ITUB20159359A1 - TWO-STROKE ENGINE WITH IMPROVED PERFORMANCE - Google Patents
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Classifications
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- F01B9/02—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with crankshaft
- F01B9/026—Rigid connections between piston and rod; Oscillating pistons
Description
MOTORE A DUE TEMPI A PRESTAZIONI MIGLIORATE IMPROVED PERFORMANCE TWO-STROKE ENGINE
La presente invenzione riguarda un motore alternativo a combustione interna a due tempi che consente, in modo affidabile, semplice ed economico, di aumentare grandemente l'efficienza rispetto ai motori a due tempi della tecnica anteriore, migliorandone le prestazioni soprattutto mediante un incremento dell'efficienza del pompaggio e della pressione disponibile ad inizio lavaggio e riducendone anche l'inquinamento grazie ad un flusso di lavaggio rotatorio unidirezionale {qui denominato heliflow scavenging) dalla base del cilindro fino alla testata, ottenendo altresì la riduzione delle masse in moto alternativo, l'abbattimento delle vibrazioni prodotte dal motore e, infine, la minimizzazione degli attriti tra pistone e cilindro. The present invention relates to a two-stroke reciprocating internal combustion engine which allows, in a reliable, simple and economical way, to greatly increase the efficiency with respect to the two-stroke engines of the prior art, improving their performance above all by increasing the efficiency. pumping and pressure available at the start of washing and also reducing pollution thanks to a unidirectional rotary washing flow (here called heliflow scavenging) from the base of the cylinder to the head, also obtaining the reduction of the masses in reciprocating motion, the abatement of the vibrations produced by the engine and, finally, the minimization of friction between piston and cylinder.
E' noto che i tipi di motori alternativi a combustione interna più utilizzati sono i motori a due tempi ed i motori a quattro tempi: nei primi vi è una combustione per ogni ciclo del pistone {consistente in due movimenti alternativi del pistone all'interno del cilindro tra il punto morto superiore - indicato anche come PMS - ed il punto morto inferiore - indicato anche come PMI), mentre nei motori a quattro tempi vi è una combustione ogni due cicli del pistone. It is known that the most used types of internal combustion reciprocating engines are two-stroke engines and four-stroke engines: in the former there is a combustion for each piston cycle {consisting of two reciprocating movements of the piston inside the cylinder between the top dead center - also referred to as TDC - and the bottom dead center - also referred to as PMI), while in four-stroke engines there is a combustion every two cycles of the piston.
In particolare, in un motore a due tempi, il flusso del comburente entrante nel cilindro {tramite condotti di aspirazione e di travaso) ed il flusso dei gas combusti uscenti dal cilindro {tramite uno o più condotti di scarico) avviene principalmente attraverso alcune luci presenti sulla parete laterale del cilindro che vengono appropriatamente aperte e chiuse dal pistone durante il suo moto alternato. Il comburente è usualmente aria miscelata ad olio lubrificante per lubrificare il pistone, l'albero motore e le parti in movimento all'interno del motore. Il combustibile (e.g. benzina) può entrare nel cilindro miscelato al comburente oppure tramite un iniettore. L'accensione del combustibile può essere spontanea {auto-accensione - in tal caso il motore è denominato motore diesel a due tempi) oppure comandata da una scintilla. In particular, in a two-stroke engine, the flow of the combustion agent entering the cylinder (via the intake and transfer ducts) and the flow of the combustion gases exiting the cylinder (via one or more exhaust ducts) occurs mainly through some ports present. on the side wall of the cylinder which are properly opened and closed by the piston during its reciprocating motion. The combustion agent is usually air mixed with lubricating oil to lubricate the piston, the crankshaft and the moving parts inside the engine. The fuel (e.g. petrol) can enter the cylinder mixed with the comburent or through an injector. The ignition of the fuel can be spontaneous (self-ignition - in this case the engine is called a two-stroke diesel engine) or controlled by a spark.
Rispetto ai motori a quattro tempi aspirati, i motori a due tempi hanno solitamente rapporti potenza-peso maggiori, un numero minore dì componenti meccanici ed una costruzione più semplice ed economica. Compared to naturally aspirated four-stroke engines, two-stroke engines usually have higher power-to-weight ratios, fewer mechanical components and a simpler and more economical construction.
Il motore a due tempi è ad esempio applicato in ambito motociclistico, principalmente per unità di piccola cilindrata, ma anche in ambito navale per propulsori di grandissime dimensioni, nel campo del modellismo nonché per utensili portatili come ad esempio tosaerba, decespugliatori e motoseghe. Inoltre, l'uso del motore a due tempi è particolarmente vantaggioso in condizioni di bassa temperatura, anche al di sotto di 0° C, come ad esempio nelle motoslitte, alle quali condizioni la tecnica di lubrificazione del motore a due tempi si adatta perfettamente. The two-stroke engine is for example applied in the motorcycle field, mainly for small displacement units, but also in the naval field for very large engines, in the modeling field as well as for portable tools such as lawn mowers, brush cutters and chainsaws. Furthermore, the use of the two-stroke engine is particularly advantageous in low temperature conditions, even below 0 ° C, such as in snowmobiles, to which conditions the two-stroke engine lubrication technique is perfectly suited.
Tuttavia, i motori a due tempi soffrono di alcuni svantaggi rispetto a quelli a quattro tempi. However, two-stroke engines suffer from some disadvantages over four-stroke ones.
Infatti, il ciclo a due tempi è generalmente meno efficiente e causa un maggiore inquinamento ambientale. In particolare, durante il processo di svuotamento del cilindro dai gas combusti e di introduzione di gas freschi (comprendenti comburente e combustibile), detto anche processo di lavaggio (o scavenging), le luci di travaso e di scarico sono aperte contemporaneamente ed una significativa porzione dei gas freschi fuoriesce dal cilindro attraverso la luce di scarico. Ciò comporta un inefficiente riempimento del cilindro stesso e conseguentemente un ridotto sviluppo di potenza, un consumo di carburante elevato ed il rilascio di idrocarburi incombusti neN'ambiente. In fact, the two-stroke cycle is generally less efficient and causes greater environmental pollution. In particular, during the process of emptying the cylinder of burnt gases and introducing fresh gases (including comburent and fuel), also known as the washing process (or scavenging), the transfer and exhaust ports are open at the same time and a significant portion fresh gas escapes from the cylinder through the exhaust port. This entails an inefficient filling of the cylinder itself and consequently a reduced development of power, a high fuel consumption and the release of unburnt hydrocarbons into the environment.
Recentemente, sono state proposte alcune soluzioni a tali problemi. Recently, some solutions to these problems have been proposed.
Il documento JP2013224653A descrive un motore alternativo a due tempi con un carter pompa separato da quello motore (con sistema testacroce, anche detto crosshead), in cui è utilizzata una sovralimentazione controllata invece dell'aspirazione tramite il carter pompa. Document JP2013224653A describes a two-stroke reciprocating engine with a separate pump casing from the engine casing (with crosshead system, also called crosshead), in which controlled supercharging is used instead of suction through the pump casing.
Il documento US5555859A descrive un motore diesel ad iniezione diretta e sovralimentato, provvisto di valvole in testa, che non utilizza il carter pompa. Document US5555859A describes a direct injection and supercharged diesel engine, equipped with overhead valves, which does not use the pump casing.
Il documento W09942718A1 descrive un motore ad accensione spontanea con carica fresca premiscelata, che crea nel cilindro una stratificazione di zone aventi diverso rapporto comburente-combustibile mediante la regolazione di vari dispositivi sulla base di dati rilevati da un sistema di sensori che vengono elaborati da una unità dì elaborazione. Document W09942718A1 describes a compression ignition engine with premixed fresh charge, which creates in the cylinder a stratification of zones having different comburent-fuel ratio by adjusting various devices on the basis of data detected by a system of sensors which are processed by a unit of processing.
Tuttavia, tali soluzioni sono molto complesse, di conseguenza costose, e non del tutto affidabili, per cui non riescono a migliorare significativamente l'efficienza dei motori a due tempi né a ridurre efficacemente l'inquinamento ambientale prodotto da questi. However, these solutions are very complex, consequently expensive, and not entirely reliable, so they cannot significantly improve the efficiency of two-stroke engines or effectively reduce the environmental pollution produced by them.
