ITTV20110114A1 - Dispositivo regolatore per un flusso di gas - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale avente per titolo: “Dispositivo regolatore per un flusso di gasâ€

Forma oggetto della presente invenzione un dispositivo regolatore per un flusso di gas. In particolare un dispositivo adatto ad essere applicato ai condotti di aspirazione e/o di scarico di un motore a combustione interna, al fine di regolare il flusso di gas ivi compreso.

Solitamente i tecnici motoristici, dopo aver studiato la conformazione di un motore, ne studiano le caratteristiche e le prestazioni nelle cosiddette prove al banco. I motori vengono cioà ̈ provati senza vincoli per quanto riguarda gli spazi e la conformazione dei condotti di aspirazione e di scarico. In tali prove si ottengono tipicamente riscontri di coppia e potenza massima estremamente favorevoli, che però sono poi difficilmente ottenibili nell'installazione definitiva che il motore assumerà durante la sua vita operativa. Considerando ad esempio un motore destinato ad essere installato a bordo di una vettura, la posizione del motore stesso nonché la geometria dei condotti di aspirazione e di scarico à ̈ di solito fortemente vincolata dalla forma della carrozzeria e dalla presenza degli altri organi della vettura.

Queste considerazioni, tipiche per i mezzi stradali e industriali, valgono anche per i motori destinati ad usi agricoli, marini, per la produzione di potenza o in qualsiasi altra applicazione.

Le difficoltà riportate sopra nell'applicare un propulsore nel suo contesto operativo, mettono i progettisti nella condizione di dover scegliere per i condotti di aspirazione e scarico delle soluzioni che spesse volte sono di compromesso, causando nel motore una cospicua perdita di potenza e di coppia motrice rispetto a quelle riscontrate nelle prove al banco.

Ogni motore a combustione interna, che sia a 2 o a 4 tempi, a ciclo Otto (tipicamente alimentato a benzina, GPL o metano) o a ciclo Diesel (tipicamente alimentato a gasolio), ha dei condotti per l'aspirazione e per lo scarico. Questi condotti, per garantire un buon rendimento del motore, dovrebbero avere conformazioni regolari e senza curve o strozzature che frenino la velocità del flusso di gas al loro interno. Inoltre, nei motori pluricilindrici, i condotti dovrebbero avere lunghezze uguali per ciascuno dei cilindri.

Questa conformazione ideale consentirebbe un perfetto ed uniforme riempimento della camera di scoppio nella fase di aspirazione (lavaggio nel motore a 2 tempi) e, successivamente, un’evacuazione rapida dei gas di scarico dopo la fase di scoppio.

Durante le quattro fasi del ciclo termico, aspirazione, compressione, scoppio e scarico (siano esse ottenute in 1 o in 2 giri del manovellismo) si generano delle onde di pressione (o pulsazioni) nei gas in entrata ed in uscita, regolate dalla posizione della valvola a farfalla (se presente), dall'apertura e dalla chiusura delle valvole di aspirazione e di scarico nei motori a 4 tempi, dall'apertura e dalla chiusura delle luci di aspirazione e di scarico nei motori a 2 tempi.

Queste onde di pressione seguono un moto a spirale disordinato molto condizionato dalla lunghezza complessiva dei condotti, dalle differenti lunghezze dei singoli condotti, dalla loro conformazione e dallo stato di usura del motore.

Le onde di pressione nei gas in movimento determinano sollecitazioni periodiche con frequenze spesso pericolose. Queste sollecitazioni devono essere accordate per poter equilibrare il motore nel suo funzionamento, riducendo così le sollecitazioni alle frequenze di risonanza che implicano disagi in termini di rumore e, soprattutto, in termini di entità delle sollecitazioni meccaniche trasmesse alla struttura degli organi del motore. A titolo di esempio, si consideri che nelle attuali vetture di formula 1, dopo anni di ricerche, i tecnici hanno scoperto che la maggior parte dei cedimenti strutturali nei motori da competizione era dovuta a questi fenomeni di risonanza. La soluzione attualmente impiegata à ̈ quella di †̃accordare’ le frequenze dei gas in movimento nell'aspirazione e nello scarico, sfruttando tipicamente l'aerodinamica delle vetture.

La domanda di brevetto internazionale pubblicata con il numero WO 86/01857 descrive un dispositivo simile a quello riportato nel preambolo della rivendicazione 1.

Lo scopo della presente invenzione à ̈ pertanto quello di rendere disponibile un dispositivo regolatore adatto a costituire una soluzione almeno parziale per gli inconvenienti segnalati con riferimento alla tecnica nota.

In particolare, un compito della presente invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un dispositivo regolatore che costituisca una soluzione facile, economica e di facile applicazione a tutti i motori a combustione interna. Inoltre, un altro compito della presente invenzione à ̈ quello di rendere disponibile un dispositivo regolatore che possa essere applicato ai motori in modo da accelerare e regolare i flussi di gas in ingresso lungo i condotti di aspirazione e/o in uscita lungo i condotti di scarico, per aumentare le prestazioni, ridurre i consumi e le emissioni nocive dei motori stessi.

Tale scopo e tali compiti vengono raggiunti mediante un dispositivo regolatore secondo la rivendicazione 1.

