ITVA20130022A1 - Pistoni di sezione allungata piu' performanti del pistone circolare, per motori alternativi ed altre applicazioni - Google Patents

Description

2 DESCRIZIONE

Titolo : Pistoni di sezione allungata più performanti del pistone circolare, per motori alternativi ed altre applicazioni.

2.1 Campo della tecnica a cui l'invenzione fa riferimento

I pistoni oggetto del seguente brevetto trovano principale applicazione nel campo della costruzione dei motori alternativi endotermica funzionanti a ciclo Otto e Diesel.

Altro possibile settore di intervento è rappresentato dal campo del compressori alternativi dei gas e fluidi.

Nel caso più generale, li campo della tecnica cui il brevetto fa riferimento è quello delie applicazioni meccaniche che trasformano un moto lineare alternativo In moto rotatorio , o viceversa, tramite un accoppiamento biella - manovella che riceve il moto da un pistone che scorre all'interno di un cilindro.

2.2 Stato della tecnica preesistente; prospettive future

Nel panorama internazionale delle costruzioni dei motori endotermici alternativi funzionanti a ciclo Otto e Diesel, è tradizione che il pistone, e quindi-sia il cilindro che la camera di combustione, siano di sezione circolare.

Tale forma della sezione da sempre è risultata essere:

- la forma più economica per le lavorazioni meccaniche sia del pistone che del cilindro, - la più razionale per la collocazione delle due valvole, di aspirazione e di scarico,

- per i motori a ciclo Otto, ottimale per la collocazione centrale della candela.

Dalie dimensioni della forma circolare derivano dimensioni ed ingombri di altri organi facenti parte del motore ; il blocco cilindri o blocco motore, l'albero a gomito, gli alberi a camme e di conseguenza il peso del motore, tenendo in debito conto i diversi materiali con cui sono costruiti i sìngoli componenti.

L'evoluzione tecnica del motore alternativo nel tempo ha portato ad una trasformazione radicale dei come sia realizzato I! motore, e la configurazione attuale è completamente diversa da quella dello storico motore originale anche se i termodinamici Otto e Diesel sono rimasti invariati.

Per i motori a ciclo Otto riservati ad applicazioni di alta tecnologia che richiedono prestazioni elevate in termini di :

- Ridotte dimensioni di ingombro

- Riduzione del peso

- Elevate potenze

l'architettura della camera di combustione risulta sempre più complessa per la presenza in ogni cilindro di almeno 4 valvole, più 2 candele, per cui è pensabile che la sezione circolare del pistone non sia più adeguata ai tempi e si renda necessaria una riprogettazione con criteri innovativi, analizzando forme della sezione del pistone, e quindi della camera di combustione, diverse dalla forma circolare.

Lo studio del seguente brevetto intende affrontare tale problematica ed a fornire diverse soluzione ai problema.

Con la dizione " sezione non circolare'', si intende qualsiasi forma che sia diversa dalla sezione circolare, sia che si tratti di forme descritte dalla geometria classica, quali ad esempio l'ellisse ed rettangolo, che forme geometriche ottenute dalla composizione di archi circolari raccordati: con tratti ellittici, con tratto rettangolare, o con altri archi di cerchio aventi raggio molto maggiore.

Escludiamo la forma quadrata, in quanto non rispondente ai requisiti della seguente ricerca, ed inoltre già oggetto di studio per applicazioni miiitari nella costruzione di carri armati, poi abbandonata quando furono adottati motori a turbina.

Si deve segnalare, per opportuna conoscenza, che, da parte della giapponese Honda nel 1979 fu realizzata un pistone, impropriamente definito ovale, collegato all'albero motore da 2 bielle, utilizzato sulla moto da corsa NR 5006P, ed in seguito abbandonato per malfunzionamenti.