Lo scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di consentire in modo affidabile, semplice, ed economico di aumentare l'efficienza dei motori a due tempi, di ridurre l'inquinamento causato dal motore e di migliorare le prestazioni del motore a due tempi e di ridurne le vibrazioni. The object of the present invention is therefore to allow in a reliable, simple and economical way to increase the efficiency of two-stroke engines, to reduce the pollution caused by the engine and to improve the performance of the two-stroke engine and to reduce vibrations.
Forma oggetto specifico della presente invenzione un motore alternativo a combustione interna a due tempi, comprendente almeno un cilindro ed un albero, detto almeno un cilindro avendo una base ed una testata, un pistone essendo configurato per effettuare un moto alternativo all'interno di detto almeno un cilindro tra un Punto Morto Inferiore PMI ed un Punto Morto Superiore PMS, in cui il pistone è rigidamente vincolato ad un corsoio configurato per scorrere in modo rettilineo alternativo attraverso un corrispondente foro a tenuta della base di detto almeno un cilindro, in cui la testa del corsoio è meccanicamente connessa ad un manovellismo configurato per trasformare un moto rettilineo alternato del corsoio in un moto circolare dell'albero, in cui la base di detto almeno un cilindro è provvista di una o più luci di aspirazione la cui apertura è controllata da mezzi meccanici di aspirazione configurati per introdurre gas freschi comprendenti comburente in una porzione di detto almeno un cilindro al di sotto del pistone durante una fase di salita del pistone dal PMI al PMS e per chiudere dette una o più luci di aspirazione durante una fase di discesa del pistone dal PMS al PMI, la testata di detto almeno un cilindro essendo provvista di una o più valvole di scarico configurate per aprirsi per evacuare gas combusti risultanti da una combustione di combustibile in una porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone, in cui lungo una circonferenza perimetrale della base detto almeno un cilindro è prowisto di una pluralità di condotti di travaso, aventi un'altezza hs dalla base, che sono configurati per trasferire gas freschi dalla porzione di detto almeno un cilindro al di sotto del pistone alla porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone quando il pistone è ad un'altezza dalla base inferiore all'altezza hs dei condotti di travaso in modo tale da produrre un moto unidirezionale dei gas freschi dalla base di detto almeno un cilindro fino alla sua sommità. The specific object of the present invention is a two-stroke reciprocating internal combustion engine, comprising at least one cylinder and a shaft, said at least one cylinder having a base and a head, a piston being configured to perform a reciprocating motion inside said at least a cylinder between a Bottom Dead Center PMI and a Top Dead Center PMS, in which the piston is rigidly constrained to a slider configured to slide in an alternative rectilinear way through a corresponding sealing hole in the base of said at least one cylinder, in which the head of the slider is mechanically connected to a crank mechanism configured to transform an alternating rectilinear motion of the slider into a circular motion of the shaft, in which the base of said at least one cylinder is provided with one or more intake ports whose opening is controlled by means suction mechanics configured to introduce fresh gases comprising comburent in a portion of said at least a cylinder below the piston during an upward phase of the piston from the PMI to the TDC and to close said one or more intake ports during a descent of the piston from the TDC to the PMI, the head of said at least one cylinder being provided with one or more exhaust valves configured to open to evacuate burnt gases resulting from a combustion of fuel in a portion of said at least one cylinder above the piston, in which along a perimeter circumference of the base said at least one cylinder is provided with a plurality of transfer ducts, having a height hs from the base, which are configured to transfer fresh gases from the portion of said at least one cylinder below the piston to the portion of said at least one cylinder above the piston when the piston is at a 'height from the base lower than the height hs of the transfer ducts in such a way as to produce a unidirectional motion of the fresh gases from the base of said at least one cylinder up to its summit.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, nel PMI il pistone può essere a contatto con la base di detto almeno un cilindro, per cui la porzione di detto almeno un cilindro al di sotto del pistone ha volume nullo. According to another aspect of the invention, in the PMI the piston can be in contact with the base of said at least one cylinder, so that the portion of said at least one cylinder below the piston has zero volume.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, almeno parte dei condotti di travaso possono essere configurati per direzionare i gas freschi nella porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone in direzione non ortogonale rispetto alla parete di detto almeno un cilindro, per cui i gas freschi salgono all'interno della porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone in regime rotatorio unidirezionale dalla base di detto almeno un cilindro fino alla sua sommità. According to a further aspect of the invention, at least part of the transfer ducts can be configured to direct the fresh gases in the portion of said at least one cylinder above the piston in a direction that is not orthogonal to the wall of said at least one cylinder, so that the fresh gases rise inside the portion of said at least one cylinder above the piston in unidirectional rotation from the base of said at least one cylinder up to its top.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell'invenzione, almeno parte dei condotti di travaso possono essere configurati per direzionare i gas freschi radialmente nella porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone. According to an additional aspect of the invention, at least part of the transfer ducts can be configured to direct the fresh gases radially into the portion of said at least one cylinder above the piston.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, i condotti di travaso possono essere angolarmente uniformemente distribuiti lungo detta circonferenza perimetrale della base di detto almeno un cilindro. According to another aspect of the invention, the transfer ducts can be angularly uniformly distributed along said perimeter circumference of the base of said at least one cylinder.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, l'albero può essere un albero ipocicloidale bicuspide, per cui il manovellismo comprende elementi rotanti infulcrati eccentricamente all'albero, in cui una testa del corsoio è meccanicamente connessa a detto manovellismo, per cui il corsoio e l'albero formano un sistema ipocicloidale bicuspide configurato per convertire un moto rettilineo alternativo del pistone in un moto circolare dell'albero. According to a further aspect of the invention, the shaft can be a bicuspid hypocycloidal shaft, whereby the crank mechanism comprises rotating elements pivoted eccentrically to the shaft, in which a head of the slider is mechanically connected to said crank, whereby the slider and the The shaft form a bicuspid hypocycloidal system configured to convert a reciprocating rectilinear motion of the piston into a circular motion of the shaft.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell'invenzione, detti mezzi meccanici di aspirazione possono comprendere uno o più condotti di aspirazione connessi ad una o più valvole di aspirazione, ognuna delle quali è opzionalmente selezionata dal gruppo comprendente valvole lamellari, valvole a stelo e valvole a disco rotante, in cui dette una o più valvole di aspirazione sono più opzionalmente uniformemente distribuite sulla base di detto almeno un cilindro. According to an additional aspect of the invention, said mechanical suction means can comprise one or more suction ducts connected to one or more suction valves, each of which is optionally selected from the group comprising reed valves, stem valves and rotary disc valves. , wherein said one or more intake valves are more optionally uniformly distributed on the base of said at least one cylinder.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, dette una o più valvole di aspirazione possono essere posizionate a valle di una pompa configurata per pompare comburente nella porzione di detto almeno un cilindro al di sotto del pistone quando dette una o più luci di aspirazione sono aperte. According to another aspect of the invention, said one or more intake valves can be positioned downstream of a pump configured to pump comburent into the portion of said at least one cylinder below the piston when said one or more intake ports are open.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, dette una o più valvole di aspirazione possono operare a fasatura variabile. According to a further aspect of the invention, said one or more intake valves can operate with variable timing.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell'invenzione, dette una o più valvole di scarico di cui è provvista la testata possono operare a fasatura variabile. According to an additional aspect of the invention, said one or more exhaust valves with which the head is provided can operate with variable timing.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, detto foro a tenuta della base di detto almeno un cilindro può essere provvisto di mezzi di tenuta. According to another aspect of the invention, said sealing hole in the base of said at least one cylinder can be provided with sealing means.
Secondo un ulteriore aspetto dell'invenzione, il motore alternativo a combustione interna a due tempi può comprendere altresì uno o più carburatori oppure uno o più iniettori configurati per iniettare combustibile nella porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone ed arrangiati sulla testata e/o sulla parete laterale di detto almeno un cilindro. According to a further aspect of the invention, the two-stroke reciprocating internal combustion engine can also comprise one or more carburetors or one or more injectors configured to inject fuel into the portion of said at least one cylinder above the piston and arranged on the cylinder head and / or on the side wall of said at least one cylinder.
Secondo un aspetto aggiuntivo dell'invenzione, il motore alternativo a combustione interna a due tempi può comprendere altresì una o più candele di accensione, ognuna delle quali è configurata per generare una rispettiva scintilla nella porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone, arrangiate sulla testata di detto almeno un cilindro. According to an additional aspect of the invention, the two-stroke reciprocating internal combustion engine can also comprise one or more spark plugs, each of which is configured to generate a respective spark in the portion of said at least one cylinder above the piston, arranged on the head of said at least one cylinder.