Per meglio comprendere l’invenzione e apprezzarne i vantaggi, vengono di seguito descritte alcune sue forme di realizzazione esemplificative e non limitative, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui:

la figura 1 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Otto aspirato sul quale sono montati due dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 2 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Otto turbocompresso sul quale sono montati due dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 3 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Diesel aspirato sul quale sono montati due dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 4 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Diesel turbompresso sul quale sono montati due dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 5 rappresenta una vista schematica in prospettiva di un dispositivo regolatore secondo l’invenzione;

la figura 5a rappresenta una vista schematica in prospettiva di una seconda forma di realizzazione del dispositivo regolatore secondo l’invenzione;

la figura 6 rappresenta una vista schematica in prospettiva dell’esploso di una forma di realizzazione del dispositivo regolatore secondo l’invenzione; la figura 7 rappresenta una vista schematica in prospettiva dell’esploso di un’altra forma di realizzazione del dispositivo regolatore secondo l’invenzione;

la figura 8 rappresenta una vista schematica in prospettiva dell’esploso di una ulteriore forma di realizzazione del dispositivo regolatore secondo l’invenzione;

la figura 9 rappresenta una vista schematica in pianta del dispositivo regolatore di figura 5 sezionato lungo la traccia IX-IX;

la figura 9a rappresenta una vista schematica in pianta del dispositivo regolatore di figura 5a sezionato lungo la traccia IXa-IXa;

la figura 9b rappresenta una vista schematica in pianta simile a quella di figura 9b di un'altra forma di realizzazione del dispositivo regolatore;

le figure da 10 a 13 rappresentano altrettante viste schematiche in pianta simili a quella di figura 9 di altre forme di realizzazione del dispositivo regolatore;

la figura 14 rappresenta una vista schematica in pianta dei flussi di gas e termici in un dispositivo regolatore secondo l’invenzione;

la figura 15 rappresenta una vista schematica in pianta dei flussi di gas e termici in una seconda forma di realizzazione del dispostivo regolatore secondo l’invenzione;

la figura 16 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Otto aspirato sul quale sono montati tre dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 17 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Otto turbocompresso sul quale sono montati tre dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 18 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Diesel aspirato sul quale sono montati quattro dispositivi regolatori secondo l’invenzione;

la figura 19 rappresenta una vista schematica laterale di un motore di tipo noto a ciclo Diesel turbompresso sul quale sono montati quattro dispositivi regolatori secondo l’invenzione.

Nelle allegate figure da 1 a 4 e da 16 a 19, con il riferimento 20 à ̈ indicato nel suo complesso un motore a combustione interna. L’invenzione riguarda un dispositivo regolatore 30 adatto ad essere utilizzato su un condotto di aspirazione 21 o su un condotto di scarico 22 del motore a combustione interna 20.

Il dispositivo regolatore 30, che definisce un canale 300 avente un’asse X, comprende:

- un connettore 31 adatto a collegare il dispositivo regolatore 30 ad un ramo di uscita del condotto 21 o 22;

- un raccordo 32 adatto a determinare la transizione della sezione del canale 300 da circolare a quadrilatera;

- una camera centrale 33 a sezione quadrilatera comprendente una piastra piana inferiore 330, una piastra piana superiore 331 e pareti laterali 332 sagomate in modo da definire un divergente 333 e un convergente 334; - un raccordo 34 adatto a determinare la transizione della sezione del canale 300 da quadrilatera a circolare; e

- un connettore 35 adatto a collegare il dispositivo regolatore 30 ad un ramo di ingresso del condotto 21 o 22.

La camera centrale 33 del dispositivo regolatore 30 comprende inoltre una pluralità di lamelle 40 che si estendono tra le piastre piane 330 e 331. Un paio di lamelle piane 41 e 42 sono disposte nel divergente 333 e un paio di lamelle curve 43 e 44 si estendono dal divergente 333 al convergente 334. Il dispositivo regolatore 30 secondo l’invenzione à ̈ destinato ad essere montato con un orientamento specifico lungo i condotti, in modo che il flusso di gas lo attraversi nel senso evidenziato nei disegni con le frecce piene. Qui e nella descrizione che segue, i concetti di †̃ingresso’ e †̃uscita’ e simili, i concetti di †̃divergente’ e †̃convergente’, così come i concetti di †̃a monte’ e †̃a valle’ sono intesi con riferimento al flusso di gas correttamente orientato.

In accordo con alcune forme di realizzazione dell’invenzione le lamelle 40 sono perpendicolari alle piastre piane 330 e 331.

In accordo con alcune forme di realizzazione dell’invenzione, ad esempio quelle delle figure 6, 9, 9a, 9b, 10, 14 e 15 le lamelle piane 41 e 42 sono distanziate in direzione assiale dalle lamelle curve 43 e 44. In accordo con altre forme di realizzazione dell’invenzione, ad esempio quelle delle figure 7, 8 e da 11 a 13, le lamelle piane 41 e 42 sono strutturalmente unite alle lamelle curve 43 e 44.

In accordo con alcune forme di realizzazione dell’invenzione, ad esempio quelle delle figure da 6 a 10 e 12, le lamelle piane 41 e 42 sono parallele all’asse X. In accordo con altre forme di realizzazione dell’invenzione, ad esempio quelle delle figure 11 e 13, le lamelle piane 41 e 42 non sono parallele all’asse X e, preferibilmente, hanno un andamento divergente. In accordo con le forme di realizzazione dell’invenzione illustrate nelle figure allegate, le lamelle curve 43 e 44 sono disposte in modo da assumere un andamento divergente-convergente.

In accordo con la forma di realizzazione dell’invenzione illustrata nelle figure 5a, 9a e 9b un paio di lamelle curve secondarie 45 e 46 può essere disposto nel convergente 334, le lamelle curve secondarie 45 e 46 essendo distanziate in direzione assiale dalle lamelle curve 43 e 44. Le lamelle curve secondarie 45 e 46 sono disposte anch’esse in modo da assumere un andamento divergente-convergente.

In accordo con le forme di realizzazione dell’invenzione illustrate nelle figure allegate, le pareti laterali 332 hanno andamento piano nel tratto in cui definiscono il divergente 333. Preferibilmente le pareti laterali 332 definiscono rispetto all’asse X un angolo che rimane costante lungo tutto il divergente 333.