Il cambiamento delia forma delia sezione dei pistone dalla tradizionale forma circolare comporta notevoli implicazioni archìtettura del motore alternativo, in particolare il posizionamento delle valvole di aspirazioni e scarico e delle candele che a loro volta influenzano il rendimento volumetrico ed il rendimento termodinamico dei motore, lo studio di idonee fasce elastiche di forma non circolare, l'analisi delle deformazioni termiche, problemi che necessitano di approfondimenti e sperimentazioni che esulano da questo studio.

2.3 Descrizione dell'invenzione

La scelta di una sezione diversa dalia circolare comporta un approccio mentale innovativo svincolato da schematismi tradizionali, in relazione ai molteplici risvolti tecnici da affrontare e risolvere.

Il brevetto in questione, partendo dalle premesse e problematiche esposte al p.to 2.2 precedente ha inteso investigare:

• Il campo delle possibili forme dì sezione ritenute più idonee a proseguire le ricerche; • la forme ritenute più razionali atte a fornire le soluzioni esposte nelle Rivendicazioni; • le implicazioni derivanti dalla variazione della forma della sezione dei pistone sulle caratteristiche e prestazioni del motore, come esposto nelle Rivendicazioni n° 1, 2, 3, 4; A tale scopo sono state studiate sezioni di 5 profili diversi :

• 2.3.1 ellittica; Tav.l - Fig1

• 2.3.2 rettangolare; Tav.l - Fig 2

• 2.3.3 allungata 1, composta da 2 archi semicircolari con un tratto rettangolare centrale; Tav 1-Fig3

• 2.3.4: allungata 2, TAV 1 - Fig. 4 composta da 2 archi di cerchio connessi da 2 tratti ellittici, e 2.3.5 allungata 3 non disegnata in quanto simile alla Fig.4, ma geometricamente diversa, composta da 4 archi di cerchio dei quali i 2 centrali a raggio molto alto che vanno a sostituire i 2 tratti ellìttici della forma allungata 2.

2.3.1. sezione di forma ellittica TAV 2 - Fig.5

Si rimanda alla tav 2 Fig.5 per l'interpretazione dei dati forniti dal testo, per i richiami delle grandezze caratteristiche della forma dell'ellisse.

Le grandezze geometriche significative dell'ellisse risultano :

QA = a semiasse maggiore

OS = b semiasse minore

OFi = OF2= c , distanza dei fuochi dal centro

Relazioni significative dell'ellisse, ai fini dello studio oggetto del seguente brevetto: area A = >t.a.b eccentricità : e = c/a esìstono le relazioni: c*= a<2>- b<2>oppure b<2>= a<2>- c<2>II valore dell'eccentricità è compresa fra 0 ed 1 ed il suo valore serve per disegnare l'ellisse ed è un indice che fornisce l'idea di quanto l'ellisse sia schiacciata.

Geometricamente è altrettanto significativo il rapporto fra i due semiassi :

b/a = V(l- c<2>/ a<2>) = V{l-e<2>) ; il rapporto b/a assume valori da 1 a zero con valori che cambiano in modalità opposte ad "e".

Il disegno TAV.4 Fig. 9 riporta sovrapposte le sagome di ellissi aventi il medesimo valore dell'asse maggiore a = 10 cm, al variare dell'eccentricità e = c/a; il disegno traccia per semplicità di costruzione un quarto dell'ellisse.

Da tale disegno si può rilevare quanto segue:

• per bassi valori dell'eccentricità "e", da 0,1 a 0,4 l'ellisse poco si scosta dalia figura del cerchio ( b = 9,9 a 9,2 ) ;

• per valori intermedi eccentridtà "e" , da 0,5 a 0,7 l'ellisse presenta significatisi restringimenti nella direzione dell'asse minore b = da 8,7 a 7,1 ;

• per alti valori dell'eccentricità "e" = 0,8 a 0,9 l'ellisse dimezza circa le proprie dimensioni rispetto al cerchio, b = 6,0 a 4,3 .

La Tabella 1 di cui sotto, riepiloga al variare di "e" ì valori di "b" , b/a, area.

