ITUB20155489A1 - Dispositivo di azionamento a rocchetto e cremagliera, in particolare per l'azionamento di una valvola EGR in motori a combustione interna - Google Patents

Description

DISPOSITIVO DI AZIONAMENTO A ROCCHETTO E CREMAGLIERA, IN PAR-TICOLARE PER L'AZIONAMENTO DI UNA VALVOLA EGR IN MOTORI A COM-BUSTIONE INTERNA

DESCRIZIONE

Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda una valvola per il ricircolo dei gas di scarico (valvola EGR) in motori a combustione interna e, più in particolare, un dispositivo a rocchetto e cremagliera per la trasformazione del movimento rotatorio di un motore elettrico in un movimento rettilineo di azionamento della valvola EGR.

Tecnica antecedente

E' noto da tempo il problema legato alla necessità di ridurre le emissioni delle sostanze inquinanti nei gas di scarico dei motori a combustione interna. Per soddisfare le norme antinquinamento, che si fanno sempre più stringenti, sono stati sviluppati sistemi di ricircolo dei gas di scarico che, rinviando in camera di combustione (attraverso un apposito circuito) l'aliquota desiderata di gas combusti, diluiscono la carica fresca in entrata dal collettore di aspirazione. Ciò porta un duplice vantaggio nella riduzione delle specie inquinanti emesse dal motore: in primo luogo, sottraendo una parte della portata ai gas di scarico, si riduce la massa di incombusti immessi nell'atmosfera; in secondo luogo la diluizione della carica fresca comporta una riduzione sensibile della concentrazione di ossidi di azoto (NOx) allo scarico, e ciò sia per le più basse temperature raggiunte nel cilindro, sia per la minore presenza di ossigeno nella camera al momento della combustione.

Nel sistema di ricircolo dei gas combusti è predisposta una valvola, comandata elettricamente da una centralina, che viene controllata in modo da regolare la frazione di gas combusti, rispetto a quelli espulsi dal motore a combustione interna, che si desidera porre in ricircolo e reindirizzare al condotto di aspirazione.

In teoria è possibile utilizzare una grande varietà di valvole per il ricircolo dei gas di scarico. Nella pratica però, non tutte sono equivalenti per l'applicazione in questione, dato che molte mal si prestano a lavorare con "fluidi sporchi" come accade per i gas combusti.

Normalmente, per il ricircolo dei gas di scarico, si preferisce pertanto usare una cosiddetta valvola a fungo, visto che questo tipo di valvola svolge da sempre in maniera egregia la funzione di valvola di scarico nei motori a combustione interna.

Anche per l'azionamento di questa valvola a fungo, la tecnica nota mette a disposizione diversi tipi di azionamenti atti a fornire la potenza e la regolazione adeguati alla movimentazione della valvola. Uno degli azionamenti più utilizzati si basa su un motore elettrico rotante.

La ragione del successo dei motori elettrici rotanti per l'applicazione nelle valvole EGR, come intuibile, risiede nel fatto che sono oggi di grande impiego in molti settori, dunque largamente collaudati, ed hanno inoltre costi molto contenuti a fronte di prestazioni di buon livello. Nella fattispecie, gli schemi più economici sono quelli che adottano, quale attuatore, un motore in corrente continua di tipo commerciale, veloce ma di bassa coppia.

Per via delle prestazioni tipiche di questi dispositivi, risulta indispensabile disporre a valle del motore una riduzione di giri meccanica, che amplifichi la coppia fino al valore necessario all'attuazione della valvola a fungo. Occorre infatti non dimenticare che tale valvola a fungo è normalmente soggetta alla forza di un organo elastico che la sospinge in posizione di chiusura, con il duplice fine sia di assicurare la chiusura automatica in caso di avaria dell'organo attuatore, sia di garantire una forza di chiusura sufficiente per la tenuta sulla propria sede.