In accordo con le forme di realizzazione dell’invenzione illustrate nelle figure allegate, le pareti laterali 332 comprendono uno spigolo nel punto in cui definiscono la transizione tra il divergente 333 e il convergente 334. In accordo con le forme di realizzazione dell’invenzione illustrate nelle figure allegate, le pareti laterali 332 hanno andamento piano nel tratto in cui definiscono il convergente 334. Preferibilmente le pareti laterali 332 definiscono rispetto all’asse X due differenti angoli lungo il convergente 334. Preferibilmente le pareti laterali 332 comprendono uno spigolo nel punto in cui definiscono la transizione tra il primo angolo e il secondo angolo.

In accordo con la forma di realizzazione dell’invenzione illustrata nelle figure 5a, 9a, 9b e 15. le pareti laterali 332 presentano delle appendici 332a che si estendono esternamente alla camera centrale 33 del dispositivo regolatore 30.

Tali appendici 332a sono preferibilmente piane.

Nella forma di realizzazione raffigurata dette appendici 332a sono distanziate tra loro e sono disposte lungo piani tra loro paralleli.

In accordo con alcune forme di realizzazione dell’invenzione, ad esempio quelle delle figure 8 e 13, la camera centrale 33 del dispositivo regolatore 30 comprende inoltre un corpo prismatico 45 che si estende tra le piastre piane 330 e 331 e disposto tra le lamelle curve 43 e 44.

Il corpo prismatico 45 Ã ̈ preferibilmente perpendicolare alle piastre piane 330 e 331.

Il corpo prismatico 45 ha preferibilmente base a forma di rombo. In accordo con altre possibili forme di realizzazione, il corpo prismatico 45 può avere base lenticolare o a forma di deltoide.

Il dispositivo regolatore 30 Ã ̈ destinato ad essere impiegato tanto sui condotti di aspirazione 21 quanto sui condotti di scarico 22 dei motori a combustione interna 20. Con riferimento alle figure da 1 a 4 sono qui descritti alcuni possibili impieghi.

Figura 1 mostra schematicamente un motore a ciclo Otto alimentato a pressione atmosferica (o aspirato). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, immediatamente a valle del filtro dell’aria 23. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il catalizzatore 25 e la marmitta 26.

Figura 2 mostra schematicamente un motore a ciclo Otto sovralimentato mediante turbocompressore 27 (o turbo). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, tra il turbo 27 e l’intercooler 28. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il catalizzatore 25 e la marmitta 26.

Figura 3 mostra schematicamente un motore a ciclo Diesel alimentato a pressione atmosferica (o aspirato). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, immediatamente a valle del filtro dell’aria 23. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il collettore di scarico 24 e il filtro antiparticolato 29.

Figura 4 mostra schematicamente un motore a ciclo Diesel sovralimentato mediante turbocompressore 27 (o turbo). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, tra il turbo 27 e l’intercooler 28. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il collettore di scarico 24 e il filtro antiparticolato 29.

Figura 16 mostra schematicamente un motore a ciclo Otto alimentato a pressione atmosferica (o aspirato). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, immediatamente a valle del filtro dell’aria 23. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il catalizzatore 25 e la marmitta 26. Un terzo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di scarico 22 a valle della marmitta 26.

Figura 17 mostra schematicamente un motore a ciclo Otto sovralimentato mediante turbocompressore 27 (o turbo). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, tra il turbo 27 e l’intercooler 28. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il catalizzatore 25 e la marmitta 26. Un terzo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di scarico 22 a valle della marmitta 26.

Figura 18 mostra schematicamente un motore a ciclo Diesel alimentato a pressione atmosferica (o aspirato). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, immediatamente a valle del filtro dell’aria 23. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il collettore di scarico 24 e il filtro antiparticolato 29. Un terzo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di scarico 22 tra il filtro antiparticolato 29 e la marmitta. Un quarto dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di scarico 22 a valle della marmitta 26.

Figura 19 mostra schematicamente un motore a ciclo Diesel sovralimentato mediante turbocompressore 27 (o turbo). Come si può notare un primo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di aspirazione 21, tra il turbo 27 e l’intercooler 28. Un secondo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato poi lungo il condotto di scarico 22, tra il collettore di scarico 24 e il filtro antiparticolato 29. Un terzo dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di scarico 22 tra il filtro antiparticolato 29 e la marmitta. Un quarto dispositivo regolatore 30 à ̈ posizionato lungo il condotto di scarico 22 a valle della marmitta 26.

Il principio di funzionamento del dispositivo regolatore 30 nasce dalla sua particolare forma e dalla specifica disposizione delle lamelle 40 al suo interno.

La richiedente ha condotto studi approfonditi sui motori 20 e sul dispositivo regolatore 30 oggetto della presente invenzione. Da tali studi à ̈ emerso che, una volta correttamente installato, il dispositivo regolatore 30 svolge nei confronti delle frequenze proprie dei flussi di gas, lo stesso lavoro che il direttore d'orchestra svolge nei confronti dei singoli strumenti. In modo semplice e naturale, il dispositivo regolatore 30 sfrutta le stesse leggi fisiche della fluidodinamica (tipicamente l’effetto Venturi) che in natura regolano la velocità dei venti e delle correnti marine nei processi dinamici del globo terrestre.

I tecnici progettisti della richiedente hanno scoperto, dopo lunghi studi e campagne sperimentali, che il modo più semplice per regolare questi flussi di gas e le relative onde di pressione à ̈ quello di farli passare attraverso il dispositivo regolatore 30 oggetto dell’invenzione. All’interno del dispositivo regolatore 30, le lamelle 40 governano contemporaneamente più effetti Venturi, armonizzando e regolando le velocità delle pulsazioni nel flusso di gas.