Tale simulazione è utile per visualizzare come cambiano i profili delle diverse curve e per fornire al progettista uno strumento a supporto della progettazione.

Ai fini della indagini oggetto della seguente ricerca, per gli aspetti che verranno illustrati nelle rivendicazioni 1 -2 - 3-4, si ritiene che un valore ottimale per l'eccentricità possa essere compreso fra 0,7 e 0,8 cui corrisponde un restringimento dell'ellisse nel campo da 0,714 a 0,6.

Si precisa che ta scelta di tali valori è indicativa al fine dì ottenere forme di ellissi che consentano una adeguata sistemazione delle valvole e delie candele.

Nulla toglie che per particolari esigenze il progettista possa optare per valori esterni ai campi sopra descritti.

Tabella 1

Profili delle ellissi al variare della eccentricità "e" per a = 100 mm

Ai fini della indagini oggetto della seguente ricerca, è più utile confrontare il profilo delle ellissi rispetto al cerchio, a parità di area delle due figure,

Supponiamo che un pistone di forma circolare abbia un diametro 0 * 100 mm.

Calcoliamo le dimensioni di ellissi aventi pari valore di area, ri ducendo il valore del semiasse minore "b" a partire dal valore dei raggio del cerchio e calcolando quindi ii corrispondente valore del semiasse maggiore per ottenere ellissi di pari area del cerchio iniziale,

Otterremo ellissi più ristrette ma più allungate rispetto al cerchio.

Dall'uguaglianza delle aree fra sezione circolare ed ellittica :

mr<1>» n,a.b ovvero<*>r<1>= a.b; atribuendo a “b* valori inferiori ad r, calcoliamo il semiasse maggiore "a" - r*/b ,

Di seguito verrà calcolato il valore della eccentricità "e* ed il relativo rapporto fra i semiassi delle ellissi : b/a ed indicheremo i campi dei valori ritenuti ottimali sulla base delle indicazioni fomite dalla tabella precedente* la Tabella I.

Sulla base di quanto sopra esposto possiamo ritenere che siano accetabili forme di ellissi che abbiano valori di " b “ compresi nel campo fra 40 e 42 mm cui corrispondono valori di eccentricità e b/a coerenti con i valori ottimali della Tabella 1,

Tabella 2

Raffronto fra ellissi aventi pari area del cerchio avente diametro D = 100 mm

Nella penultima colonna della Tabella 2 viene calcolato il valore della grandezza 2(r-b) che rappresenta il "restringimento" o risparmio della dimensione nella direzione dell'asse minore, o anche il restringimento dell'ellisse rispetto alla sezione circolare,

Il passaggio dalla forma circolare alla forma ellittica, mentre accorcia il semiasse minore conseguendo il restringimento assiale, tuttavia allunga il semiasse maggiore dell'ellisse della quantità 2(a-r) riportata nell'ultima colonna della tabella.

Ipotizzando di optare per la Forma ellittica che abbia: b = 40 mm; a = 62, SO mm, la sezione avrebbe dimensione di ingombro 80 x 125 mm; ovvero una restrizione assiale di 20mm ed un allungamento trasversale di 25 mm, rispetto al cerchio di diametro 100 mm,

Le influenze sulla progettazione e prestazioni del motore sono riportate nelle Rivendicazioni 1-2-3-4.

La forma dell'ellisse consente al progettista di disporre un ampio campo di forme fra cui scegliere quella che consenta di poter alloggiare valvole di grandi dimensioni o di aumentare II numero di valvole per cilindro, e di collocare le candele in maniera più razionale sull'asse maggiore.

2.3.2 sezione di forma rettangolare; TAV.l - Fig 2

Si rimanda alla TAV 1 - Fig.2 per l'interpretazione dei dati forniti dal testo.