Secondo un altro aspetto dell'invenzione, il motore alternativo a combustione interna a due tempi può essere configurato per causare un'accensione spontanea di combustibile nella porzione di detto almeno un cilindro al di sopra del pistone, per cui il motore è un motore diesel a due tempi. According to another aspect of the invention, the two-stroke reciprocating internal combustion engine can be configured to cause a spontaneous ignition of fuel in the portion of said at least one cylinder above the piston, whereby the engine is a diesel engine. two times.
Il motore a due tempi secondo l'invenzione adotta un pistone privo del mantello, per cui il pistone è ridotto al solo cielo {i.e. l'estremità superiore del pistone la cui faccia superiore forma la parete inferiore della camera di combustione) e ad una limitatissima porzione cilindrica che alloggia le fasce elastiche {i.e. uno o più anelli metallici inseriti in corrispondenti cave presenti sulla superficie laterale del pistone per assicurare la tenuta alla pressione generata dalla combustione e per minimizzare la dispersione di lubrificante, nel caso venga adottata una lubrificazione separata mediante canalizzazioni interne al corsoio ed al pistone). The two-stroke engine according to the invention adopts a piston without the skirt, so that the piston is reduced to the crown only {i.e. the upper end of the piston whose upper face forms the lower wall of the combustion chamber) and to a very limited cylindrical portion which houses the piston rings {i.e. one or more metal rings inserted in corresponding slots present on the lateral surface of the piston to ensure the seal against the pressure generated by combustion and to minimize the dispersion of lubricant, in the event that a separate lubrication is adopted by means of channels inside the slide and the piston).
Nel motore a due tempi secondo l'invenzione, il pistone è vincolato rigidamente ad un corsoio, che opera quale organo in moto rettilineo alternativo e connesso al manovellismo {che trasforma il moto rettilineo alternato del complesso pistone-corsoio in moto circolare di un albero motore). In the two-stroke engine according to the invention, the piston is rigidly bound to a slider, which operates as an organ in reciprocating rectilinear motion and connected to the crank mechanism {which transforms the alternating rectilinear motion of the piston-slider complex into circular motion of a crankshaft ).
Il motore a due tempi secondo l'invenzione ha condotti di travaso disposti radialmente alla base del cilindro ed un sistema di scarico sommitale; in particolare, in alcune forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione i condotti di travaso possono essere opzionalmente orientati in modo tale da introdurre nel cilindro i gas freschi in direzione non ortogonale alla parete del cilindro stesso. The two-stroke engine according to the invention has transfer ducts arranged radially at the base of the cylinder and a top exhaust system; in particular, in some embodiments of the two-stroke engine according to the invention, the transfer ducts can optionally be oriented in such a way as to introduce the fresh gases into the cylinder in a direction not perpendicular to the cylinder wall.
Inoltre, alcune forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono opzionalmente adottare un albero ipocicloidale bicuspide, i.e. un albero in cui il corsoio è connesso direttamente al manovellismo, comprendente elementi rotanti infulcrati eccentricamente all'albero, senza l'interposizione di alcuna biella. Furthermore, some embodiments of the two-stroke engine according to the invention can optionally adopt a bicuspid hypocycloidal shaft, i.e. a shaft in which the slider is directly connected to the crank mechanism, comprising rotating elements pivoted eccentrically to the shaft, without the interposition of any connecting rod.
Il motore a due tempi secondo l'invenzione offre numerosi significativi vantaggi rispetto alle soluzioni della tecnica anteriore. The two-stroke engine according to the invention offers numerous significant advantages with respect to the solutions of the prior art.
Innanzitutto, l'adozione di un corsoio in movimento rettilineo alternativo consente di separare il cilindro rispetto al carter motore; questo fatto e l'utilizzo di un pistone sostanzialmente privo del mantello, consentono di minimizzare il volume del carter pompa al Punto Morto Inferiore, migliorando di molto l'efficienza del pompaggio e la pressione disponibile all'inizio del processo di lavaggio. Infatti, il rapporto di compressione ottenibile nel carter pompa del motore a due tempi secondo l'invenzione è molto maggiore rispetto a quello dei motori a due tempi della tecnica anteriore e simile a quello rilevabile in un motore a quattro tempi al termine della fase di compressione, nonostante il fatto che, a causa dell'intrusione del corsoio nel cilindro del motore secondo l'invenzione, il volume di gas fresco da questi aspirato sia ridotto di alcuni punti percentuali {fino almeno al 95%) rispetto a quello aspirato da un motore a quattro tempi di pari cilindrata. First of all, the adoption of an alternative rectilinear moving slider allows the cylinder to be separated from the crankcase; this fact and the use of a piston substantially without the shell, allow to minimize the volume of the pump casing at the Bottom Dead Center, greatly improving the pumping efficiency and the pressure available at the beginning of the washing process. In fact, the compression ratio obtainable in the pump casing of the two-stroke engine according to the invention is much greater than that of the two-stroke engines of the prior art and similar to that found in a four-stroke engine at the end of the compression phase. , despite the fact that, due to the intrusion of the slider into the cylinder of the engine according to the invention, the volume of fresh gas aspirated by these is reduced by a few percentage points (up to at least 95%) compared to that aspirated by an engine four-stroke of the same displacement.
Inoltre, la disposizione radiale delle luci di travaso alla base del cilindro, che in alcune forme di realizzazione è opzionalmente combinata ad una loro particolare orientazione, è concepita per introdurre nel cilindro i gas freschi in direzione non ortogonale alla parete del cilindro stesso, consentendo di generare un flusso di lavaggio dei gas freschi che si sviluppa con moto rotatorio unidirezionale {nella presente descrizione denominato anche heliflow scavenging) dalla base del cilindro fino alla sua sommità, ove è posizionato il sistema di scarico, garantendo un fronte omogeneo e tendenzialmente laminare dei gas freschi anche a causa dell'elevata differenza di temperatura rispetto ai gas combusti. Ciò consente di limitare il rimescolamento tra gas freschi in ingresso e gas combusti di scarico, con la conseguenza di migliorare il grado di evacuazione dei gas combusti e quello di riempimento del cilindro ad opera dei gas freschi, anche perché, essendo dotati di temperature inferiori rispetto a quelle ottenibili con la tecnica anteriore, costituiscono una carica gassosa più densa. Furthermore, the radial arrangement of the transfer ports at the base of the cylinder, which in some embodiments is optionally combined with a particular orientation thereof, is designed to introduce the fresh gases into the cylinder in a direction not perpendicular to the cylinder wall, allowing to generate a fresh gas washing flow that develops with unidirectional rotary motion (in this description also called heliflow scavenging) from the base of the cylinder to its top, where the exhaust system is positioned, ensuring a homogeneous and basically laminar gas front fresh also due to the high temperature difference with respect to the flue gases. This makes it possible to limit the mixing between incoming fresh gases and exhaust gases, with the consequence of improving the degree of evacuation of the combustion gases and that of the cylinder filling by the fresh gases, also because, being equipped with lower temperatures than to those obtainable with the prior art, they constitute a denser gaseous charge.
Inoltre, la maggiore pressione garantita dall'elevato rapporto di compressione nel carter pompa, unitamente all'elevata area complessiva delle luci di travaso, consente di ridurre significativamente la durata della fase di travaso, per cui quest'ultima può essere ridotta fino al punto di concludersi dopo il Punto Morto Inferiore a valori {in gradi di rotazione dell'asse dell'albero motore) simili a quelli cui in un motore a quattro tempi si chiude la valvola di aspirazione. Furthermore, the higher pressure guaranteed by the high compression ratio in the pump casing, together with the high overall area of the transfer ports, allows to significantly reduce the duration of the transfer phase, so that the latter can be reduced up to the point of transfer. end after the Bottom Dead Center at values (in degrees of rotation of the crankshaft axis) similar to those in which the intake valve closes in a four-stroke engine.
Ancora, grazie all'unidirezionalità del flusso di lavaggio dei gas freschi dalla base del cilindro verso la testata, il motore a due tempi secondo l'invenzione ha la testata interamente disponibile per la realizzazione di valvole di scarico la cui area complessiva può rendere particolarmente veloce l'evacuazione dei gas combusti. Furthermore, thanks to the unidirectionality of the fresh gas washing flow from the base of the cylinder towards the cylinder head, the two-stroke engine according to the invention has the cylinder head entirely available for the realization of exhaust valves whose overall area can make it particularly fast evacuation of flue gases.