E' chiaro, peraltro, che l'azionamento con motore rotativo rende necessario provvedere non soltanto ad una riduzione di giri, come detto sopra, ma anche alla conversione del moto rotatorio nel moto lineare della valvola: la presente invenzione riguarda proprio un dispositivo di trasmissione con meccanismo a rocchetto e cremagliera, idoneo a tradurre il movimento rotatorio in movimento lineare.

Un dispositivo noto di questo tipo è descritto, ad esempio, nei brevet ti US 6.102.016, US 6.216.677 oppure in US 4.690.119, ove si opera una riduzione di giri tramite una coppia pignone-ruota compagna, mentre la conversione di moto avviene tramite un opportuno leveraggio.

Un diverso dispositivo è quello illustrato nel brevetto US 6.382.195, in cui si riscontra ancora la stessa riduzione, ma lo stadio terminale risulta semplicemente costituito da una coppia rocchetto-cremagliera, ove la cremagliera è ricavata di pezzo con l'asta della valvola. Altre soluzioni note, che fanno tutte impiego di una trasmissione a rocchetto-cremagliera, sono descritte nei documenti US 7.252.618, FR 2.807.977, US 8.281.771, EP 2.607.644.

La caratteristica comune a tutte queste disposizioni note è data dal fatto che la trasmissione di moto dal rocchetto alla valvola EGR avviene con potenza continua ed uniforme.

Esiste tuttavia un problema, che interessa in modo specifico le valvole EGR ed è legato al fatto che queste, essendo costrette a lavorare con gas di combustione, possono essere interessate da fenomeni di incollaggio del fungo della valvola sulla rispettiva sede (fenomeno cosiddetto di "sticking") dopo un periodo di fermo più o meno lungo del motore a combustione interna. In effetti, i residui lasciati dal gas di scarico sulla sede di valvola vanno ad incrostarsi su di essa, favorendo così l'adesione dei due elementi a contatto. Pertanto, all'avvio del motore dopo un certo periodo di inattività, è necessario che il motore elettrico di azionamento della valvola sia in grado di esercitare una forza di distacco - sia pure molto limitata nel tempo - sufficiente a rompere le resistenze di coesione tra la testa del fungo di valvola e la sua sede nella parete della cassa di valvola.

Idealmente, sarebbe dunque utile poter disporre di una trasmissione con elevati rapporti di trasmissione, così da sviluppare una forza elevata per risolvere qualsiasi problema di incollaggio, anche senza impiegare motori di elevata potenza (e quindi elevato ingombro e costo). Questa scelta, non è però percorribile per due ordini di motivi. Da una parte, perché un elevato rapporto di trasmissione comporta anche una riduzione eccessiva di velocità e quindi renderebbe la risposta del sistema incompatibile con i requisiti di progetto. D'altra parte, ciò implicherebbe di utilizzare un rotismo finale - ossia quello che trasferisce il moto ai denti della cremagliera rettilinea - con denti molto piccoli per sfruttare un braccio di leva favorevole, che sono incompatibili con il livello di sforzi da trasmettere. Di fatto, utilizzando i "de motor" (motori in corrente continua) commerciali, non sono ottenibili entrambi i risultati di produrre forze elevate sulla cremagliera e prontezza di risposta del sistema.

Per affrontare il problema dell'incollaggio, è stata dunque proposta una diversa configurazione, in cui la cremagliera non comanda in modo solidale lo stelo della valvola, ma costituisce un elemento separato che è in grado di sviluppare, nella sua corsa iniziale, una energia cinetica sufficiente ad attuare una sorta di azione a martello, che produce il distacco dell'eventuale incollaggio. EP 1.859.157, a nome della stessa Richiedente, descrive propriamente un tale dispositivo.

Benché questa soluzione si sia dimostrata molto efficace, non prevede una connessione rigida nella catena di comando, per cui un eventuale sensore di movimento del comando non rileva univocamente il movimento della valvola. Ciò comporta dei problemi di controllo e risulta non conforme ad alcune normative.

