ITVA980007A1 - Dispositivo di induzione e di scarico di un cilindro di motore a combustione interna - Google Patents

Description

“DISPOSITIVO DI INDUZIONE E DI SCARICO DI UN CILINDRO DI MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA”

La presente invenzione concerne i motori a combustione interna e più in particolare i sistemi valvolari di induzione del combustibile del comburente all’interno della camera di scoppio dei cilindri e di scarico dei gas esausti. Nei motori a combustione intema a quattro tempi di tipo tradizionale a più cilindri in linea o disposti a “V” o anche radialmente, ciascun cilindro necessita di almeno una valvola di induzione e di almeno una valvola di scarico, comunemente comandate tramite una trasmissione comprendente un albero a camme, mossa dallo stesso albero motore (albero a gomiti).

Le valvole sono tradizionalmente installate nella testata di chiusura del cilindro attraverso la quale è installata anche la candela di accensione.

Tipicamente, le valvole hanno una forma cosiddetta “a fungo” rovesciato, il disco di chiusura dell’orifizio essendo spinto per alcuni millimetri all’interno della camera di scoppio dalla camma o dal braccio oscillante di controllo agente sul gambo della valvola a “fungo” emergente dalla testata, all’interno di una camera contenente l’albero a canne e gli altri organi di trasmissione del sistema di induzione e scarico sincronizzato.

Il flusso dei gas indotti e dei gas di scarico avviene necessariamente attorno al corpo della valvola a “fungo”, il quale rappresenta un’evidente corpo ostruente dando luogo a perdite di carico non trascurabili, che limitano le prestazioni, aggravano il lavoro di speciali dispositivi di induzione e di scarico che possono essere messi in atto per ottenere prestazioni più elevate nonostante l’effetto limitante rappresentato dall’ingombro dell’otturatore a “fungo” delle valvole.

E’ recente l’adozione di sistemi di induzione e di scarico impieganti più valvole sia di induzione sia di scarico per cilindro, azionate funzionalmente in parallelo, avendo stabilito che i sopra citati limiti sono resi meno penalizzanti, frazionando il lume di passaggio dei gas sia in fase di induzione che in fase di scarico su una pluralità di valvole, di dimensioni più piccole (gli attuali modelli a 16 valvole si basano su questa constatazione).

Esiste d’altro canto tutta un’altra problematica, anche se in qualche modo connessa alla necessaria presenza delle valvole di induzione e di scarico, rivolta all’ ottimizzazione della conformazione geometrica della camera di scoppio. E’ infatti notorio quanto sia fondamentale ai fini delle prestazioni di un motore la geometria della camera di scoppio in funzione dell’ubicazione, numerosità, profili di flusso dei gas immessi e/o scaricati, ubicazione e numero di candele di accensione, ecc.

Infine, un aspetto non trascurabile nella progettazione di motori è rappresentato dal relativo ingombro in funzione di altri parametri di prestazione e spesso, nel caso di motori a più cilindri in linea o a “V” per autovetture, dall’ingombro “verticale” del motore.

La presenza di valvole singole o multiple distribuite sulla testata di ciascun cilindro del motore e dei relativi organi della trasmissione di azionamento delle valvole in sincronismo con la rotazione dell’albero motore (albero a gomiti) rappresenta un decisivo vincolo alla più ampia libertà di progettazione in termini di conformazione della camera di scoppio e impone evidenti compromessi più o meno ottimizzabili considerando anche l’ingombro di ciascuna valvola ed eventualmente di ciascuna candela, dovendo tute essere disposte attraverso la testata di chiusura del cilindro. Gli organi di comando delle valvole (alberi a camme, pulegge, cinghie di trasmissione, ... ecc.) sono organi che limitano la possibilità di ridurre oltre un certo limite l’ingombro verticale del motore.

In ogni caso la sagoma a “fungo “ del l’otturatore di ciascuna valvola resta un elemento di ostacolo al più libero flusso dei gas, agendo da vero e proprio deflettore.

Su tutti questi vincoli e aspetti grava il requisito fondamentale di un motore a combustione interna a quattro tempi che impone alla camera di combustione di ciascun cilindro di essere individualmente a perfetta tenuta dei gas durante tutte le fasi ad eccezione della fase di induzione e della fase di scarico, allorché le relative valvole si aprono.