La breve durata della fase di travaso e la veloce evacuazione dei gas combusti, consentono di ritardare l'inizio della fase di scarico dei gas combusti dai consueti 80°-100° {gradi di rotazione dell'asse dell'albero motore e riferiti a motori ad elevato regime di rotazione) dal Punto Morto Superiore fino a 120° ed oltre, ottenendo uno sfruttamento assai superiore della fase di espansione rispetto ai motori a due tempi della tecnica anteriore e molto simile a quello rilevabile in un motore a quattro tempi. The short duration of the transfer phase and the fast evacuation of the flue gases allow the start of the flue gas discharge phase to be delayed from the usual 80 ° -100 ° {degrees of rotation of the crankshaft axis and referred to motors at high rotation speed) from the Top Dead Center up to 120 ° and beyond, obtaining a much higher exploitation of the expansion phase compared to the two-stroke engines of the prior art and very similar to that found in a four-stroke engine.
Oltretutto, l'adozione di valvole di scarico sulla testata consente di adottare meccanismi di fasatura variabile, sia in apertura delle valvole sia nella loro chiusura, come nei più moderni motori a quattro tempi, rendendo più lineare la curva di erogazione della potenza e consentendo un più agevole sfruttamento della sovralimentazione prodotta da un eventuale scarico ad espansione, anch'esso eventualmente dotato di sistemi che ne regolino opportunamente la geometria. Furthermore, the adoption of exhaust valves on the cylinder head allows the adoption of variable valve timing mechanisms, both in opening the valves and in their closing, as in the most modern four-stroke engines, making the power delivery curve more linear and allowing a easier exploitation of the supercharging produced by a possible expansion exhaust, also possibly equipped with systems that suitably regulate its geometry.
Infine, la particolare conformazione del pistone produce una notevole riduzione delle masse in moto alternativo da accelerare/decelerare, un annullamento delle forze non assiali applicate al pistone ed una rilevante riduzione delle vibrazioni per forze di primo e secondo ordine {tali effetti sono ancor più esaltati in quelle forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione che adottano un albero ipocicloidale bicuspide), nonché una rilevante riduzione degli attriti di scorrimento tra pistone e parete laterale del cilindro. Finally, the particular conformation of the piston produces a considerable reduction in the masses in reciprocating motion to accelerate / decelerate, a cancellation of the non-axial forces applied to the piston and a significant reduction in vibrations for first and second order forces {these effects are even more enhanced in those embodiments of the two-stroke engine according to the invention which adopt a bicuspid hypocycloidal shaft), as well as a significant reduction in sliding friction between the piston and the side wall of the cylinder.
Rispetto ai motori a due tempi convenzionali della tecnica anteriore, il motore a due tempi secondo l'invenzione ha un migliore riempimento del cilindro ad opera dei gas freschi ed un maggiore sfruttamento della fase di espansione. Compared to conventional two-stroke engines of the prior art, the two-stroke engine according to the invention has a better filling of the cylinder by the fresh gases and a greater exploitation of the expansion phase.
Inoltre, nelle forme di realizzazione che adottano l'albero ipocicloidale bicuspide, il motore a due tempi secondo l'invenzione ha, rispetto ai motori a due tempi della tecnica anteriore prowisti di sistema testacroce (crosshead) e sovralimentazione controllata, un minore ingombro verticale (grazie alla presenza di un solo organo di connessione tra pistone e manovella dell'albero motore) e non richiede necessariamente un compressore di sovralimentazione. Furthermore, in the embodiments that adopt the bicuspid hypocycloidal shaft, the two-stroke engine according to the invention has, compared to the two-stroke engines of the prior art provided with a crosshead system and controlled supercharging, a smaller vertical dimension ( thanks to the presence of only one connecting element between piston and crankshaft crank) and does not necessarily require a supercharger.
La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle Figure dei disegni allegati, in cui: The present invention will now be described, for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, with particular reference to the Figures of the attached drawings, in which:
le Figure 1-22 mostrano una sezione longitudinale di una preferita forma di realizzazione del motore alternativo a combustione interna a due tempi secondo l'invenzione in ventidue momenti di funzionamento; e Figures 1-22 show a longitudinal section of a preferred embodiment of the two-stroke reciprocating internal combustion engine according to the invention in twenty-two moments of operation; And
la Figura 23 mostra una sezione secondo il piano AA del cilindro di Figura 8. Figure 23 shows a section according to plane AA of the cylinder of Figure 8.
Nelle Figure numeri di riferimento identici saranno utilizzati per elementi analoghi. In the Figures identical reference numbers will be used for similar elements.
Con riferimento alla Figura 1, si può osservare che la preferita forma di realizzazione del motore alternativo a combustione interna a due tempi secondo l'invenzione comprende un cilindro 100 provvisto di intercapedini laterali 110 configurate per far passare il fluido refrigerante del sistema di raffreddamento a liquido. Il motore comprende altresì quattro valvole 120 di scarico, solo due delle quali sono visibili nelle Figure 1-22, arrangiate radialmente sulla testata del cilindro 100. Il motore comprende altresì una candela 130 di accensione, configurata per generare una scintilla che avvìi la combustione del combustibile, ed un iniettore 140, configurato per introdurre combustibile nel cilindro 100; la candela 130 dì accensione e l'iniettore 140 sono arrangiati in prossimità del centro della testata del cilindro 100. With reference to Figure 1, it can be observed that the preferred embodiment of the two-stroke reciprocating internal combustion engine according to the invention comprises a cylinder 100 provided with lateral gaps 110 configured to pass the coolant fluid of the liquid cooling system . The engine also includes four exhaust valves 120, only two of which are visible in Figures 1-22, arranged radially on the cylinder head 100. The engine also includes a spark plug 130, configured to generate a spark which initiates the combustion of the engine. fuel, and an injector 140 configured to introduce fuel into cylinder 100; the spark plug 130 and the injector 140 are arranged near the center of the cylinder head 100.
Altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono avere un numero di candele 130 diverso da uno ed uno o più iniettori 140 opzionalmente arrangiati anche sulla parete del cilindro 100, mentre ulteriori forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono adottare in alternativa uno o più carburatori. Other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can have a number of spark plugs 130 different from one and one or more injectors 140 optionally arranged also on the wall of the cylinder 100, while further embodiments of the two-stroke engine according to the The invention may alternatively adopt one or more carburetors.
Il motore comprende altresì un pistone 150 configurato per effettuare un moto alternativo all'interno del cilindro 100. In particolare, il pistone 150 è sostanzialmente privo del mantello ed è formato dal cielo, i.e. l'estremità superiore del pistone 150 la cui faccia planare superiore forma la parete inferiore della camera 160 di combustione (in particolare mostrata in Figura 12), e da una limitatissima porzione cilindrica laterale provvista sulla superficie laterale di cave che alloggiano le fasce elastiche 155 configurate per assicurare la tenuta della porzione del cilindro 100 al di sotto del pistone 150 rispetto alla porzione del cilindro 100 al di sopra del pistone 150 (quando il pistone si trova al di sopra dei condotti 190 di travaso illustrati più avanti), resistendo anche alla pressione generata dalla combustione del combustibile che avviene nella porzione del cilindro 100 al di sopra del pistone 150 (e minimizzando la dispersione di lubrificante, nel caso venga adottata una lubrificazione separata mediante canalizzazioni interne al corsoio 170 ed al pistone 150). The engine also comprises a piston 150 configured to perform a reciprocating motion inside the cylinder 100. In particular, the piston 150 is substantially devoid of the skirt and is formed by the crown, i.e. the upper end of the piston 150 whose upper planar face forms the lower wall of the combustion chamber 160 (in particular shown in Figure 12), and by a very limited lateral cylindrical portion provided on the lateral surface with slots which house the configured piston rings 155 to ensure the seal of the portion of the cylinder 100 below the piston 150 with respect to the portion of the cylinder 100 above the piston 150 (when the piston is above the transfer ducts 190 illustrated below), also resisting the pressure generated by the combustion of the fuel which takes place in the portion of the cylinder 100 above the piston 150 (and minimizing the dispersion of lubricant, if a separate lubrication is adopted by means of channels inside the slider 170 and the piston 150).