Si ottiene così che il motore 20, in qualsiasi condizione di carico, può erogare maggior potenza, e allo stesso tempo se ne riducono i consumi e le emissioni nocive. Questo effetto si ottiene grazie alla maggiore quantità di ossigeno presente nelle camere di scoppio al momento della combustione.

Tali migliorie derivano dalla particolare conformazione e dal corretto posizionamento delle lamelle 40 che generano, ad esempio sul condotto di scarico 22, l'effetto di un condotto a geometria variabile. Questo effetto à ̈ molto vantaggioso nelle diverse situazioni di utilizzo del motore 20 e permette una migliore regolazione dei flussi di gas, sia in ingresso sia in uscita.

Le prove sperimentali condotte dai tecnici della richiedente hanno dimostrato che le prestazioni dei motori 20 possono variare al variare delle dimensioni del dispositivo regolatore 30 e al variare del posizionamento e della conformazione delle lamelle 40.

L'effetto del dispositivo regolatore 30 sul condotto di scarico 22 non à ̈ solo quello di strozzare quest’ultimo ai bassi e medi regimi di rotazione del motore 20 per migliorarne la coppia motrice. Vi à ̈ anche l’ulteriore effetto di armonizzare e accelerare il flusso di gas in uscita nei momenti in cui ciò à ̈ più opportuno (tipicamente ai regimi medio-alti e alti) così da sfruttare al meglio la fase di bilanciamento in apertura e chiusura delle valvole, in modo da poter portare nelle camere di combustione una maggior quantità di ossigeno O2. Infatti si ottiene così una maggior depressione in aspirazione con l’effetto di ottimizzare e velocizzare l'aggregazione delle particelle aria/carburante, migliorare il riempimento delle camere di scoppio e la combustione stessa.

Il dispositivo regolatore 30 à ̈ anche definito dalla richiedente “equalizzatore di pressione†. Esso, collocato sul condotto di scarico 22, funge anche da elemento di scambio termico che sottrae calore ai gas di scarico in uscita, provocandone un raffreddamento e un relativo cambio di pressione.

Il dispositivo regolatore 30 comprende infatti la camera centrale 33 che oppone una resistenza variabile al passaggio dei gas. Si determinano così, tra le diverse sezioni della camera centrale 33, differenze di pressione indispensabili affinché si realizzi il raffreddamento e, quindi, l’equalizzazione della pressione.

Il dispositivo regolatore 30 funge da controllo del sistema, separando il flusso di alta pressione da quello di bassa pressione.

Il dispositivo regolatore 30 ha una funzione simile a quella di un riduttore di pressione sul circuito del fluido refrigerante presente negli impianti frigoriferi. L'aggiunta di più lamelle 40 all'interno influisce sulla temperatura e sulla quantità di gas che passa attraverso di esse.

All'ingresso nel dispositivo regolatore 30, la temperatura dei gas à ̈ molto alta dovuta al carico termico (combustione), ma non appena la pressione dei gas cala, per effetto dell'ostruzione causata dalle lamelle 40 e dalla conformazione del divergente 333, i gas all'interno della camera centrale 33 cominciano a condensare sottraendo calore all'aria che passa all'interno del dispositivo regolatore 30. Più in particolare, il calore sensibile dei gas à ̈ assorbito sotto forma di calore latente di condensazione e si ottiene così un raffreddamento del gas.

Il compito del dispositivo regolatore 30 à ̈ quello di regolare la giusta quantità dei gas nel passaggio e la loro temperatura lungo il canale 300. Se viene immessa una quantità eccessiva di gas, un dispositivo regolatore 30 troppo piccolo può “allagarsi†e viene a ridursi o annullarsi la sua capacità di funzionamento, perché le sezioni non sono idonee a smaltire il carico termico eccessivo. È quindi molto importante il giusto dimensionamento e il corretto posizionamento delle lamelle 40.

La condizione descritta sopra di “allagamento†del dispositivo regolatore 30, troppo piccolo rispetto al flusso di gas in ingresso, comporta un ristagno notevole di gas all'interno della camera di scoppio non aspirati dal dispositivo regolatore 30, con grave pericolo di malfunzionamento del motore.

L'espansione nella camera centrale 33 regola il maggiore o minore afflusso di gas in base al carico termico connesso ai gas originati dalla combustione.

Più sopra à ̈ stata descritta la condizione cosiddetta di “allagamento†. Si descrive ora il caso opposto, quello cioà ̈ in cui il dispositivo regolatore 30 à ̈ sovradimensionato rispetto al flusso di gas in ingresso. In tal caso all’interno del dispositivo regolatore 30 ci sarà un’eccessiva caduta di pressione che provoca un’eccessiva riduzione della velocità dei gas e il cattivo funzionamento delle lamelle 40. Anche tale fenomeno à ̈ causa di un non corretto funzionamento del dispositivo regolatore 30.

Poiché il buon funzionamento delle lamelle 40 à ̈ influenzato, oltre che dalla pressione esistente all'interno del dispositivo regolatore 30, anche dalla temperatura dei gas di scarico in entrata, à ̈ indispensabile che il carico termico raggiunga nel più breve tempo possibile la corretta temperatura d'esercizio per sfruttare al meglio le caratteristiche di raffreddamento e di equalizzatore del dispositivo regolatore 30.

Le lamelle 40 esercitano la loro funzione modulante e di intercettazione in base a sei differenti zone di pressione. Con specifico riferimento alla figura 14, si descrivono ora nel dettaglio le differenti zone di pressione.

In prossimità delle lamelle piane 41 e 42, si ha una prima zona di pressione centrale P1. In tale zona vi à ̈ alta pressione che si dirige verso l'uscita del dispositivo regolatore 30 dando velocità ai gas.