E’ stato ora trovato e costituisce l’oggetto della presente invenzione un’efficace sistema di induzione e di scarico che, pur soddisfando pienamente l’esigenza di tenuta della camera di scoppio di ciascun cilindro, elimina pressoché completamente ogni effetto resistente, a guisa di deflettore, delle valvole di induzione e di scarico, consentendo un flusso perfettamente libero dei gas attraverso orifizi sgombri da corpi deflettori.

Il sistema dell’ invenzione svincola il progettista del motore dagli innumerevoli vincoli rappresentati dalla presenza di valvole sulla testata di chiusura del cilindro nonché dalla presenza di organi di comando delle valvole sopra la testata del motore (albero a camme in testa).

Essenzialmente sia il dispositivo di induzione sia il dispositivo di scarico sono realizzati nelle pareti del cilindro la cui testata risulta pertanto priva di valvole e può essere liberamente progettata, dovendo prevedere esclusivamente l’ubicazione della candela (o più candele) di accensione.

Ciascun dispositivo di induzione e di scarico di ciascun cilindro è realizzato da un otturatore a disco rotante avente un orifizio a forma di settore circolare il quale scopre nella sua rotazione un’apertura realizzata attraverso la parete del cilindro in prossimità dell’orlo di chiusura del cilindro da parte della testata del motore.

In una apposita scanalatura di una zona spianata della parete esterna del cilindro circostante al perimetro del lume di passaggio di ciascuna apertura è installato un anello di tenuta che protrude fuori dal piano della superficie spianata.

L’otturatore a disco rotante è montato su un albero rotabilmente impegnato in un cuscinetto installato nella parete del cilindro e in un secondo cuscinetto, di tipo reggispinta, installato in un’apposita sede di un corpo motore, fornito delle canalizzazioni per il passaggio del fluido refrigerante e di aperture geometricamente coordinate al lume di passaggio delle aperture definite sulle pareti del cilindro.

L’anello di tenuta viene resilientemente compresso nella sua scanalatura, in fase di assemblaggio, dalla faccia dell’otturatore disco.

In questo modo, si ottiene in modo perfettamente efficace la perfetta tenuta della camera di scoppio in quanto l’anello di tenuta “segue” e compensa ogni possibile disallineamento, compensando efficacemente anche eventuali deflessioni elastiche di piccola entità a cui l’otturatore a disco può essere soggetto.

Peraltro la deflessione, anche accidentale del disco, è comunque limitata dall’eventuale appoggio del disco contro la superficie di riscontro del fondo della sede appositamente realizzata sulla faccia di assemblaggio del corpo motore.

Tale superfìcie può anche essere fornita di uno o più anelli di un materiale antifrizione inseriti in apposite scanalature della faccia di fondo della sede, sui quali è in grado di poggiare l’otturatore a disco durante possibili anomale fasi di scoppio.

L’anello di tenuta essendo resilientemente montato sulla superficie spianata della parete esterna del cilindro, è in grado di seguire l’otturatore a disco in ogni sua infinitesima deflessione verso la superficie o le superfici di appoggio del fondo della sede del corpo motore che alloggia l’otturatore a disco rotante durante lo scoppio e l’espansione dei gas nella camera del cilindro assicurandone la tenuta.

Naturalmente ciascun otturatore a disco rotante è mosso attraverso il proprio albero di montaggio tramite adatte trasmissioni meccaniche dall’albero motore, in sincronismo con il regime di rotazione.

Il pistone nella sua corsa, può arrivare a coprire interamente il lume delle aperture di induzione e di scarico, con le proprie fasce di tenuta, mentre l’anello o gli anelli raschiaolio del pistone devono essere necessariamente installati ad una “quota” del pistone tale da non arrivare ad oltrepassare il bordo inferiore dei lumi di passaggio delle due aperture di induzione e di scarico, per ovvi motivi di evitare una fuoriuscita di olio attraverso tali aperture realizzate sulla parete del cilindro.