Il pistone 150 è rigidamente vincolato ad un corsoio 170 configurato per scorrere in modo rettilineo alternativo attraverso un corrispondente foro della base 105 del cilindro 100, in cui tale foro è provvisto di mezzi di tenuta (non mostrati), come ad esempio uno o più anelli metallici. La testa 175 del corsoio 170 è meccanicamente connessa ad un albero ipocicloidale bicuspide 180, per cui il corsoio 170 e l'albero 180 formano un sistema ipocicloidale bicuspide per la conversione del moto rettilineo alternativo del pistone 150, e di conseguenza del corsoio 170, in un moto circolare dell'albero 180 come descritto nel brevetto italiano n. 1408727, concesso per la domanda italiana n. RM2011A000537 depositata Γ11.10.2011. In particolare, la testa 175 del corsoio 170 è infulcrata a due elementi rotanti ospitati circolari 183 in rispettivi primi fulcri eccentrici 184 (dei quali solo uno è visibile nelle Figure 1-22), in cui i due elementi rotanti ospitati circolari 183 sono a loro volta infulcrati eccentricamente all'asse centrale di due elementi rotanti ospitanti circolari 186 in rispettivi secondi fulcri eccentrici 187 (dei quali solo uno è visibile nelle Figure 1-22) in modo tale che, durante il funzionamento del motore ed il conseguente moto rettilineo alternativo del pistone 150, la testa 175 del corsoio 170 segua una curva ipocicloidale bicuspide rispetto alle circonferenze descritte dalla rotazione dei due elementi rotanti ospitanti circolari 186; in particolare, l'asse di ognuno dei due elementi rotanti ospitati circolari 183 costituisce un semialbero per la preferita forma di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione. Altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono comprendere alberi ipocicloidali bicuspidi differenti da quello illustrato per la preferita forma di realizzazione, ad esempio un albero selezionato tra le varie forme di realizzazione del sistema ipocicloidale bicuspide descritte nel brevetto italiano n. 1408727. L'uso dell'albero ipocicloidale bicuspide 180 consente l'adozione di un pistone 150 vincolato rigidamente al corsoio 170. The piston 150 is rigidly constrained to a slide 170 configured to slide in an alternative rectilinear way through a corresponding hole in the base 105 of the cylinder 100, in which this hole is provided with sealing means (not shown), such as for example one or more rings metallic. The head 175 of the slider 170 is mechanically connected to a bicuspid hypocycloidal shaft 180, so that the slider 170 and the shaft 180 form a bicuspid hypocycloidal system for the conversion of the reciprocating rectilinear motion of the piston 150, and consequently of the slider 170, into a circular motion of the shaft 180 as described in the Italian patent no. 1408727, granted for the Italian application n. RM2011A000537 filed Γ11.10.2011. In particular, the head 175 of the slider 170 is pivoted to two rotating circular elements 183 in respective first eccentric fulcrums 184 (of which only one is visible in Figures 1-22), in which the two rotating circular elements 183 are at their eccentrically pivoted to the central axis of two rotating circular host elements 186 in respective second eccentric fulcrums 187 (of which only one is visible in Figures 1-22) in such a way that, during the operation of the engine and the consequent reciprocating rectilinear motion of the piston 150, the head 175 of the slide 170 follows a bicuspid hypocycloidal curve with respect to the circumferences described by the rotation of the two rotating elements housing circular elements 186; in particular, the axis of each of the two circular housed rotating elements 183 constitutes a half shaft for the preferred embodiment of the two-stroke engine according to the invention. Other embodiments of the two-stroke engine according to the invention may comprise bicuspid hypocycloidal shafts different from the one illustrated for the preferred embodiment, for example a shaft selected from the various embodiments of the bicuspid hypocycloidal system described in the Italian patent n. 1408727. The use of the bicuspid hypocycloidal shaft 180 allows the adoption of a piston 150 rigidly bound to the slider 170.
Si deve tuttavia tenere presente che altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono comprendere un manovellismo, cui è meccanicamente connessa la testa 175 del corsoio 170, differente dai componenti rotanti un albero ipocicloidale bicuspide, il quale manovellismo è configurato per trasformare il moto rettilineo alternato del complesso pistone-corsoio in moto circolare di un albero motore, rimanendo sempre neN'ambito di protezione dell'invenzione. A titolo esemplificativo e non limitativo, la Figura 24 mostra una seconda forma di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione in cui il manovellismo comprende un sistema testacroce, in cui la testa 175 del corsoio 170 è connessa al piede di una biella 300 connessa alla manovella 310 di un albero motore 320; la testa 175 del corsoio 170 è provvista di pattini 330 configurati per scorrere lungo rispettive guide 340, per cui la testa 175 e conseguentemente il corsoio 170 sono vincolati a seguire una traiettoria rettilinea. Di conseguenza, il sistema testacroce del motore di Figura 24 è configurato per trasformare il moto rettilineo alternato del complesso pistone-corsoio nel moto circolare dell'albero motore 320. However, it must be borne in mind that other embodiments of the two-stroke engine according to the invention may comprise a crank mechanism, to which the head 175 of the slider 170 is mechanically connected, different from the rotating components a bicuspid hypocycloidal shaft, which crank mechanism is configured for transforming the reciprocating rectilinear motion of the piston-slider assembly into circular motion of a crankshaft, always remaining within the scope of the invention. By way of non-limiting example, Figure 24 shows a second embodiment of the two-stroke engine according to the invention in which the crank mechanism comprises a crosshead system, in which the head 175 of the slide 170 is connected to the foot of a connecting rod 300 connected to the crank 310 of a drive shaft 320; the head 175 of the slider 170 is provided with runners 330 configured to slide along respective guides 340, so that the head 175 and consequently the slider 170 are constrained to follow a rectilinear trajectory. Consequently, the crosshead system of the engine of Figure 24 is configured to transform the reciprocating rectilinear motion of the piston-slider assembly into the circular motion of the crankshaft 320.
Tornando a far riferimento alla Figura 1, e facendo riferimento anche alla Figura 23, si può osservare che lungo l'intera circonferenza perimetrale della base 105 del cilindro 100 sono angolarmente uniformemente distribuiti una pluralità dì condotti 190 di travaso delimitati da pareti planari verticali 193, i.e. disposte su piani paralleli all'asse longitudinale del cilindro 100 lungo il quale il pistone 150 effettua il moto alternativo, sagomate come segmenti sostanzialmente circolari {come mostrato nelle Figure 1-22), opzionalmente come semicerchi, per cui i condotti 190 di travaso sono sagomati come segmenti sostanzialmente troncoconici {sebbene la specifica sagoma dei condotti 190 di travaso non sia una caratteristica essenziale dell'invenzione, ad esempio possono anche essere sagomati come segmenti sostanzialmente cilindrici). L'arrangiamento dei condotti 190 di travaso lungo la base 105 del cilindro 100 è consentito dalla disposizione delle valvole 120 di scarico sulla testata del cilindro 100. L'abbondanza dei condotti 190 di travaso migliora drasticamente il flusso di lavaggio dei gas e consente di ridurre l'altezza hs delle luci di travaso rispetto alla base 105 {mostrata in Figura 10, che è la dimensione del segmento sostanzialmente tronco-conico dei condotti 190 di travaso nella direzione parallela all'asse longitudinale del cilindro 100), minimizzando la durata della fase di travaso in favore della successiva fase di compressione. La brevità dei condotti 190 di travaso {i.e. dell'altezza hs) è consentita anche dal fatto che il pistone 150 è sostanzialmente privo di mantello, e ciò migliora ulteriormente l'efficienza di pompaggio rispetto ai motori a due tempi della tecnica anteriore, come verrà illustrato nel seguito. Nella preferita forma di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione, i condotti 190 di travaso sono sagomati come segmenti sostanzialmente tronco-conici in quanto sono configurati in modo tale da direzionare i gas freschi tangenzialmente nel cilindro 100 in fase di travaso, i.e. in direzione non ortogonale rispetto alla parete di detto cilindro 100; più precisamente, facendo riferimento alla Figura 23, la coppia di pareti planari verticali 193 che delimitano un rispettivo condotto 190 non sono disposte radialmente rispetto al cilindro 100, ma sono parallele tra loro ed orientate secondo un piano 194 che forma, con il piano radiale 195 passante per lo spigolo prossimale 196 della prima parete planare 193 del condotto 190 che si incontra in senso antiorario, un angolo a, in Figura 23 pari a circa 10°, dove l'angolo a è considerato partendo dal piano radiale 195 ed andando verso il piano 194. Altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono avere un differente valore dell'angolo a, opzionalmente variabile da -30° a 30° (per cui -30° < a ≤ 30°), più opzionalmente non inferiore a 5° in modulo (per cui -30° < a < -5° o 5° < a < 30°), ancora più opzionalmente non superiore a 25° in modulo (per cui -25° < a < -5° o 5° < a < 25°), persino più opzionalmente non inferiore a 10° in modulo (per cui -25° ≤ a ≤ -10° o 10° < a ≤ 25°). L'ampiezza dell'angolo a può essere vantaggiosamente definita in sede progettuale sulla base di variabili quali, a titolo esemplificativo e non limitativo, i regimi di rotazione del motore prescelti per ottenere la massima potenza erogabile od il minimo consumo specifico. Returning to Figure 1, and also referring to Figure 23, it can be observed that along the entire perimeter circumference of the base 105 of the cylinder 100 a plurality of transfer ducts 190 delimited by vertical planar walls 193 are angularly uniformly distributed. i.e. arranged on planes parallel to the longitudinal axis of the cylinder 100 along which the piston 150 performs the reciprocating motion, shaped as substantially circular segments (as shown in Figures 1-22), optionally as semicircles, so that the transfer ducts 190 are shaped as substantially frusto-conical segments (although the specific shape of the transfer ducts 190 is not an essential feature of the invention, for example they can also be shaped as substantially cylindrical segments). The arrangement of the transfer ducts 190 along the base 105 of the cylinder 100 is allowed by the arrangement of the exhaust valves 120 on the cylinder head 100. The abundance of the transfer ducts 190 drastically improves the gas washing flow and allows to reduce the height hs of the transfer ports with respect to the base 105 (shown in Figure 10, which is the dimension of the substantially frusto-conical segment of the transfer ducts 190 in the direction parallel to the longitudinal axis of the cylinder 100), minimizing the duration of the phase decanting in favor of the subsequent compression phase. The brevity of the transfer ducts 190 {i.e. height hs) is also allowed by the fact that the piston 150 is substantially without a skirt, and this further improves the pumping efficiency with respect to the two-stroke engines of the prior art, as will be illustrated below. In the preferred embodiment of the two-stroke engine according to the invention, the transfer ducts 190 are shaped as substantially frusto-conical segments since they are configured in such a way as to direct the fresh gases tangentially into the cylinder 100 during the transfer phase, i.e. in a direction not orthogonal with respect to the wall of said cylinder 100; more precisely, with reference to Figure 23, the pair of vertical planar walls 193 that delimit a respective duct 190 are not arranged radially with respect to the cylinder 100, but are parallel to each other and oriented according to a plane 194 which forms, with the radial plane 195 passing through the proximal edge 196 of the first planar wall 193 of the duct 190 which meets in an anticlockwise direction, an angle a, in Figure 23 equal to about 10 °, where the angle a is considered starting from the radial plane 195 and going towards the plane 194. Other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can have a different value of the angle a, optionally variable from -30 ° to 30 ° (for which -30 ° <a ≤ 30 °), more optionally not less than 5 ° in module (for which -30 ° <a <-5 ° or 5 ° <a <30 °), even more optionally not more than 25 ° in module (for which -25 ° <a <-5 ° or 5 ° <a <25 °), even more optionally not less than 10 ° in module (for which -25 ° ≤ a ≤ -1 0 ° or 10 ° <a ≤ 25 °). The amplitude of the angle a can be advantageously defined in the design stage on the basis of variables such as, by way of non-limiting example, the engine rotation speeds selected to obtain the maximum deliverable power or the minimum specific consumption.
Al di sotto della base 105 del cilindro 100, la preferita forma di realizzazione del motore a due tempi mostrata nelle Figure comprende un collettore 200 di aspirazione del comburente la cui uscita è collegata a valvole lamellari 210 (meglio visibili nelle Figure 2-14 e 23), poste su rispettivi supporti 220 (mostrati nella Figura 23). In particolare, la preferita forma di realizzazione del motore secondo l'invenzione mostrata nelle Figure 1-23 comprende sei valvole lamellari 210; si deve tuttavia tenere presente che altre forme di realizzazione possono comprendere un numero di valvole lamellari differente da sei (e sagomate in modo differente da quelle mostrate nelle Figure 1-23), ad esempio una sola oppure da due a cinque oppure sette o più valvole lamellari. Le valvole lamellari 210 sono configurate per aprirsi, quando al di sotto del pistone 150 sì crea una condizione di depressione (i.e. durante una fase di salita del pistone dal Punto Morto Inferiore al Punto Morto Superiore, come verrà descritto più avanti), per introdurre i gas freschi nella camera delimitata dalla faccia inferiore del pistone 150 e dalla base 105 del cilindro (i.e. nella porzione di cilindro 100 al di sotto del pistone 150), la quale camera opera da carter pompa. Altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono comprendere, invece di una o più valvole lamellari, una o più valvole a stelo sulla base 105 del cilindro 100, che possono opzionalmente operare a fasatura variabile, a monte delle quali potrebbe opzionalmente essere collegata una pompa di aspirazione. Lo spostamento dei mezzi di aspirazione sulla base del cilindro 100 crea un flusso unidirezionale di lavaggio dal basso verso l'alto nel cilindro 100 che consente di dedicare la testata dello stesso cilindro 100 ai mezzi di evacuazione dei gas combusti, quali valvole 120 di scarico disposte radialmente sulla testata del cilindro 100 in modo uniformemente distribuito sulla testata stessa, in cui le valvole 120 di scarico possono opzionalmente operare a fasatura variabile. Below the base 105 of the cylinder 100, the preferred embodiment of the two-stroke engine shown in the Figures comprises a comburent intake manifold 200 whose outlet is connected to reed valves 210 (better visible in Figures 2-14 and 23 ), placed on respective supports 220 (shown in Figure 23). In particular, the preferred embodiment of the engine according to the invention shown in Figures 1-23 comprises six reed valves 210; it should however be borne in mind that other embodiments may comprise a number of reed valves different from six (and shaped differently from those shown in Figures 1-23), for example a single or two to five or seven or more valves lamellar. The reed valves 210 are configured to open, when a condition of depression is created below the piston 150 (i.e. during an upward phase of the piston from the Bottom Dead Center to the Top Dead Center, as will be described later), to introduce the fresh gases in the chamber delimited by the lower face of the piston 150 and the base 105 of the cylinder (i.e. in the portion of the cylinder 100 below the piston 150), which chamber acts as a pump casing. Other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can comprise, instead of one or more reed valves, one or more rod valves on the base 105 of the cylinder 100, which can optionally operate at variable valve timing, upstream of which it could optionally be connected a suction pump. The displacement of the suction means on the base of the cylinder 100 creates a unidirectional washing flow from the bottom to the top in the cylinder 100 which allows the head of the cylinder 100 to be dedicated to the exhaust gas evacuation means, such as exhaust valves 120 arranged radially on the head of the cylinder 100 in a uniformly distributed manner on the head itself, in which the exhaust valves 120 can optionally operate at variable valve timing.
Il funzionamento del motore a due tempi secondo l'invenzione è illustrato nelle Figure 1-22. In particolare, la Figura 1 mostra il momento di funzionamento del motore in cui il pistone 150 è nel Punto Morto Inferiore (PMI). Le Figure 2-12 mostrano momenti successivi di funzionamento del motore in cui il pistone 150 sale dal PMI verso la testata fino al Punto Morto Superiore {PMS), mostrato in Figura 12, comprimendo la miscela comprendente combustibile, nel frattempo iniettato nel cilindro 100 dall'iniettore 140, e comburente e creando una condizione di depressione nella porzione di cilindro 100 al di sotto del pistone 150 {Le. nella camera delimitata dalla faccia inferiore del pistone 150 e dalla base 105 del cilindro) che provoca l'apertura delle lamelle 210 della valvola lamellare per introdurre i gas freschi di comburente nella porzione di cilindro 100 al di sotto del pistone 150 che opera da carter pompa. The operation of the two-stroke engine according to the invention is illustrated in Figures 1-22. In particular, Figure 1 shows the engine operating time at which the piston 150 is at Bottom Dead Center (PMI). Figures 2-12 show successive moments of engine operation in which the piston 150 rises from the PMI towards the cylinder head up to the Top Dead Center (TDC), shown in Figure 12, compressing the mixture comprising fuel, meanwhile injected into the cylinder 100 from injector 140, is comburent and creating a vacuum condition in the cylinder portion 100 below the piston 150 {Le. in the chamber delimited by the lower face of the piston 150 and the base 105 of the cylinder) which causes the opening of the reeds 210 of the reed valve to introduce the fresh comburent gases into the portion of the cylinder 100 below the piston 150 which acts as a pump casing .
