che è collegato all'albero tangenziale tramite un ingranaggio collettore, ha lo scopo di far risalire il pistone dopo che questo ha raggiunto il P.M.I. (Punto Morto Inferiore) e quindi far iniziare un nuovo ciclo.

La base del pistone presenta un gambo centrale costituito dalla cremagliera di spinta e da due occhi di biella a cui vengono collocati i due bracci o biellette fissati a sua volta nell'asse a gomiti come nei normali motori a scoppio (Fig.2) L’ ALBERO TANGENZIALE.

Esso è costituito da una trave in acciaio fissato sul basamento del motore tramite cuscinetti da banco ed avente una dislocazione tangenziale rispetto al movimento dell'asse del pistone (vedi fig. 3).

Ad esso sono fissate delle ruote dentate con moviemento a rocchetto ( (presa unidirezionale) predisposte lungo l'asse di movimento del pistone.

Alla fase di espansione corrisponde l'azione di trazione della ruota dentata mentre nella fase di risalita del pistone ne segue una azione a vuoto sulla medesima.

Questo fa si che l’albero tangenziale abbia un senso di rotazione unilaterale. L'asse dell'albero tangenziale è spostato rispetto alla verticale del pistone per una distanza almeno equivalente al raggio della ruota unidirezionale di spinta. Il raggio varia a secondo del tipo di motore che si vuole realizzare, in base alla potenza , alla corsa del pistone ecc..

Le estremità' dell'albero tangenziale sono collegate, tramite un ingranaggio collettore, all'albero a gomiti, questo per sincronizzare il moto dei due alberi e consentire, quindi, il movimento di risalita del pistone.

L ALBERO A GOMITI.

Esso è quello tradizionale dei motori in uso.

Può' avere una sezione piu' piccola a parità' di potenza di altri motori in quanto non va a sopportare il carico diretto dei pistoni , ma assolve una funzione prevalentemente inerziale.

L'equilibratura risulta piu' semplice in quanto è direttamente proporzionale ai carichi agenti.

Ad esso spetta egualmente la funzione di distribuzione per l'apertura e chisura delle valvole tramite L'albero a camme a cui è collegato tramite la catena di distribuzione.

Anche le bielle sono di sezione ridotta sia perchè sono doppie per ogni pistone sia per il ridotto carico ad esse applicato.

L'INGRANAGGIO COLLETTORE.

Poiché i movimenti dei due alberi sono indipendenti - uno segue un movimento angolare costante, supponendo una F1 costante (Albero Tangenziale), mentre l'altro (Albero a gomiti ) ha un andamento sinusoidale - si rende necessari vincolare i due movimenti per far si che l'albero tangenziale non abbia un movimento in folle.

Tale sincronizzazione si può realizzare con sistemi elettronici mediante controllo del numero di giri dei due alberi o mediante sistema meccanico a ruota collettrice come appresso specificato:

Essa non è altro che una ruota libera calettata sull'asse terminale dell'albero a gomiti mentre la corona esterna è accoppiata con l'ingranaggio tangenziale come da fig. 4 .

La corona interna segue il movimento dell'albero a gomiti (andamento sinusoidale) mentre la corona esterna segue un andamento lineare ( Ved. fig.5). E' importante che il moto sinusoidale della coppia biella-manovella sia in anticipo rispetto al moto dell'ingranaggio tangenziale , questo per non creare forze di tensione sulle bielle e asincronismi come meglio specificate nelle caratteristiche tecniche in seguto riportate.

CARATTERISTICHE TECNICHE

Come detto in premessa il progetto è rivolto ad ottimizzare la conversione del moto alternato del pistone in un moto rotatorio abbinando all' albero a gomiti tradizionale un albero tangenziale che assume il compito di albero motore sottraendo carichi agenti sul primo albero.

Analizzando il manovellismo nei comuni motori a scoppio osserviamo che la forza motrice è data da una forza risultante Ft generante un momento motore di dimensione Ft x r dove r è il raggio della manovella (vedi Fig.6).

Dall'analisi del grafico osserviamo che nella manovella è agente una Ft generata da una Forza di espansione F, agente sul pistone, riferita ad ogni inclinazione della biella e della manovella.