A tale fine, l’ubicazione dell’anello o degli anelli raschiaolio del pistone può anche essere al di sotto del perno di collegamento del pistone alla biella. Il dispositivo di tenuta tramite anello di tenuta resilientemente compresso dalla faccia rotante dell’otturatore a disco può essere utile anche nel caso di un motore a scoppio a due tempi come organo di distribuzione a disco rotante nel carter del motore a due tempi. La tenuta tramite anello resiliente disposto attorno al perimetro del lume di passaggio dei gas attraverso la parete del carter del motore migliora la tenuta in condizioni di esercizio particolarmente gravose e riduce l’usura della faccia di tenuta dell’otturatore a disco rotante. I diversi aspetti e vantaggi dell’invenzione risulteranno ancor più evidenti attraverso la seguente descrizione di una forma esemplificativa di realizzazione e facendo riferimento ai disegni allegati, nei quali:

la Figura 1 è una sezione schematica d’assieme di un cilindro dotato di dispositivi di induzione e di scarico dell’invenzione;

la Figura 2 è un particolare che mostra schematicamente il lume di apertura di induzione o di scarico;

la Figura 3 è una vista schematica di un otturatore a disco rotante del dispositivi dell’invenzione;

le Figure 4, 5, 6 e 7 mostrano in dettaglio alcune possibili forme di realizzazione dell’anello di tenuta attorno al lume di passaggio, cooperante con Γ otturatore a disco rotante.

Una forma di realizzazione dell’invenzione verrà ora illustrata con riferimento ai disegni allegati, i quali hanno scopo esclusivamente illustrativo e non limitano le possibili forme di realizzazione dei dispositivi dell’invenzione al solo esempio illustrato.

Con riferimento alla figura d’assieme 1, il cilindro è definito sostanzialmente da un foro rettificato di un corpo di acciaio 1, all’interno del quale trasla il pistone 2 il quale è imperniato con un perno 3 all’estremità della biella 4.

Il più vicino possibile all’orlo superiore del cilindro sul quale farà tenuta la testata di chiusura del motore (non mostrata nelle figure) secondo comuni configurazioni di assemblaggio a tenuta della testata, e compatibilmente con considerazioni di robustezza meccanica dell 'assieme, sono presenti due aperture: una di induzione 5, l’altra di scarico 6.

Per comodità di illustrazione, i due fori o aperture 5 e 6 sono mostrate in posizioni diametralmente opposte, anche se ciò non è strettamente necessario. Le due aperture 5 e 6 possono essere identiche o diverse tra loro e hanno una forma che è liberamente ottimizzabile in fase di progetto, in funzione di altri parametri geometrici del cilindro ovvero della camera di scoppio.

Ad esempio entrambe le due aperture 5 e 6 possono avere una forma come quella illustrata in figura 2.

A parte la sagoma, l’area del lume di passaggio delle aperture 5 e 6 può essere identica o anche diversa ed è commensurata ai volumi e ai rapporti di miscelazione e di compressione di progetto.

Su una zona spianata della faccia esterna del corpo di definizione dei cilindri 1, che si estende funzionalmente nell’ intorno delle due aperture 5 e 6, attorno al perimetro del lume di passaggio è presente una scanalatura, 7 atta ad accogliere un anello di tenuta 8 conformato in modo da circondare ininterrottamente il perimetro del lume di passaggio dell’apertura, come visibile in figura 2.

L’anello di tenuta 8 protrude per una certa altezza dal piano della superficie spianata ed è comprimibile elasticamente dalla faccia di un otturatore a disco rotante 9, sia per il lume di induzione 5 che per quello di scarico 6.

Ciascun otturatore a disco rotante 9 ha un’apertura 10, a foggia di settore circolare di forma anch’essa ottimizzabile, come indicativamente illustrato in figura 3.

Ciascun otturatore rotante è montato su un proprio albero 11 installato in un cuscinetto 12 alloggiato nella parete esterna del cilindro 1 e in un secondo cuscinetto, di tipo reggispinta, 13 montato in un apposita sede di un corpo motore 14 fornito di canalizzazioni interne 15 per il passaggio di un liquido refrigerante.

Ciascun semiguscio componente il corpo motore 14 definisce un alloggiamento 16 di contenimento del relativo otturatore a disco rotante ed è fornito di fori o aperture di passaggio 17 e 18 geometricamente coordinate al lume di passaggio delle aperture 5 e 6, attraverso le quali passano i gas di induzione e i gas di scarico.

La superficie di fondo deH’aIloggiamento 16 di ciascun semiguscio del corpo motore 14, fornisce un solido appoggio di arresto di ogni possibile deflessione dell’otturatore a disco rotante che possa verificarsi accidentalmente durante la fase di scoppio e di espansione dei gas nella camera del cilindro.