La Figura 12 mostra inoltre il momento di funzionamento del motore in cui la candela 130 di accensione genera una scintilla 135 che avvia la combustione del combustibile nella camera 160 di combustione. Le Figure 13-18 mostrano momenti successivi di funzionamento del motore in cui il pistone 150 scende dal PMS verso la base 105 del cilindro 100 per effetto della spinta della combustione del combustibile creando una condizione di pressione crescente nella porzione del cilindro 100 al di sotto del pistone 150 che provoca la progressiva chiusura delle valvole lamellari 210, come mostrato nelle Figure 13-15. Le Figure 20-22 mostrano momenti successivi di funzionamento del motore in cui le valvole 120 di scarico vengono progressivamente aperte per iniziare l'evacuazione dei gas combusti ed il pistone 150 raggiunge il limite superiore dei condotti 190 di travaso, quando la pressione nella porzione del cilindro 100 al di sotto del pistone 150, operante da carter pompa, raggiunge un valore massimo. Le Figure 21 e 22 mostrano momenti successivi di funzionamento del motore in cui i condotti 190 di travaso vengono progressivamente scoperti a partire dal momento in cui il pistone 150 scende al di sotto di un'altezza dalla base 105 minore dell'altezza hs dei condotti 190 di travaso, dando luogo alla fase di travaso in cui il comburente compresso al di sotto del pistone 150 passa nella parte superiore del cilindro 100, finché il pistone 150 raggiunge il PMI, come mostrato in Figura 1, in cui i condotti 190 di travaso sono completamente scoperti, ed il ciclo del pistone ricomincia. In particolare, nelle Figure 2-4 sono mostrati due momenti successivi di funzionamento del motore in cui le valvole 120 di scarico vengono progressivamente chiuse. In particolare, l'iniettore 140 inietta combustibile nel cilindro 100 per un intervallo di tempo pari ad almeno una porzione del periodo temporale in cui le valvole 120 di scarico sono chiuse ed il pistone 150 sale verso la testata prima della generazione della scintilla 135 (mostrata in Figura 12), e.g. per un intervallo di tempo pari ad almeno una porzione del periodo temporale mostrato nelle Figure da 4 a 11. Figure 12 also shows the time of engine operation at which the spark plug 130 generates a spark 135 which initiates the combustion of the fuel in the combustion chamber 160. Figures 13-18 show successive moments of engine operation in which the piston 150 descends from the TDC towards the base 105 of the cylinder 100 due to the thrust of the combustion of the fuel, creating a condition of increasing pressure in the portion of the cylinder 100 below the piston 150 which causes the progressive closing of the reed valves 210, as shown in Figures 13-15. Figures 20-22 show successive moments of engine operation in which the exhaust valves 120 are progressively opened to initiate the evacuation of the burnt gases and the piston 150 reaches the upper limit of the transfer ducts 190, when the pressure in the portion of the cylinder 100 below the piston 150, operating as a pump casing, reaches a maximum value. Figures 21 and 22 show successive moments of engine operation in which the transfer ducts 190 are progressively uncovered starting from the moment in which the piston 150 falls below a height from the base 105 less than the height hs of the ducts 190 transfer, giving rise to the transfer phase in which the combustion agent compressed underneath the piston 150 passes into the upper part of the cylinder 100, until the piston 150 reaches the PMI, as shown in Figure 1, in which the transfer ducts 190 are completely uncovered, and the piston cycle begins again. In particular, Figures 2-4 show two successive moments of engine operation in which the exhaust valves 120 are progressively closed. In particular, the injector 140 injects fuel into the cylinder 100 for an interval of time equal to at least a portion of the time period in which the exhaust valves 120 are closed and the piston 150 rises towards the head before the generation of the spark 135 (shown in Figure 12), e.g. for a time interval equal to at least a portion of the time period shown in Figures 4 to 11.
Inoltre, nella preferita forma di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione, l'orientazione angolata dei condotti 190 di travaso è configurata per direzionare i gas freschi tangenzialmente nel cilindro 100 in fase di travaso, i.e. in direzione non ortogonale alla parete del cilindro 100, per cui i gas freschi sono introdotti nella base 105 del cilindro 100 seguendo traiettorie ordinate, sostanzialmente prive di turbolenze, generando un vortice nel flusso di lavaggio dei gas freschi nel cilindro 100 in modo tale che il fronte dei gas freschi sale all'interno del cilindro 100 in regime rotatorio riducendo ancora di più il rimescolamento dei gas freschi con i gas combusti. In particolare, altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono includere condotti 190 di travaso aventi una differente orientazione angolata configurata per direzionare i gas freschi tangenzialmente, o comunque in direzione non ortogonale alla parete del cilindro 100, tale da far salire il fronte dei gas freschi all'interno del cilindro 100 in regime rotatorio. Furthermore, in the preferred embodiment of the two-stroke engine according to the invention, the angled orientation of the transfer ducts 190 is configured to direct the fresh gases tangentially into the cylinder 100 during the transfer phase, i.e. in a direction not orthogonal to the wall of the cylinder 100, whereby the fresh gases are introduced into the base 105 of the cylinder 100 following ordered trajectories, substantially free of turbulence, generating a vortex in the fresh gas washing flow in the cylinder 100 so that the the front of the fresh gases rises inside the cylinder 100 in a rotating regime, further reducing the mixing of the fresh gases with the burnt gases. In particular, other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can include transfer ducts 190 having a different angled orientation configured to direct the fresh gases tangentially, or in any case in a direction not orthogonal to the wall of the cylinder 100, such as to make rise the fresh gas front inside the cylinder 100 in rotary mode.
Il flusso di lavaggio dei gas freschi durante la fase di travaso è un flusso rotatorio unidirezionale (qui denominato heliflow scavenging) dalla base 105 del cilindro 100 fino alla testata ed è questo particolare tipo di flusso che genera un fronte omogeneo di gas freschi che, anche a causa dell'elevata differenza di temperatura dei gas freschi rispetto ai gas combusti, è tendenzialmente laminare, aumentando la velocità e l'efficienza di evacuazione scarico dei gas combusti e riducendo grandemente il rimescolamento dei gas freschi con i gas combusti. The fresh gas washing flow during the transfer phase is a unidirectional rotary flow (here called heliflow scavenging) from the base 105 of the cylinder 100 up to the head and it is this particular type of flow that generates a homogeneous fresh gas front which, even due to the high temperature difference of the fresh gases compared to the flue gases, it tends to be laminar, increasing the speed and efficiency of exhaust evacuation of the flue gases and greatly reducing the mixing of the fresh gases with the flue gases.
Nel motore a due tempi secondo l'invenzione, l'intera base 105 del cilindro 100 è disponibile per la realizzazione dei condotti 190 di travaso, la cui area complessiva consente di ridurre in misura assai rilevante la durata della fase di travaso. Ciò comporta che la durata della fase di travaso potrebbe ridursi dai 120°-130°, consueti per motori veloci della tecnica anteriore, fino a 80° -90°, per concludersi dopo il PMI a valori simili a quelli cui in un motore a quattro tempi veloce si chiude la valvola di aspirazione dopo il PMI. Il ritardato avvio della fase di travaso, unitamente alla maggiore pressione raggiunta dal comburente al di sotto del pistone 150 nella Figura 21 ed alla velocità di evacuazione dei gas combusti, consentono di ritardare l'inizio della fase di scarico dai consueti 80°-100° dei motori della tecnica anteriore dal PMS fino a 120° dal PMS, con uno sfruttamento assai superiore della fase di espansione; in particolare, l'inizio della fase di scarico a regimi elevati inizia prima dei 116° dal PMS come mostrato nella Figura 20, mentre quello della fase di scarico a bassi regimi inizia prima dei 128° dal PMS come mostrato nella Figura 21. In the two-stroke engine according to the invention, the entire base 105 of the cylinder 100 is available for making the transfer ducts 190, the overall area of which allows the duration of the transfer phase to be significantly reduced. This implies that the duration of the transfer phase could be reduced from 120 ° -130 °, usual for fast engines of the prior art, up to 80 ° -90 °, ending after the PMI at values similar to those in a four engine fast times the intake valve closes after the PMI. The delayed start of the transfer phase, together with the higher pressure reached by the comburent below the piston 150 in Figure 21 and the exhaust gas evacuation speed, allow to delay the start of the discharge phase from the usual 80 ° -100 ° of the engines of the prior art from TDC up to 120 ° from TDC, with a much higher exploitation of the expansion phase; in particular, the beginning of the exhaust phase at high rpm begins before 116 ° from TDC as shown in Figure 20, while that of the exhaust phase at low rpm begins before 128 ° from TDC as shown in Figure 21.