La forma rettangolare del pistone rappresenta una forma motto interessante, dal punto di vista geometrico, in quanto consente di ottenere il massimo valore del " restringimento" della dimensione assiale rispetto al pistone di sezione circolare di pari area. Dall'uguaglianza delie aree : n.r<2>= b.h ; anche in questo caso le grandezze variabili sono 2, la base e l'altezza del rettangolo, che andranno opportunamente scelte per conseguire un conveniente "restringimento" delle dimensioni assiale.

Ipotizzando un valore h = 100 mm pari al diametro della sezione circolare del caso precedente, ne deriva b * 78,50mm , un restringimento pari a 2,21,50 - 43 mm

Tuttavia la forma Squadrata della sezione lascia intuire turbolenze con perdite di carico nei flussi dei fluidi in entrata ed uscita dal cilindro, oltre a difformità nella propagazione della fiamma nella camera di combustione.

La sezione di forma rettangolare presenta pertanto esaltanti aspetti geometrici e probabili disfunzioni nel rendimento volumetrico e termodinamico, a causa di prevedibili turbolenze dei flussi, dubbi che necessitano dì una specifica sperimentazione.

2.3.3 sezione di forma "Allungata 1, formata da 2 tratti esterni semicircolari ed un tratto rettangolare al centro; TAV, 1 , Fìg. 3

Si rimanda alla TAV. 1 -'Fig.3 per l'interpretazione dei dati forniti dal testo.

La forma di tale sezione è composta da elementi geometrici semplici : 2 semicerchi alle estremità collegati da un tratto rettangolare avente una larghezza pari al diametro dei semicerchi, ed una altezza variabile secondo le esigenze de! progettista, Tale forma della sezione richiama la sagoma ellittica, ma geometricamente è più semplice.

Tramite l'inserimento dei tratto rettangolare, di area 2%3 dì adeguato valore, Si intende massimizzare il valore dell'area della sezione, rispetto a quella ellittica dì pari dimensioni di ingombro, come risulterà dai calcoli sotto esposti.

Nella soluzione in oggetto, le variabili su cui agire sono 2 ;

- Il valore del raggio R1

- il valore della dimensione "a" del tratto rettangolare.

Ai vantaggi già elencati, si aggiunge quello di una maggiore semplicità delie lavorazioni meccaniche, che risulteranno meno onerose.

Riprendendo l'esempio de! pistone di forma circolare di 0 = 100 mm, ed ipotizzando, come nei caso precedente di optare per una dimensione assiale 2 R1 = SO mm, per ottenere una sezione di pari area della sezione circolare., risulterà per "a" Il valore di :

a = 35,3 mm; la sezione risulta avere un ingombro pari a t 80 x 115,3 mm. Riepiloghiamo in una tabella I risultati dei calcoli delle dimensioni dì ingombro, relativi alle tre simulazioni condotte sulle 3 forme di sezioni : eliittica, retangolare. Allungata 1, rispetto alla sezione circolare tradizionalmente utilizzata.

N.B. i dati riportati e calcolati fanno riferimento all’esempio adottato in cui si mantiene la dimensione assiale pari a 80 mm , che le 3 sezioni abbiano II medesimo valore dell'area corrispondente ad un cerchio di diametro D = 100 mmm ed è stata quindi calcolata la dimensione trasversale.

Tabella 3*DIMENSIONI DI INGOMBRO DELLE DIVERSE SEZIONI

Confrontando le sezioni sopra esposte appare evidente come:

la sezione Allungata 1 (2 tratti semicircolari con interposto un tratto rettangolare) { TAV1, Fig.3) presenta un restringimento Interessante { pari a 20 mm nel caso in esame ) ed un allungamento più contenuto rispetto alla sezione ellittica {115,3 mm contro 125 mm). L'allungamento, che potrebbe apparire un difetto della sezione, consente invece di poter disporre in più favorevole le candele e le valvole, che potranno essere di dimensioni maggiorate o di numero più elevato.

Altri vantaggi sono esposti nelle Rivendicazioni 1 - 2 - 3 - 4.