Peraltro, la tenuta della camera di scoppio del cilindro è assicurata anche in presenza di lievi deflessioni dell’otturatore a disco rotante eventualmente spinto verso il fondo del relativo alloggiamento, dal rispettivo anello di tenuta 8 che elasticamente “segue” ogni possibile deflessione del disco.

La faccia di fondo degli alloggiamenti 16 di contenimento degli otturatori a disco 9 può essere fornita di uno o più inserti, preferibilmente anulari e concentrici tra loro, di un adatto materiale antifrizione, come ad esempio di bronzo, sulla faccia dei quali può eventualmente poggiare momentaneamente l’otturatore a disco rotante 9 durante fasi di scoppio e di espansione.

Peraltro gli otturatori a disco rotante 9 sono realizzati con un materiale meccanicamente resistente ad alta elasticità, in grado di ritornare in un assetto perfettamente piano al diminuire della pressione all’interno della camera di combustione del cilindro.

Come è schematicamente illustrato in figura 2, il pistone 2 può giungere a coprire anche completamente le aperture di induzione e di scarico 5 e 6, o solo una porzione di esse quando raggiunge la quota di fine corsa superiore. E’ peraltro importante che l’anello o gli anelli raschiaolio 18 del pistone 2 non raggiungano né superino l’orlo inferiore delle aperture di induzione e di scarico 5 e 6 per evitare una fuoriuscita di olio attraverso le stesse.

In alcuni casi l’anello raschiaolio 19 può essere installato al di sotto della quota del perno 3 del pistone.

L’anello di tenuta 8 resilientemente in grado di mantenere la tenuta contro la faccia dell’otturatore a disco rotante può essere realizzato in modi diversi, alcuni dei quali sono schematicamente illustrati nella serie di figure da 4 a 7. In figura 4 e 5 l’anello di tenuta 8 è elasticamente mantenuto a contatto con la faccia dell’otturatore a disco 9 da una pluralità di molle elicoidali 20 disposte sul fondo della scanalatura 7, uniformemente distribuite lungo l’intero perimetro chiuso.

In figura 5 l’elemento resiliente è un anello di materiale adatto 21, come ad esempio un elastomero in grado di sopportare temperature elevate.

In figura 6 è mostrato l’impiego di una molla troncoconica anulare 22, mentre in figura 7 è mostrata un’altra soluzione secondo la quale l’anello di tenuta 8 e la scanalatura 7 hanno le superfici d’appoggio inclinate (sezioni trapezoidali) e la resilienza è fornita dall’elasticità dell’anello 8 che in questo caso sarà fornito di un taglio radiale, preferibilmente inclinato con un certo gioco tra le facce contrapposte del taglio.

Le parti che compongono funzionalmente il dispositivo di tenuta dell’invenzione ovvero l’otturatore a disco rotante 9, l’anello di tenuta 8, l’eventuale elemento resiliente 20, 21, 22, nonché gli eventuali inserti antifrizione installabili sulla faccia del fondo dell’alloggiamento 16 di contenimento del disco rotante 9 saranno realizzati con materiali aventi adatte caratteristiche di resistenza meccanica, elasticità, resistenza all’abrasione e alla temperatura, secondo le più tipiche scelte che sono normalmente operate dal progettista di motori in considerazione delle condizioni di lavoro del motore.

In particolare i dischi rotanti e i relativi anelli di tenuta possono essere realizzati di acciaio, ghisa, lega leggera, eventualmente fomiti di rivestimento di cromo, cermet e/o ceramica;

gli elementi resilienti 20 e 22 possono anch’essi essere di acciaio, ghisa, lega leggera, ed eventualmente fomiti di rivestimento di cromo, cermet e/o ceramica;

gli inserti antifrizione opzionalmente presenti sulla faccia di fondo dell’alloggiamento di contenimento del disco possono essere anelli circolari di bronzo, acciaio, lega leggera inseriti stabilmente in apposite scanalature della faccia di fondo dell’alloggiamento.

Ancorché non illustrata, la testata di chiusura dei cilindri del motore, essendo priva di valvole di induzione e di scarico potrà essere configurata in modo ottimale e l’ingombro verticale del motore risulterà più contenuto per l’assenza di organi di azionamento delle valvole sopra i cilindri.