Descrizione sommaria dell'invenzione

Problema alla base dell'invenzione è pertanto di proporre un dispositivo di azionamento, in particolare per una valvola EGR, che sia in grado - attraverso una costruzione semplice e poco costosa, ma anche adeguatamente robusta - di comandare una cremagliera con una potenza e prontezza progressive, maggiormente rispondenti alle esigenze di ogni fase di lavoro.

Questo scopo viene raggiunto attraverso le caratteristiche menzionate nelle rivendicazioni principali allegate. Le rivendicazioni subordinate descrivono caratteristiche preferenziali dell'invenzione.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrata nei disegni allegati, nei quali:

fig. 1 è una vista prospettica, schematica, di un gruppo di azionamento di valvola EGR secondo una forma di esecuzione dell'invenzione; figg. 2A e 2B sono viste in sezione longitudinale del gruppo di fig. 1, inserito nel corpo di valvola facente parte del circuito EGR, rispettivamente in posizione chiusa ed aperta della valvola di ricircolo dei gas di scarico; figg. 3, 4 e 5 sono viste in alzato frontale del sottoinsieme di stelo valvola, cremagliera e rocchetto di azionamento, rispettivamente in una fase iniziale, intermedia e finale della corsa; e

fig. 6 è un grafico esemplificativo dell'andamento del braccio di leva e della corrispondente forza trasmessa dal rocchetto alla cremagliera in funzione della rotazione del rocchetto e della corsa della valvola.

Descrizione dettagliata di una forma preferita d'esecuzione

Nel seguito si farà riferimento esemplificativo all'applicazione di un dispositivo di azionamento ad un gruppo di ricircolo dei gas di scarico, ma è inteso che sono concepibili anche altre applicazioni dove l'invenzione può risultare vantaggiosa.

Come mostrano i disegni, il gruppo EGR è costituito da un motore elettrico 1 di azionamento di un insieme 2 di ingranaggi di riduzione, terminante con un settore dentato 3 al quale è solidale in rotazione un rocchetto 4; quest'ultimo è l'elemento destinato a cooperare con una dentatura a cremagliera rettilinea per la trasformazione del moto rotatorio in un moto rettilineo.

La dentatura della cremagliera è solidale in traslazione con uno stelo 6 di valvola 7, per esempio è ricavata su un blocchetto fissabile sull'asse longitudinale dello stelo 6.

La disposizione è tale che, quando il settore dentato 3 ruota alternativamente in un senso e nell'altro, trascinando in rotazione anche il rocchetto 4, la dentatura della cremagliera viene spostata alternativamente avanti e indietro sul suo asse di scorrimento, trascinando nel medesimo movimento lo stelo 6 della valvola 7.

Questo insieme è di per se noto nella sua configurazione generale ed è montato in un corpo di cassa 8 del gruppo EGR nel modo mostrato nelle figure 2A e 2B. Come si nota, nel corpo di cassa 8 è ricavato un condotto 9 di ricircolo dei gas di scarico, la cui derivazione è chiusa dalla valvola 7, che va in appoggio su una appropriata sede 7a. Lo stelo 6 di valvola è guidato a scorrimento in un relativo foro e viene sospinto da una molla 8' in una direzione tale da mantenere la valvola 7 in posizione chiusa. Nella configurazione esemplificativa di fig. 2A, la molla 8' è mantenuta compressa tra una rispettiva sede nel corpo di cassa 8 ed un piattello 6' solidale in traslazione allo stelo 6.

Secondo l'invenzione, il rocchetto terminale 4 è montato eccentrico rispetto al proprio asse di rotazione. In particolare, il penultimo rotismo del treno di ingranaggi che costituisce la trasmissione, ossia il settore dentato 3, è montato girevole intorno ad un asse di rotazione con centro R e porta solidale il rocchetto 4 che presenta una dentatura cilindrica con centro R' spostato rispetto al centro R di una distanza e (si veda figg. 2A e 3). Il rocchetto 4 può presentare una dentatura cilindrica completa o, più preferibilmente - come illustrato nella forma di esecuzione preferita descritta nelle figure - una dentatura cilindrica parziale, che si sviluppa su un arco di cerchio <360°, ossia per la sola porzione destinata ad ingranare con la rispettiva dentatura di cremagliera durante il movimento di rotazione parziale alternata del motore 1.