Ancora in prossimità delle lamelle piane 41 e 42, vi sono una seconda e una terza zona di pressione laterali e simmetriche P2 e P3. In tali zone vi à ̈ bassa pressione creata dall'espansione dei gas, con conseguente raffreddamento degli stessi che cedono calore alle pareti laterali 332 del dispositivo regolatore 30. Le pareti laterali 332 cedono a loro volta calore all’ambiente esterno (fenomeno rappresentato dalle frecce ondulate in figura 14).

Nelle forme di realizzazione del dispositivo regolatore 30 raffigurate nelle figure 5a,9a,9b, le appendici 332a delle pareti laterali 332 consentono vantaggiosamente di incrementare la quantità di calore sottratta ai gas di scarico in uscita e che viene ceduta all’ambiente esterno.

In prossimità delle lamelle curve 43 e 44, si ha una quarta zona di pressione centrale P4, nella quale si verifica l’intercettazione del flusso centrale e l’accelerazione verso l'uscita del dispositivo regolatore 30.

Ancora in prossimità delle lamelle curve 43 e 44, vi sono una quinta e una sesta zona di pressione laterali e simmetriche P5 e P6. In tali zone vi à ̈ l’intercettazione dei flussi laterali più freddi in bassa pressione che vengono portati in alta pressione verso l'uscita raffreddando il flusso centrale.

L'azione modulante delle lamelle 40 si ha quando la pressione nelle zone P1 e P4 Ã ̈ pari alla somma delle pressioni contrastanti nelle zone P2-P3 e P5-P6.

L'azione di intercettazione (o di espulsione dei gas) si ha quando la somma delle pressioni nelle zone P2, P3, P5 e P6 non supera le pressioni nelle zone P1 e P4.

Osservando lo schema delle pressioni risulterà evidente come, all'aumentare del passaggio dei gas e del carico termico sul dispositivo regolatore 30, si avrà come conseguenza una migliore efficienza dello stesso.

Con specifico riferimento alla figura 15, si descrivono ora nel dettaglio le differenti zone di pressione che si vengono a creare all’interno della camera centrale 33 del dispositivo regolatore 30, nel caso in cui, a valle delle lamelle curve 43 e 44, siano predisposte le lamelle curve secondarie 45 e 46.

In tale forma di realizzazione le lamelle 40 esercitano la loro funzione modulante e di intercettazione in base a unidici differenti zone di pressione. In prossimità delle lamelle piane 41 e 42, si hanno tre zone di pressione, una zona di pressione centrale P1 e una seconda e una terza zona di pressione laterali e simmetriche P2 e P3. In prossimità delle lamelle 43 e 44, vi sono una quinta e una sesta zona di pressione laterali e simmetriche P5 e P6. In tali zone vengono intercettati parzialmente i flussi laterali più freddi che vengono portati in alta pressione verso la quarta zona di pressione centrale P4. Analogamente, in prossimità delle lamelle curve secondarie 45 e 46, vi sono una settima ed un’ottava zona di pressione laterali e simmetriche P7 e P8. La predisposizione di tali lamelle curve secondarie 45 e 46 consente vantaggiosamente di intercettare ulteriori flussi freddi laterali in transito in tali zone. Tali flussi vengono indirizzati verso la nona zona di pressione centrale P9, nella quale si verifica l’intercettazione del flusso centrale e l’accelerazione verso l’uscita del dispositivo regolatore 30. In base a quanto sopra descritto, sarà possibile imprimere una maggiore velocità ai gas di scarico in transito nei punti P4 e P9.

Nelle zone di pressione laterali e simmetriche P10 e P11 si ha il transito dei flussi laterali non intercettati dalle lamelle curve 43, 44 e dalle lamelle curve secondarie 45 e 46.

In dettaglio, l’azione modulante delle lamelle 41, 42, 43, 44, 45 e 46 si ha quando la pressione nelle zone P1, P4, e P9 à ̈ pari alla somma delle pressioni contrastanti nelle zone P2-P3 e P10-P11.

L’azione di intercettazione (o di espulsione dei gas) si ha quando la somma delle pressioni nelle zone P2, P3, P10 e P11 non supera le pressioni nelle zone P1, P4 e P9.

Anche in questo caso, osservando lo schema delle pressioni à ̈ evidente come, all'aumentare del passaggio dei gas e del carico termico sul dispositivo regolatore 30, si avrà come conseguenza una migliore efficienza dello stesso.

Con riferimento specifico alle forme di realizzazione raffigurate nelle figure 16-19, la richiedente ha osservato come le prestazioni del propulsore sia esso a ciclo Otto o Diesel, aspirato o turbocompresso, possano essere vantaggiosamente incrementate predisponendo più dispositivi regolatori 30 lungo il condotto di scarico 22. In tal modo, infatti, viene favorito un più rapido svuotamento dei gas incombusti nelle camere di scoppio e una maggiore depressione in aspirazione.

Gli studi effettuati dalla richiedente all'interno del dispositivo regolatore 30, hanno evidenziato tre flussi generati dalle lamelle piane 41 e 42: un flusso centrale ad alta velocità e due flussi laterali in espansione che vanno verso le pareti laterali 332 per disperdere il calore verso l’esterno. Le lamelle curve 43 e 44 provocano all'interno più effetti Venturi che hanno lo scopo di regolare, accelerare e raffreddare i gas verso l'uscita, richiamati dalla maggior velocità del flusso centrale.

Questo fenomeno à ̈ stato evidenziato anche da un filmato girato in laboratorio. In questo filmato si può notare come all'interno del dispositivo regolatore 30 si verifichi ciò che à ̈ stato descritto precedentemente. In particolare si può notare come si crei, per la maggior velocità dei gas di scarico, un effetto richiamo nella fase di bilanciamento delle lamelle 40 con relativo aumento del picco di depressione nel condotto di aspirazione 21. Questo aumento della depressione favorisce, da un lato, il riempimento delle camere di scoppio con una maggior quantità di ossigeno O2 e, d’altro lato, lo svuotamento completo dei gas di combustione e degli incombusti dopo lo scoppio. Si registra infatti anche una notevole diminuzione delle contropressioni provocate dalla marmitta 26 nel condotto di scarico 22. Da tutto ciò derivano migliori prestazioni a tutti i regimi di rotazione del motore 20, con una conseguente diminuzione delle emissioni nocive.