Viceversa, come intuitivamente riconoscibile in figura 1 le trasmissioni d rotazione degli otturatori a disco saranno più agevolmente organizzat lateralmente rispetto ai cilindri.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore a combustione interna a quattro tempi, ciascun cilindro del quale ha dispositivi di induzione e di scarico comandati dall’albero motore attraverso organi di trasmissione, caratterizzato dal fatto che detti dispositivi, rispettivamente di induzione e di scarico, sono sulla parete del cilindro, la cui testata è priva di valvole.
2. 2. Motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun cilindro ha almeno due aperture una di induzione e una di scarico, il lato superiore del perimetro del lume di passaggio delle quali è prossimo all’orlo di chiusura del cilindro da parte della testata del motore; attorno al perimetro del lume di passaggio di ciascuna apertura ha sede un anello di tenuta protrundente dal piano di una zona spianata della parete esterna del cilindro o del carter comprendente la rispettiva apertura; ed un otturatore a disco rotante di distribuzione montato su un albero rotabilmente impegnato in un primo cuscinetto istallato nella zona spianata esterna di detta parete e in un secondo cuscinetto reggispinta istallato in un corpo motore fornito di canalizzazioni per il passaggio di un fluido refrigerante e di aperture di induzione e di scarico coordinate al rispettivo lume di passaggio di detta apertura; detto anello di tenuta essendo resilientemente compresso dalla faccia di detto otturatore a disco; ciascun disco otturatore, rispettivamente di induzione o di scarico, essendo fornito di un’apertura a guisa di settore radiale che mantiene chiusa la camera di scoppio o il carter consente l’ingresso del carburante e del comburente o lo scarico dei gas combusti attraverso le rispettive aperture, in sincronismo con la corsa del relativo pistone del motore e la relativa rotazione dell’albero motore, trasmessa attraverso una trasmissione meccanica dall’albero dell 'otturatore.
3. 3. Motore secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che un’eventuale deflessione di detto otturatore a disco rotante durante lo scoppio e l’espansione dei gas nella camera del cilindro è limitata per appoggio del disco su superfici di contrasto del fondo di una sede circolare di confinamento dell’otturatore definito sulla faccia di assemblaggio di detto corpo motore.
4. 4. Motore secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che dette superfici di fondo della sede di contenimento e sostegno di detti otturatori a disco in detto corpo motore, sono fomite di inserti antifrizione.
5. 5. Dispositivo di distribuzione ad otturatore a disco rotante per camera di scoppio di un cilindro di un motore a quattro tempi o per carter di un motore a due tempi, caratterizzato dal fatto che attorno al perimetro di un lume di passaggio di gas attraverso la parete di detto cilindro di motore a quattro tempi o la parete di detto carter di motore a due tempi ha sede un anello di tenuta protrundente dal piano di una zona spianata della parete esterna del cilindro o del carter comprendente la rispettiva apertura; ed un otturatore a disco rotante di distribuzione montato su un albero rotabilmente impegnato in un primo cuscinetto istallato nella zona spianata esterna di detta parete e in un secondo cuscinetto reggispinta istallato in un corpo motore fornito di canalizzazioni per il passaggio di un fluido refrigerante e di aperture di induzione e di scarico coordinate al rispettivo lume di passaggio di detta apertura; detto anello di tenuta essendo resilientemente compresso dalla faccia di detto otturatore a disco; ciascun disco otturatore, rispettivamente di induzione o di scarico, essendo fornito di un’apertura a guisa di settore radiale che mantiene chiusa la camera di scoppio o il carter consente l’ingresso del carburante e del comburente o lo scarico dei gas combusti attraverso le rispettive aperture, in sincronismo con la corsa del relativo pistone del motore e la relativa rotazione dell’albero motore, trasmessa attraverso una trasmissione meccanica dall’albero dell ’otturatore.
6. 6. Motore secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che un’eventuale deflessione di detto otturatore a disco rotante durante lo scoppio e l’espansione dei gas è limitata per appoggio del disco su superfici di contrasto del fondo di una sede circolare di confinamento dell’otturatore definito sulla faccia di assemblaggio di detto corpo motore.
7. 7. Motore secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che dette superfici di fondo della sede di contenimento e sostegno di detti otturatori a disco in detto corpo motore, sono fomite di inserti antifrizione.