Questa quindi varia in funzione degli angoli alfa e beta.

Da calcoli trigonometrici possiamo mettere in relazione la F con la Ft e cioè':

Dal grafico in esame si ha:

semplificando si ha :

Da questa formula si può ricavare la Ft per ogni angolo di manovella e quindi il momento Mt generante la coppia motrice .

Il grafico di questa funzione è una parabola la cui coppia motrice è massima in un intervallo compreso tra i 70 e 110 gradi di rotazione.

Con l'applicazione del motore tangenziale la coppia motrice agente viene ad essere direttamente proporzionele alla forza di espansione del pistone senza essere vincolata ai vari angoli di manovella.

Il moto sinusoidale dell'asse a gomiti ha un ruolo prettamente inerziale in quanto non è interessata alla formazione della coppia motrice.

Anche la Fn - forza normale al moto del pistone - è molto ridotta in quanto la massa opponente e solo quella del pistone e delle biellette e non coinvolge l'intera trasmissione.

In questo progetto non ci si vuole addentrare nei calcoli di abbattimento della Fn , che è la principale causa di usura dei cilindri, ma approssivamente si può' dire che si riduce di un 80 per cento.

Bisogna tuttavia ricordate che sull'albero tangenziale insiste una forza radiale, proporzionale alle accelerazioni del pistone, agente sull'asse del medesimo, che ha una correlazione con i profili dei denti della cremagliera e della ruota tangenziale ma che comunque rimane piu' piccola rispetto alla forza radiale generata nei comuni motori.

L'ingranaggio Collettore è parte integrante del medesimo progetto ed ha il preciso scopo di sincronizzare il moto dei due alberi.

Come si è detto in premessa il moto tangenziale da solo possiede un moto in folle dovuto alla unidirezionalità delle ruote tangenziali (Ruote a rocchetto). Per vincolare tale moto a quello dell'albero a gomiti è necessario interporre un meccanismo atto avincolare i due movimenti.

Meccanicamente il sistema è composto da una ruota anchessa unidirezionale calettata sull'asse esterno dell'albero a gomiti (Fig.4) avente la corona interna dotata di un moto sinusoidale, conferito dalla biella, mentre la corona esterna, libera nel moto opposto a quello della corona interna, è collegata tramite dentatura con la ruota motrice dell'albero tangenziale.

In questo modo il moto tangenziale non può' oltrepassare in termini di velocità angolare il moto dell'albero a gomiti.

Questo vincolo si rende necessario per diversi motivi come ad esempio impedire il moto libero delle ruote in discesa ecc.

Meccanicamente è necessario che il moto sinusoidale della corona interna dell'ingranaggio collettore abbia un movimento anticipato rispetto al moto dell'ingranaggio tangenziale, questo per non creare tensioni di sforzo a carico delle bielle.

Tecnicamente questa condizione si può' stabilire graficamente tracciando una linea tangenziale esterna alla sinusoide di biella e in base a questa calcolare i diametri dell'ingranaggi tangenziali e collettore portandoli ad un rapporto tale da verificare le condizioni limite del grafico (Fig.5).

In linea di massima il rapporto tra i due ingranaggi equivale alla seguente relazione:

VANTAGGI E SVANTAGGI

Uno dei vantaggi dell'introduzione del sistema tangenziale di conversione di moto è rappresentato dalla diretta disponibilità della P.esp. (pressione di espanzione) sull'albero motore, sensa passare dalla scomposizione angolare dovuta al biellismo.

Questo si traduce in un abbattimento della Fn (forza normale agente sul pistone) che è causa di atrito tra pistone e cilindro salvaguardando, nel tempo, l'usura degli anelli di tenuta.

Il sistema in oggeto oltre a presentare dei vantaggi inerente al rendimento meccanico di riflesso interviene sulle caratteristiche del ciclo termodinamico associato al motore che come sappiamo dipende da diversi fattori chimicofisici oltre che meccanici come il tempo di apertura delle valvole, il rapporto di compressione, il numero di giri ecc.ecc.