La forma di tale sezione appare simile a quella, definita impropriamente ovale, realizzata dalla Honda, ma il pistone Honda e quella qui definito Allungato 1, lavorano in condizioni completamente diverse, Il pistone Honda era vincolato all'albero motore tramite 2 bielle e la lunghezza maggiore del pistone era parallela all'albero motore, mentre il pistone studiato in questa sede è collegato all'albero motore tramite una sola biella e la lunghezza maggiore del pistone è ortogonale all'albero motore,

Altra peculiarità è la presenza del tratto rettangolare centrale, di dimensioni variabili, per consentire una variabilità della forma secondo le esigenze del progettista al fine di collocare in maniera appropriata le candele e ie valvole il cui diametro è altrettanto variabile.

E' per tale motivo che si è preferito dare alla sezione il nome di " Allungata ", o "elongated".

2.3.4 ed 2.3.5; "Allungata 2", composta da 2 archi di cerchio di estremità connessi da 2 tratti ellìttici centrali. Tav. 1 - Fig.4. e "Allungata 3" , composta da 2 archi di cerchio di estremità connessi da altri 2 archi di cerchio centrali di raggio molto maggiore.

Si rimanda alla TAV 1- Fig.4 per l'interpretazione dei dati fomiti dal testo.

Tale forma nasce dall'intento di rendere archi di cerchio i 2 tratti terminali nella direzione del semiasse maggiore "a" dell'ellisse, di renderli uniformi rispetto ai tratti terminali dell'ellisse, per gli scopi che saranno evidenti nelle Rivendicazioni 3 e 4,

Le due forme 2.3.4 e 2.3.5 tuttavia comportano un disegno più complesso, lavorazioni meccaniche più costose, e rappresentano soluzioni intermedie fra la soluzione 2.3.1 {ellittica ) e la soluzione 2.3.3 (Allungata composta da 2 tratti circolari con inserito un tratto centrale rettangolare).

Per quanto esposto sopra, ed in conseguenza delle complicazioni dei calcoli, I medesimi non sono stati elaborati.

Tali sezioni tuttavia potrebbero trovare applicazione in situazioni di particolari ingombri delle valvole,

2.4 descrizione del disegni

TAV 1. Contiene i disegni di 4 delle 5 sezioni del pistone oggetto di studio , al fine di determinare la forma ottimale:

Fig. l sezione ellittica;

Fig.2 sezione rettangolare;

Fig.3 sezione Allungata 1, ottenuta da 2 tratti semicircolari con interposto un tratto rettangolare;

Fig.4 sezione Allungata 2, composta da 2 archi di cerchio collegati da 2 tratti ellittici. La sezione Allungata 3, composta da 2 archi di cerchio di estremità collegati d altri 2 archi di cerchio di maggiori dimensioni, sìmile alla Allungata 2, non è stata disegnata;

TAV 2, Fìg.5 disegno geometrico dell'ellisse, con indicati i parametri fondamentali; Fig.6 possibile collocazione di 2 valvole di aspirazione e 2 valvole di scarico all'interno della medesima camera di combustione di forma circolare;

TAV.3 Fig.7 sezione Allungata 1 del pistone, possibile collocazione delle 4 valvole e di 2 candele all'interno della medesima camera di combustione;

Fìg. 8 confronto di ingombri e dimensioni fra: blocco cilindri per un motore di 4 cilindri in linea con pistoni di sezione circolare e blocco cilindri di un motore di 4 cilindri in lìnea con pistoni dì forma Allungata 1; le aree delle 2 linee di cilindri hanno il medesimo valore. TAV.4 Fig.9 ellissi di forme diverse al variare di "e" e col medesimo valore dì "a".

Fìg.10 camera di combustione di forma "allungata2" con 4 oppure 6 valvole e 2 candele.