I tecnici della richiedente hanno condotto prove sperimentali su vari mezzi da fuoristrada, portati a condizioni estreme in uso off-road, stradale e in competizioni sportive. Come verrà descritto di seguito, per mezzo di tali prove pratiche si à ̈ riscontrato ciò che le prove di laboratorio auspicavano. Un primo effetto sorprendente del dispositivo regolatore 30 à ̈ l'erogazione della potenza molto più fluida a tutti i regimi di rotazione del motore 20. Si ha poi un aumento cospicuo nelle prestazioni in termini di coppia motrice e di potenza massima, una diminuzione notevole dei consumi con conseguente diminuzione delle emissioni nocive allo scarico. Tale diminuzione à ̈ dovuta al fatto che la maggior quantità di ossigeno O2 richiamata nelle camere di scoppio in fase aspirazione favorisce una migliore combustione.

Nelle prove fatte su motori a ciclo Otto alimentati a benzina si à ̈ riscontrata, dopo l'applicazione del dispositivo regolatore 30, una immediata diminuzione dei dannosi idrocarburi incombusti HC. Tale diminuzione, che può essere quantificata in circa il 20-30%, à ̈ dovuta alla spontanea regolazione dei gas di scarico in uscita dopo la combustione creata dal dispositivo regolatore 30. Ciò à ̈ dovuto all’incremento di ossigeno O2 nella fase di aspirazione che favorisce la combustione del carburante nelle camere di scoppio.

La predisposizione di più dispositivi regolatori 30 lungo il condotto di scarico 22 consente di ottenere una ulteriore diminuzione degli idrocarburi incombusti HC, rispetto a quanto prima quantificato.

Nei motori a ciclo Diesel di ultima generazione, il dispositivo regolatore 30 applicato prima del filtro antiparticolato FAP conferisce un notevole aiuto alla riduzione delle dannose polveri sottili (tipicamente le PM10) per effetto di una migliore combustione ed una regolazione costante della velocità dei gas di scarico favorendo un corretto funzionamento del filtro FAP e la pulizia dello stesso.

Nei propulsori turbocompressi, siano essi a ciclo Otto o a ciclo Diesel, il dispositivo regolatore 30 ha dimostrato le sue doti di simulare un condotto a geometria variabile, anticipando l’entrata in funzione del turbocompressore 27, migliorandone le prestazioni ad ogni regime di rotazione e, di conseguenza, diminuendo i consumi e le emissioni nocive. Per migliorare le caratteristiche del turbocompressore 27 e diminuire le resistenze nei gas di scarico causate dalle strozzature nella conchiglia della turbina, la soluzione ottimale sarebbe per i progettisti posizionare il dispositivo regolatore 30 a monte del turbocompressore 27. Sarebbe così possibile sfruttare al massimo la velocità dei gas in uscita dal dispositivo regolatore 30, dando così maggior velocità alla turbina in tutte le situazioni di carico.

In tal modo, infatti, sarebbe possibile ridurre le strozzature nella conchiglia della turbina, favorendo le prestazioni e riducendo le contropressioni generate dal turbocompressore.

Nei motori a ciclo Otto alimentati a GPL o a metano, per i quali le prestazioni sono penalizzate dal tipo di carburante, il dispositivo regolatore 30 migliora le prestazioni aiutando l'aspirazione con una maggior quantità di ossigeno O2 per il riempimento delle camere di scoppio. Esso inoltre favorisce l'uscita dei gas di combustione e degli incombusti, che sono molto più lenti dopo lo scoppio, migliorando quindi le prestazioni e i consumi e diminuendo ancor di più le emissioni allo scarico.

Nelle applicazioni su motociclette e scooter, il dispositivo regolatore 30 ha determinato un aumento delle prestazioni e, allo stesso tempo, un netto calo dei consumi e delle emissioni nocive rendendo questi mezzi ancor più economici ed ecologici per un utilizzo cittadino.

Il dispositivo regolatore 30, applicato sui veicoli industriali, ha conferito a questi mezzi maggior potenza in ogni situazione, permettendo di guadagnare fino a mezza marcia in salita a pieno carico con conseguente diminuzione dei consumi e delle emissioni nocive di particolato. Tali miglioramenti sono stati evidenziati anche da un netto cambiamento della colorazione dei fumi allo scarico, prima neri, poi di colore grigio chiaro. Il dispositivo regolatore 30, applicato su motori industriali fissi, ha fatto riscontrare una diminuzione dei consumi di carburante a parità di giri motore ed un aumento di potenza in termini di Kw/h erogati dai gruppi elettrogeni o in termini di portata di liquido movimentata dalle motopompe. Ne deriva quindi la possibilità di una gestione più economica di tali motori industriali fissi.

Nelle imbarcazioni il dispositivo regolatore 30 ha determinato un miglioramento delle prestazioni con un aumento dei giri motore sotto sforzo a parità di passo d'elica e con una riduzione del consumo di carburante. Si riportano di seguito alcune indicazioni preferenziali per l’installazione del dispositivo regolatore 30 sui motori 20 che montano un catalizzatore 25 e/o un filtro antiparticolato 29.

Nei motori a ciclo Otto, siano essi aspirati o turbocompressi, siano essi alimentati a benzina, GPL o metano, il dispositivo regolatore 30 deve essere installato preferibilmente dopo il catalizzatore 25 per consentire allo stesso e alla sonda lambda il corretto funzionamento.