Questi parametri nella pratica entrano spesso in conflitto tra di loro e nella scelta delle condizioni ottimali di funzionamento si devono trovare dei compromessi tra i diversi valori al fine di rendere piu' profiquo il processo. Nella fattispecie l'introduzione del motore tangenziale comporterà in parte al riproporzionamento di tali parametri in funzione di quelle variabili dipendenti dalla presenza dei cosidetti punti morti del ciclo meccanico.

Per esempio la fase di espansione, che attualmente nei motori a scoppio si aggira intorno ai 110 gradi di rotazione assiale, può' essere aumentata in virtù' del fatto che il lavoro termodinamico di espansione, nel motore tangenziale, è disponibile per tutti i 180 gradi (intera corsa) e quindi non correlato con gli angoli di manovella.

Un altro vantaggio, sempre correlato al ciclo termodinamico, è costituito dalla possibilità di utilizzare rapporti di compressione piu' alti in funzione del fatto che si ha una minore deformazioni degli anelli degli stantuffi oltre che i carichi agenti sui cuscinetti di biella che sull'albero a gomiti sono molto ridotti.

Con l'introduzione dell'albero tangenziale potrà essere abbolito il volano in quanto l’albero stesso andrà ad esplicare tale funzione essendo dotato di energia inerziale al pari del volano.

Questo in termine di peso equivarrà a compensare la presenza nel motore del'albero tangenziale.

Gli svantaggi sono costituiti da un aumento delle forze alterne determinato da un aumento della massa del pistone a causa della cremagliera, di cui ne è parte integrante, oltre le corone esterne delle ruote unidirezionali dell'albero tangenziale le quali anchesse hanno un moto alterno.

Queste forze pur non influenti sul rendimento del motore (lavoro utile) assumono rilevanza ad alti regimi di rotazione poiché producono vibrazioni sul blocco motore.

Il problema è piu' evidente nei monocilindri e nei bicilindrici dove occorre ricorrere ad una contrappesatura dell'albero a gomiti a causa di formazioni di coppie irregolari ma trova un buon bilanciamento invece nei motori a quattro e sei cilindri a causa della loro contrapposizione di coppia.

CONCLUSIONI

Caratteristica essenziale del progetto in esame è quello di abbattere il carico di trazione sull'albero a gomiti trasferendolo per intero sull'albero tangenziale che assume in toto la funzione di albero motore con le caratteristiche fisiche e meccaniche già espresse nella presente trattazione.

Le soluzioni tecniche proposte, dal punto di vista generale, assolvono bene al raggiungimento di tale scopo.

Non si è voluto dare nella descrizione del sistema di conversione un impostazione progettuale specifica in quanto ogni motore ha un suo " Progetto Caratteristico" e, quindi, sarebbe stato dispendioso inserire specifiche relazioni tecniche e calcoli che esulano da questa trattazione.

In ogni caso ho ritenuto salvare l'idea fin qui enunciata.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Le rivendicazioni in oggetto riguardano l'intero sistema di conversione di moto con tutti i componenti tecnici e meccanici in esso incluse. Secondo una valutazione personale non si può' scindere un singolo elemento a cui attribuire una singola rivendicazione. Il tutto è inserito in un idea che vede la sintonia di vari fattori per il raggiungimento dello scopo prefissato. In ogni caso il sottoscritto si atterrà alla valutazione della commissione esaminatrice per quanto concerne le rivendicazioni specifiche relative al sistema in oggetto. Si tiene precisare che in fase di realizzazione potranno essere apportate delle modifiche ad alcuni componemti del sistema di conversione, modifiche piu' che altro di tipo meccanico che solo in fase di progettazione potranno essere rilevati e quindi modificati. In questa fase non ho ritenuto fare delle delle valutazioni tecniche e costruttive in merito agli elementi innovativi come l'albero tangenziale, l'ingranaggio collettore, il tipo di cremagliera del gambo del pistone, i tipi di cuscinetti da adottare ecc. ecc. ma mi sono limitato a defire la funzione anche perchè sarebbe stato impossibile ampliare anche questo aspetto in questa fase.