2.5 esempio di attuazione dell'invenzione

Il passaggio dalla sezione circolare del pistone ad altra forma, risponde alla necessità di ottenere architetture della camera di combustione che consentano:

• una più razionale disposizione di 4 valvole e di 2 candele,

• di migliorare il rendimento volumetrico e termodinamico.

A questi vantaggi se ne aggiungono altri 2 particolarmente significativi che sono :

• minore ingombro del motore nel senso assiale

• risparmio di peso del motore

Tutti questi 4 aspetti sono illustrati nelle 4 RIVENDICAZIONI.

Supponiamo di adottare la forma di sezione "allungatal", formata da due semicerchi ed un tratto rettangolare centrale, descritta al punto 2.3 3. Come esposto nella Tab.2 di pag.6, adottiamo di scegliere ìa dimensione d'ingombro 80 x 115,3 mm ivi esposta.

Tale forma della sezione consente una riduzione assiale di mm 20 rispetto alla sezione circolare. Se il motore fosse composto da 4 cilindri in linea, il blocco motore avrà dimensione assiale più contenuta pari a 4x20 = 80 mm ed un lieve incremento in senso trasversale pari a 15,3 mm.

Pari riduzione di lunghezza di 80 mm si manifesterà anche per :

• albero motore ( albero a gomiti )

• per i 2 alberi a camme

Tenendo conto dei diversi materiali utilizzati per la costruzione : del blocco cilindri, dell'albero a gomiti, dei 2 alberi a camme, tramite i disegni quotati è possibile calcolare la riduzione effettiva de! peso motore. Vedasi TAV.3 Fìg.8

Ricapitolando : il passaggio alla forma di sezione diversa da quella circolare, comporta : 1 la riduzione d'ingombro assiale del blocco cilindri

Ricapitolando : il passaggio alla forma di sezione diversa da quella circolare, comporta : 1 la riduzione d'ingombro assiale del blocco cilindri

2 riduzione di peso dell'assieme motore

3 più razionale distribuzione delle valvole

4 migliore centraggio delle candele { per motore ciclo Otto )

5 migliori valori del rendimento volumetrico e termodinamico, ovvero maggiore potenza, 2.6 Applicazioni industriali

Il principio della variazione della forma delia sezione del pistone è applicabile a tutti i settori delle costruzioni meccaniche nei quali venga utilizzato il sistema biella - manovella per la trasformazione del moto da circolare a rettilineo o viceversa.

Il campo d'impiego di riferimento è certamente quello automobilistico e motociclistico. Tuttavia la sezione circolare è tipica anche dei martinetti o attuatori idraulici o elettrici, nei quali uno stelo è rigidamente collegato ad una testa di forma sìmile al pistone.

Anche il pistone e la relativa testa, per motivi legati a problemi di ingombro, potrebbero avere forme non necessariamente circolari, e trovare una soluzione nelle sezioni allungate secondo una delle 5 forme sopra descritte.

Così pure anche il settore della robotica, che fa largo impiego di attuatori sia elettrici che idraulici potrebbe trovare soluzioni adeguate nell'impiego delle sezioni allungate.

1 settori più idonei per l'adozione di sezioni Allungate sono :

* costruzione dei motori alternativi a ciclo Otto e Diesel, in campo automobilistico

* costruzione dei motori alternativi a ciclo Otto , in campo motociclistico

* costruzione dei compressori a pistone con moto alternativo;