Nei motori a ciclo Diesel, siano essi aspirati o turbocompressi, il dispositivo regolatore 30 deve essere installato preferibilmente prima del filtro antiparticolato FAP per consentire a tale filtro di ottimizzare il suo funzionamento e trattenere ulteriormente le dannose particelle prodotte dalla combustione per effetto del raffreddamento dei gas di scarico.

Vengono riportati di seguito i dettagli di alcuni specifici test condotti dalla richiedente.

Test 1 - Scooter Aprilia Scarabeo 200.

Cilindrata: 176cc.

Anno di immatricolazione 2000.

Km motore: 45.000

Tipologia motore: aspirato a benzina

Test: analisi gas di scarico e consumi

IMPIANTO DI

IMPIANTO DI

SCARICO CON SCARICO VARIAZIONI DISPOSITIVO

ORIGINALE

REGOLATORE

CO% 2,39 2,18 -8,595%

CO2% 10,40 9,20 -11,538%

HCppm 168,50 137,00 -18,694%

O2% 17,70 17,00 -3,955%

CONSUMOKM/L 25,81 32,89 -27,412%

Test 2 - Quad Polaris *Sportsman 500 H.O. ;Cilindrata: 498cc. ;Anno di immatricolazione: 2009. ;Km motore: 2.300 ;Tipologia motore: aspirato a benzina ;Test: analisi gas di scarico e consumi ;;;IMPIANTO DI ;IMPIANTO DI ;SCARICO CON ;SCARICO VARIAZIONI ;DISPOSITIVO ;ORIGINALE 20 ;;REGOLATORE ;CO% 1,91 0,87 -54,450% CO2% 2,20 2,30 4,348% HCppm 125,00 82,00 -34,400% O2% 13,30 20,7 55,639% CONSUMOKM/L 8,77 10,24 -14,319% *N.B. si tratta di un veicolo da fuoristrada con forti attriti cinematici.

Test 3 - Automobile Fiat Punto 75.

Cilindrata: 1242cc.

Anno di immatricolazione: 1995.

Km motore: 240.000

Tipologia motore: aspirato a benzina ad iniezione elettronica

Test: consumi di carburante.

IMPIANTO DI SCARICO

IMPIANTO DI

CON VARIAZIO

SCARICO

DISPOSITIVO NI

ORIGINALE

REGOLATOR

E

CONSUMO

KM/L 11,43 16,00 -28,563%

Test 4 - Scooter Kymco Xciting 300i.

Cilindrata: 270cc.

Anno di immatricolazione 2008.

Km motore: 9.000

Tipologia motore: aspirato a benzina ad iniezione

Test: analisi gas di scarico e consumi

IMPIANTO DI

IMPIANTO DI

SCARICO CON SCARICO VARIAZIONI DISPOSITIVO

ORIGINALE

REGOLATORE

CO% 1,83 1,38 -24,40%

CO2% 6,8 2,3 -65,79%

HCppm 72 41 -43,45%

O2% 17,7 16,O -9,17%

CONSUMOKM/L 30,84 33,82 -9,65% È bene notare qui che i prodotti derivati del petrolio, tra i quali il gasolio, la benzina e il GPL, sono costituiti da molecole che contengono idrogeno (H) e carbonio (C) in combinazione variabile.

La presenza di idrocarburi incombusti HC nei gas di scarico à ̈ dovuta principalmente alla carenza di ossigeno O2 nella zona di combustione. Più in particolare, l’emissione degli idrocarburi incombusti HC proviene da zone della camera di scoppio dove la combustione viene consumata solo parzialmente, come ad esempio gli strati più prossimi alle pareti oppure nelle fessure in cui la fiamma non riesce a penetrare.

Durante la fase di scarico dei gas, gli idrocarburi incombusti HC si mescolano con gli altri prodotti della combustione caldi e bruciano al momento dell’espulsione sotto l’effetto delle reazioni della postcombustione.

Le emissioni di idrocarburi incombusti HC sono dovute anche al fenomeno del cosiddetto “blow by†, cioà ̈ alla penetrazione di gas fresco dal basamento attraverso le fessure tra pistone e cilindro.

Altri idrocarburi incombusti HC vengono prodotti dalle perdite di evaporazione dal serbatoio carburante e dal carburatore.

Nessun’altra sostanza altamente tossica esercita un’azione così irritante su occhi, naso e mucose. Risulta quindi evidente l’importanza delle soluzioni che permettano di migliorare il funzionamento, di diminuire i consumi e le emissioni dannose di tutti i motori a combustione interna. Ancor più importante à ̈ riuscire ad ottenere tali risultati in maniera semplice ed economica, senza ricorrere a sistemi complessi che pregiudichino la facilità d'intervento e l'affidabilità generale dei motori stessi.

Nel caso quindi di un’incompleta o parziale combustione del carburante nel motore, si presenterà una elevata quantità di idrocarburi incombusti HC nei fumi di scarico dispersi in atmosfera. In tal caso si noterà quindi una minore potenza del motore e un aumento dello spreco di carburante.

Eliminando i problemi alla base del fenomeno descritto sopra, si otterranno quindi massima economia e migliori prestazioni.

Per quanto riguarda la misura della quantità di idrocarburi incombusti HC viene adottata l’unità parti per milione (p.p.m) che rende più esplicito il tasso di concentrazione della sostanza.

Per quanto riguarda invece il monossido di carbonio CO, esso à ̈ un gas incolore e inodore ma altamente tossico. La sua composizione à ̈ data infatti dall’unione del carbonio con l’ossigeno, quando quest’ultimo non à ̈ presente in quantità sufficiente per sostenere una combustione completa, tale cioà ̈ da formare anidride carbonica (o biossido di carbonio) CO2.