Per via dell'eccentricità di montaggio e del rocchetto 4, il braccio di leva tra la superficie di evolvente dei denti della dentatura cilindrica ed il centro di rotazione R - braccio che determina in ultima analisi la coppia di potenza trasmissibile dal motore allo stelo di valvola - varia progressivamente con la rotazione del motore. In particolare, come si spiegherà meglio più avanti, il braccio di leva segue un andamento crescente al progressivo incremento della corsa della cremagliera, come ben illustrato in fig. 6.

L'eccentricità e del rocchetto 4, durante la rotazione del settore dentato 3 intorno all'asse di centro R, provoca contemporaneamente anche uno spostamento trasversale dell'intera sua dentatura cilindrica da e verso lo stelo 6 della valvola 7.

Per compensare parzialmente questo movimento e mantenere un corretto accoppiamento di trasmissione, secondo l'invenzione è prevista una cremagliera 5 dotata di una dentatura rettilinea che - differentemente dalla tecnica nota, ove i denti sono allineati su un asse parallelo ad un asse X-X dello stelo 6 di valvola - è disposta secondo un asse Y-Y obliquo rispetto all'asse X-X di traslazione della cremagliera 5 e quindi dello stelo 6.

Più precisamente, l'asse Y-Y della dentatura forma un angolo g generalmente compreso tra 10° e 30° rispetto all'asse di traslazione X-X e preferibilmente un angolo di 20°, con una eccentricità e di rotazione del rocchetto 4 compresa tra 1 mm e 4 mm, preferibilmente 2.5 mm.

Il montaggio del rocchetto 4 rispetto al suo asse di rotazione con centro R è tale per cui la sua fasatura angolare, in relazione al fondo corsa in chiusura del motore 1 (fig. 3), produca il braccio di leva più favorevole al distacco. Al contempo, nelle altre posizioni angolari del motore (come si nota dal confronto delle figg. 3-5), l'eccentricità e del rocchetto 4 produce una diversa lunghezza del braccio di leva che è più favorevole alla rapidità del movimento.

In particolare, nella posizione di fondo corsa in chiusura (fig. 3), l'eccentricità e del rocchetto 4 è disposta diametralmente opposta alla distanza tra centro di rotazione R e punto di contatto tra evolventi dei denti di rocchetto 4 e cremagliera 5: ciò produce il braccio di leva più corto. Nel fondo corsa opposto, con la valvola tutta aperta (fig. 5), l'eccentricità e del rocchetto 4 si dispone quasi perpendicolare alla distanza tra centro di rotazione R e punto di contatto delle superfici di evolvente.

Come si comprende agevolmente dalla descrizione sopra riportata e dalla osservazione delle figure, attraverso il dispositivo di azionamento dell'invenzione è possibile trasferire alla cremagliera 5 una forza di spinta variabile, in particolare massima all'apertura della valvola e minima in una fase successiva (dipendentemente dalla geometria dei rotismi e della loro disposizione angolare relativa). Nella fase di apertura, la potenza del motore elettrico di azionamento 1 si trasferisce alla cremagliera 5 con un braccio di leva corto e quindi con una massima moltiplicazione di forza, anche se a scapito della velocità; per contro, nelle fasi successive della corsa della valvola, il braccio di leva si allunga progressivamente con diminuzione della forza trasmessa e contemporaneo aumento della velocità. Come già rilevato, questo andamento della forza trasmessa alla cremagliera 5 in funzione della corsa della valvola 6 è ben rappresentato in fig. 6.