* costruzione di attuatori idraulici ed elettrici

* settore della robotica, nell'impiego di attuatori

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 3.1 RIVENDICAZIONE N° 1 Riduzione della dimensione assiale del blocco cilindri. Nel passaggio dalla sezione circolare del pistone a forme allungate, come esposto al punto 2.5, si ottiene una riduzione o contenimento della dimensione del blocco cilindri nella direzione assiale ( asse X ) del motore, La Tabella 2 riepiloga le dimensioni di ingombra di alcune forme diverse della sezione. Da tale tabella si deduce che, al fini della presente rivendicazione, la forma della sezione "Allungata1" risulta essere la più semplice ed indicata ma non è detto la più efficace a sostituire la forma circolare della sezione del pistone alla luce delle Rivendicazioni 3 e 4. Riprendendo i dati elaborati nelle simulazioni di calcalo, qualora si adottasse per la sezione Allungata 1 una larghezza di 80 mm, si avrebbe una riduzione della dimensione assiale nella direzione dell'asse X, pari a 20 mm, rispetto alla sezione circolare. In un motore a 4 cilindri in linea, il blocco cilindri risulterebbe più corto di 20 x4 =80 mmm e tale riduzione di dimensione sarebbe applicata anche ad altri organi del motore, rispettivamente : * albero motore, o albero a gomiti * 2 alberi a camme La adozione di una sezione allungata al posto della sezione circolare, comporta la riduzione delia dimensione assiale del blocco cilindri, ovvero un minor ingombro del motore. Vedasi il disegno TAV.3 Dis.8, schematico ma in scala. 3.
2. 2 RIVENDICAZIONE N° 2 Riduzione di peso dell'assieme motore La variazione della forma del pistone da circolare a forme allungate, comporta fa riduzione assiale de! blocco cilindri e dei sottoelencati organi ad esso assodati ; - Albero motore, in acciaio - N’2 alberi a camme, in acciaio E' vero che il blocco cilindri mentre riduce la propria dimensione nella direzione assiale, risulterà maggiorato nella direzione ortogonale, però i valori di tali scostamenti sono molto più elevati per le riduzioni assiali. La Fìg.8 delia TAV.3 rappresenta sovrapposti ed in scala i blocchi cilindri di un motore con 4 cilindri in linea diametro pistone 100 mm (sopra) con un analogo blocco cilindri avente pistone con sezione Allungata 1, con larghezza 80mm ( sotto ) e di pari area. Nella direzione assiale il blocco cilindri avente sezione Allungata 1 è più corto di 80 mm mentre nella direzione ortogonale è maggiorato dì 15,3 mm La riduzione dei peso per il solo blocco cilindri è stata calcolata in prima approssimazione in -19,4 %, valore che sarà affinato avendo a disposizione i disegni esecutivi quotati ed i pesi specifici del materiali utilizzati per i singoli componenti A tale valore va sommata la riduzione di peso conseguente alfa minore lunghezza dei 2 alberi a camme e dell'albero motore. La variazione della forma del pistone da circolare a forme allungate, induce una riduzione del peso di alcuni importanti componenti del motore e quindi del motore medesimo. 3.3 RIVENDICAZIONE N° 3 Migliore ricollocazione delle valvole, incremento del rendimento volumetrico. Lo studio oggetto della seguente ricerca è stato anche motivato dai fatto che, nelia evoluzione tecnica del motore alternativo, fermo restando nel tempo la sezione circolare del pistone e della camera dì combustione, la camera medesima ha visto aumentare il numero delle valvole dalle originarie 2 a 4, e delle candele da 1 a 2 per ogni cilindro. Questa concentrazione di dispositivi diversi In spazi ristretti è avvenuta a scapito orientamento ottimale dei flussi in ingresso della miscela ( o aria } entrante nel cilindro e dei flussi in uscita dei gas combusti. I parametri in gioco sono il rendimento volumetrico, legato alla posizione e dimensioni delle valvole, ed il rendimento termodinamico legato alla posizione delle candele. L'adozione di sezioni allungate per i pistoni, apre nuove prospettive di ricerca per una più razionale disposizione e dimensionamento delle valvole, con effetti benefici sui rendimento volumetrico. A titolo esemplificativo, consideriamo un motore nel quale siano presenti 4 valvole per cilindro, 