Ulteriormente, l'efficienza e le prestazioni del motore a due tempi secondo l'invenzione possono essere ancor più incrementati adottando a valle delle valvole 120 di scarico un sistema di scarico ad espansione (comprendente cono e contro-cono Venturi) tipico dei motori a due tempi, opzionalmente a geometria variabile. Furthermore, the efficiency and performance of the two-stroke engine according to the invention can be even more increased by adopting, downstream of the exhaust valves 120, an expansion exhaust system (comprising Venturi cone and counter-cone) typical of two-stroke engines. times, optionally with variable geometry.
Il motore alternativo a combustione interna a due tempi secondo l'invenzione è stato descritto con riferimento particolare ad una preferita forma dì realizzazione comprendente un cilindro con raffreddamento a liquido, un pistone privo di gran parte del mantello, condotti di travaso specificamente sagomati in modo da essere delimitati da pareti planari verticali (i.e. disposte su piani paralleli all'asse longitudinale del cilindro lungo il quale il pistone effettua il moto alternativo) aventi una orientazione angolata che direziona i gas freschi in fase di travaso in direzione non ortogonale alla parete del cilindro, specifiche valvole lamellari operanti quale mezzi meccanici di aspirazione alla base del cilindro e, tutti arrangiati sulla testata del cilindro, quattro valvole di scarico, un iniettore configurato per iniettare combustibile nel cilindro ed una candela di accensione per generare una scintilla che avvii la combustione. Si deve, tuttavia, tenere presente che altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono: The two-stroke reciprocating internal combustion engine according to the invention has been described with particular reference to a preferred embodiment comprising a liquid-cooled cylinder, a piston without most of the skirt, transfer ducts specifically shaped so as to be delimited by vertical planar walls (i.e. arranged on planes parallel to the longitudinal axis of the cylinder along which the piston performs the reciprocating motion) having an angled orientation that directs the fresh gases during the transfer phase in a direction not perpendicular to the cylinder wall, specific reed valves operating as mechanical intake means at the base of the cylinder and, all arranged on the cylinder head, four exhaust valves, an injector configured to inject fuel into the cylinder and a spark plug to generate a spark that initiates combustion. It should, however, be borne in mind that other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can:
- comprendere un numero qualsiasi di cilindri, in ognuno dei quali un rispettivo pistone è configurato per effettuare un moto alternativo ed è rigidamente vincolato ad un corsoio, che è a sua volta connesso ad un albero motore, opzionalmente ipocicloidale bicuspide, - comprising any number of cylinders, in each of which a respective piston is configured to perform a reciprocating motion and is rigidly constrained to a slider, which is in turn connected to a drive shaft, optionally hypocycloidal bicuspid,
- comprendere sistemi di raffreddamento differenti dal raffreddamento a liquido, ad esempio sistemi di raffreddamento ad aria, - include cooling systems other than liquid cooling, e.g. air cooling systems,
- avere pistoni provvisti di un mantello di maggiore altezza rispetto al pistone mostrato per la preferita forma di realizzazione, - having pistons provided with a skirt of greater height than the piston shown for the preferred embodiment,
- avere condotti di travaso sagomati in modo differente da quello mostrato per la preferita forma di realizzazione, ad esempio almeno alcuni di tali condotti possono essere delimitati da pareti planari verticali {i.e. disposte su piani paralleli all'asse longitudinale del cilindro lungo il quale il pistone effettua il moto alternativo) disposte radialmente rispetto al cilindro {per cui, in fase di travaso, i gas freschi sono direzionati radialmente verso il centro del cilindro) e/o almeno alcuni di tali condotti possono essere delimitati da pareti planari verticali disposte parallelamente ad un piano mediano verticale disposto radialmente rispetto al cilindro {per cui, in fase di travaso, i gas freschi sono direzionati radialmente verso il centro del cilindro) e/o almeno alcuni di tali condotti possono essere delimitati da pareti planari curvilinee, che possono essere tra loro parallele o meno, e configurate in modo tale da direzionare i gas freschi tangenzialmente e/o radialmente nel cilindro in fase di travaso, - have transfer ducts shaped differently from that shown for the preferred embodiment, for example at least some of these ducts can be delimited by vertical planar walls {i.e. arranged on planes parallel to the longitudinal axis of the cylinder along which the piston performs the reciprocating motion) arranged radially with respect to the cylinder (so that, during the transfer phase, the fresh gases are directed radially towards the center of the cylinder) and / or at least some of these ducts can be delimited by vertical planar walls arranged parallel to a vertical median plane arranged radially with respect to the cylinder (so that, in the transfer phase, the fresh gases are directed radially towards the center of the cylinder) and / or at least some of these ducts can be delimited by planar curvilinear walls, which can be parallel to each other or not, and configured in such a way as to direct the fresh gases tangentially and / or radially into the cylinder during the transfer phase,
- includere mezzi meccanici di aspirazione differenti dalle specifiche valvole lamellari mostrate per la preferita forma di realizzazione, ad esempio mezzi meccanici di aspirazione comprendenti una o più differenti valvole lamellari, e/o una o più valvole di tipo differente, opzionalmente una o più valvole a stelo e/o una o più valvole a disco rotante, posizionate nella base del cilindro, opzionalmente posizionate all'uscita di una pompa configurata per pompare il comburente aN'interno del cilindro, - include mechanical suction means different from the specific reed valves shown for the preferred embodiment, for example mechanical suction means comprising one or more different reed valves, and / or one or more valves of different type, optionally one or more valves with rod and / or one or more rotary disk valves, positioned in the base of the cylinder, optionally positioned at the outlet of a pump configured to pump the combustion agent inside the cylinder,
- includere un numero superiore ad uno di iniettori per iniettare combustibile nel cilindro, in cui opzionalmente questi possono essere distribuiti sulla parete laterale del cilindro, ed inoltre altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono essere prive di iniettori, per cui il combustibile viene introdotto nel cilindro miscelato con il comburente, - include a greater than one number of injectors for injecting fuel into the cylinder, in which optionally these can be distributed on the side wall of the cylinder, and furthermore other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can be without injectors, for which the fuel is introduced into the cylinder mixed with the comburent,
- includere un numero di valvole di scarico differente da quattro e/o una o più valvole di scarico differenti dalle valvole a stelo, le valvole di scarico essendo opzionalmente arrangiate in modo da essere uniformemente distribuite sulla testata del cilindro, ed essendo più opzionalmente a fasatura variabile, ed - include a number of exhaust valves other than four and / or one or more exhaust valves different from the stem valves, the exhaust valves being optionally arranged to be uniformly distributed on the cylinder head, and being more optionally timed variable, ed
- includere un numero di candele di accensione differente da uno, ad esempio due o più candele di accensione, e/o una o più candele di accensione arrangiate differentemente dalla testata del cilindro, ed inoltre altre forme di realizzazione del motore a due tempi secondo l'invenzione possono essere prive di candele di accensione, per cui l'accensione del combustibile è spontanea ed il motore secondo l'invenzione è un motore diesel a due tempi, - include a number of spark plugs different from one, for example two or more spark plugs, and / or one or more spark plugs arranged differently from the cylinder head, and furthermore other embodiments of the two-stroke engine according to the invention can be without spark plugs, so that the fuel ignition is spontaneous and the engine according to the invention is a two-stroke diesel engine,
rimanendo sempre nell'ambito di protezione della presente invenzione. always remaining within the scope of protection of the present invention.
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. In the foregoing, the preferred embodiments have been described and variants of the present invention have been suggested, but it is to be understood that those skilled in the art will be able to make modifications and changes without thereby departing from the relative scope of protection, as defined by the claims attached.
Claims (14)
Priority Applications (1)
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| ITUB2015A009359A ITUB20159359A1 (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | TWO-STROKE ENGINE WITH IMPROVED PERFORMANCE |
Applications Claiming Priority (1)
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ID=55697358
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| ITUB2015A009359A ITUB20159359A1 (en) | 2015-12-14 | 2015-12-14 | TWO-STROKE ENGINE WITH IMPROVED PERFORMANCE |
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- 2015-12-14 IT ITUB2015A009359A patent/ITUB20159359A1/en unknown
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