S'intende comunque che l'invenzione non deve considerarsi limitata alla particolare disposizione illustrata sopra, che costituisce soltanto una forma di esecuzione esemplificative di essa, ma che diverse altre varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione dell'invenzione stessa, come definito dalle rivendicazioni che seguono.

In particolare, andamento della dentatura di cremagliera e forma/dimensione delle dentature possono ampiamente variare rispetto a quelle esemplificativamente illustrate nei disegni. Così pure, il rotismo di trasmissione tra il motore 1 e il rocchetto 4 possono assumere anche una configurazione diversa da quella descritta e illustrata.

Si consideri ancora che il rocchetto 4 è stato definito a dentatura cilindrica per differenziarlo dalla dentatura rettilinea della cremagliera, ma con questo termine si intende una generica dentatura a simmetria assiale intorno al proprio centro R': quindi può essere una ruota a denti dritti, ma anche una ruota conica o altro.

Infine, si consideri che il dispositivo di azionamento qui fornito è applicabile non solo ad una valvola EGR, in cui trova un'applicazione particolarmente favorevole, ma anche in altri contesti in cui occorra tradurre un moto rotatorio in moto rettilineo con una forza progressiva, facendo unicamente ricorso ad accoppiamenti tra ruote dentate (quindi evitando manovellismi che comporterebbero altre problematiche di funzionamento).

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di azionamento comprendente un motore elettrico (1) che comanda un rotismo di trasmissione terminante con un rocchetto a dentatura cilindrica (4) impegnato con una cremagliera a dentatura rettilinea (5), per trasformare un moto rotatorio alternato in un moto rettilineo alternato, un asse di rotazione (R) del rocchetto (4) essendo perpendicolare ad un asse di traslazione (X-X) di detta cremagliera (5), caratterizzato da ciò che detto rocchetto (4) presenta un centro (R') di detta dentatura cilindrica eccentrico rispetto al suo asse di rotazione (R), e da ciò che detta dentatura rettilinea della cremagliera (5) è disposta secondo un asse (Y-Y) obliquo rispetto all'asse di traslazione (X-X) della cremagliera stessa .
2. 2. Dispositivo come in 1, in cui detto rocchetto a dentatura cilindrica (4) è montato solidale in rotazione con un penultimo ingranaggio (3) di detto rotismo che è in forma di un settore circolare dentato internamente.
3. 3. Dispositivo come in 1 o 2, in cui detto asse obliquo (Y-Y) forma un angolo compreso tra 10° e 30°, o preferibilmente 20°, rispetto a detto asse di traslazione (X-X) della cremagliera (5).
4. 4. Dispositivo come in 1, 2 o 3, in cui il valore di eccentricità (e) tra il centro (R') di detta dentatura cilindrica e l'asse di rotazione (R) del rocchetto (4) è compresa tra 1.5 e 4 mm, preferibilmente 2.5mm.
5. 5. Dispositivo come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui detto rocchetto (4) è solidale ad un disco di supporto (10) a sua volta montato registrabile in una sede circolare di un penultimo ingranaggio (3) di detto rotismo girevole intorno a detto asse di rotazione (R).
6. 6. Apparecchiatura di comando di una valvola EGR per motori a combustione interna, comprendente un dispositivo di azionamento di una valvola (7) a stelo (6), caratterizzata da ciò che detto dispositivo di azionamento è come in una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e detta cremagliera (5) è solidale in traslazione con detto stelo (6) di valvola (7).
7. 7. Apparecchiatura come in 6, in cui l'asse di traslazione (X-X) di det ta cremagliera (5) coincide con l'asse dello stelo (6) di detta valvola EGR.
8. 8. Apparecchiatura come in 7, in cui detta cremagliera (5) è parte di un blocchetto fissato assialmente su detto stelo (6) di valvola ed in cui detto asse obliquo (Y-Y) della dentatura rettilinea di cremagliera (5) interseca l'asse longitudinale di detto stelo (6).