2 per l'aspirazione e 2 per lo scarico e 2 candele, ricordando che le valvole di aspirazione hanno maggiori dimensioni rispetto alle valvole di scarico. Ne! motore che rappresentativi senza rispettare le reali dimensioni, in quanto le medesime sono patrimonio tecnico delle singole case automobilistiche, Considerando la sezione Allungata 1, si può immaginare una diversa disposizione e dimensionamento deile valvole, come nel disegno esposto nella TAV 3, Fig. 7, In tale disegno, le valvole di aspirazione sono disposte lungo l'asse maggiore e quelle di scarico sull'asse minore qualora le dimensioni della sezione e delle valvole b consentano, diversamente si dovrà operare sul dimensionamento della selione, I flussi in entrata ed uscita risultano maggiormente distinti e separati, con minori interferenze e minori perdite di carico. La posizione centrale delle 2 valvole di scarico consente una migliore uscita dei gas combusti dalla camera di combustione ed una più efficace fase di lavaggio. II possibile aumento delle dimensioni delle valvole dì aspirazione con migliore andamento dei flussi in entrata, e minori perdite di carico, apportando una maggiore quantità di aria, consente un migliore riempimento dei cilindro, migliorando il re ndimento volumetrico. Esaminiamo il disegno delia sezione "ellittica" riportato in TAV.4 Fig. 10; esso illustra 2 possibili disposizioni delle valvole. Nel disegno di sinistra sono presenti 4 valvole : 2 di aspirazione sull'esse maggiore e 2 di scarico ubicate sull'asse minore. Nel disegno di destra sono presenti 6 valvole, 4 per l'aspirazione e 2 di scarico. Questo lay-out consente inoltre anche possibilità di scelte diverse circa l'attribuzione del ruolo deile valvole medesime; ad, esempio potremmo avere ; Valvole di Aspirazione VI V2 V5 V6 Valvole di scarico ; V3 V4 Oppure ; VI V2 V3 V4 Valvole di scarico : V5 V6 L'adozione di una delle 2 configurazioni sopra esposte, aumenta notevolmente la portata di aria, il riempimento dei cilindro, l'aumento del rendimento volumetrico e della potenza erogata dal motore, Nel passaggio dalla sezione circolare del pistone ad altra forma allungata, è possibile studiare una più razionate disposizione ed incremento del numero delle valvole di aspirazione e scarico, con effetti benefici sui flussi dei fluidi in entrata ed uscita, con conseguente miglioramento del rendimento volumetrico, 3.4 RIVENDICAZIONE N° 4 Migliore collocazione delle candele, incremento del rendimento termodinamico. Con questa rivendicazione si affronta il tema del miglioramento del rendimento termodinamico, legato, per quanto concerne questa ricerca, alla forma della camera di combustione ed alla posizione delle candele. Adottando per il pistone la sezione Allungata 1, Se candele H1 ed H2 sono collocate sull'asse maggiore nei centri dei due semicerchi. Vedasi disegno TAV.
3. 3 Fig. 7. Con tale posizione delle candele, la fiamma, propagandosi con ia medesima velocità, raggiunge le posizioni periferiche della camera di combustione esattamente nei medesimi istanti. Qualora si adottasse una forma allungata. Ellittica , Allungata 2, è possibile collocare le candele H1 ed H2 nel punto mediano del semiasse maggiore cercando di ottimizzare la distanza dei punti del profilo esterno dalla candela, cosi come avveniva con il profilo Allungato 1. L'obiettivo da perseguire è quello di far si che la combustione avvenga in modalità più omogenea e con maggiore efficacia, minimizzando residui di miscela incombusta in quanto la geometria della camera di combustione risulta simmetrica rispetto alla posizione delle candele, a differenza di quanto avviene nella camera di combustione circolare, cfr. Fig.6. Dato che il rendimento del ciclo termodinamico è strettamente Segato all'efficacia della combustione, adottare interventi che abbiano ad incidere sul miglioramento della combustione significa migliorare il rendimento termodinamico medesimo. Per concludere, l'adozione di una forma allungata della sezione della camera di combustione, consente anche un più razionale posizionamento deile candele dì accensione, migliorando il processo della combustione ed il rendimento termodinamico,