La tossicità del monossido di carbonio CO deriva dal fatto che esso tende a “rubare†all’organismo quella particella di ossigeno che gli manca per arrivare alla struttura molecolare più stabile (da CO a CO2).

La concentrazione di CO raggiunge il suo apice nel cilindro durante la fase di combustione. Durante la fase di espansione che ne segue, una parte viene ossidata trasformandosi in anidride carbonica CO2.

In presenza di una miscela “povera†(cioà ̈ con una carenza di carburante rispetto al rapporto stechiometrico) la concentrazione del monossido di carbonio CO nel gas di scarico à ̈ legata soprattutto alla omogeneità della ripartizione della miscela nella camera di combustione e alle variazioni della composizione della miscela da un ciclo di combustione all’altro.

L’emissione di monossido di carbonio CO viene in parte influenzata dal fatto che l’ossidazione successiva nella fase di espansione non può più svolgersi in una situazione di equilibrio termodinamico.

Da quanto riportato sopra, la persona esperta può facilmente apprezzare come il dispositivo regolatore 30 qui descritto e rivendicato sia un’invenzione rivoluzionaria, economica, vantaggiosa e di facile installazione per gli operatori del settore. Esso può aiutare i progettisti dei propulsori a migliorarne le caratteristiche. La sua forma sfrutta semplicemente l'energia cinetica delle onde di pressione nei gas in movimento.

Esso à ̈ il frutto di molti studi, ricerche e prove pratiche e, in ogni sua applicazione, può migliorare il rendimento dei motori favorendone la combustione e diminuendone i consumi e le emissioni nocive.

Come la persona esperta può facilmente apprezzare, il dispositivo regolatore 30 à ̈ estremamente semplice e non necessita di componenti aggiuntivi, né meccanici né elettronici. Esso può essere facilmente applicato su qualsiasi condotto di aspirazione 21 o di scarico 22 di qualsiasi motore a combustione interna 20.

In particolare, sarà chiaro come l’invenzione renda disponibile un dispositivo regolatore 30 che consente di migliorare il funzionamento, diminuire i consumi e le emissioni dannose di tutti i motori a combustione interna in maniera semplice ed economica, senza ricorrere a sistemi complessi che ne pregiudichino la facilità d'intervento e l'affidabilità generale

Ovviamente, al dispositivo regolatore 30 secondo la presente invenzione, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare ulteriori modifiche e varianti, tutte peraltro contenute nell’ambito di protezione dell’invenzione, quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (13)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo regolatore (30) per un flusso di gas adatto ad essere utilizzato su un condotto di aspirazione (21) o di scarico (22) di un motore a combustione interna (20), in cui il dispositivo regolatore (30) definisce un canale (300) avente un’asse X e in cui il dispositivo regolatore (30) comprende: - un connettore (31) adatto a collegare il dispositivo regolatore (30) ad un ramo di uscita del condotto (21; 22); - un raccordo (32) adatto a determinare la transizione della sezione del canale (300) da circolare a quadrilatera; - una camera centrale (33) a sezione quadrilatera comprendente una piastra piana inferiore (330), una piastra piana superiore (331) e pareti laterali (332) sagomate in modo da definire un divergente (333) e un convergente (334); - un raccordo (34) adatto a determinare la transizione della sezione del canale (300) da quadrilatera a circolare; - un connettore (35) adatto a collegare il dispositivo regolatore (30) ad un ramo di ingresso del condotto (21; 22); caratterizzato dal fatto che la camera centrale (33) comprende inoltre una pluralità di lamelle (40) che si estendono tra le piastre piane (330, 331), in cui un paio di lamelle piane (41, 42) sono disposte nel divergente (333) e un paio di lamelle curve (43, 44) si estendono dal divergente (333) al convergente (334).
2. 2. Dispositivo regolatore (30) secondo la rivendicazione 1, in cui le lamelle (40) sono perpendicolari alle piastre piane (330, 331).
3. 3. Dispositivo regolatore (30) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le lamelle piane (41, 42) sono distanziate in direzione assiale dalle lamelle curve (43, 44).
4. 4. Dispositivo regolatore (30) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui le lamelle piane (41, 42) sono strutturalmente unite alle lamelle curve (43, 44).
5. 5. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le lamelle piane (41, 42) sono parallele all’asse X.
6. 6. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le lamelle piane (41, 42) hanno un andamento divergente rispetto all’asse X.
7. 7. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le lamelle curve (43, 44) sono disposte in modo da assumere un andamento divergente-convergente.
8. 8. Dispositivo (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, comprendente, nel convergente (334), un paio di lamelle curve secondarie(45, 46), dette lamelle curve secondarie (45, 46) essendo distanziate in direzione assiale dalla lamelle curve (43, 44) ed essendo disposte in modo da assumere un andamento divergente-convergente.
9. 9. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le pareti laterali (332) hanno andamento piano nel tratto in cui definiscono il divergente (333), dette pareti laterali (332) comprendendo uno spigolo nel punto in cui definiscono la transizione tra il divergente (333) e il convergente (334).
10. 10. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le pareti laterali (332) hanno andamento piano nel tratto in cui definiscono il convergente (334).
11. 11. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi rivendicazione precedente, in cui le pareti laterali (332) definiscono rispetto all’asse X due differenti angoli lungo il convergente (334).
12. 12. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui le pareti laterali (332)sono provviste di appendici (332a) che si estendono esternamente alla camera centrale (33) del dispositivo regolatore (30); dette appendici (332a) esssendo distanziate tra loro e disposte lungo piani tra loro paralleli.
13. 13. Dispositivo regolatore (30) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la camera centrale (33) comprende inoltre un corpo prismatico (45) che si estende tra le piastre piane (330, 331) ed à ̈ disposto tra le lamelle curve (43, 44) .