IT201800002615A1 - Impianto di aspirazione perfezionato per motore a combustione interna, motore a combustione interna e relativo veicolo a motore - Google Patents

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internal combustion
combustion engine
intake system
channels
intake
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Carlo Carapellucci
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Piaggio & C Spa
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Description

DESCRIZIONE
CAMPO DI APPLICAZIONE
La presente invenzione riguarda un impianto di aspirazione perfezionato per motore a combustione interna, un motore a combustione interna comprendente detto impianto di aspirazione e un relativo veicolo a motore.
STATO DELLA TECNICA
Come è noto, i motori a combustione interna pluricilindrici presentano problematiche in termini di efficienza di riempimento dei cilindri, che ne riducono sensibilmente il rendimento volumetrico.
Infatti, i sistemi di aspirazione prevedono tipicamente una scatola (detta air-box) che raccoglie l’aria di aspirazione e la convoglia nei vari condotti di aspirazione dei cilindri (trombette). La fluidodinamica dell’aspirazione è estremamente complessa dal momento che i cilindri, al fine di regolarizzare il più possibile l’erogazione di coppia e quindi il funzionamento del motore, non lavorano in fase. In altre parole i cicli di combustione (siano essi cicli Diesel o ciclo Otto) dei vari cilindri sono sfasati tra loro. Quindi durante la fase di aspirazione di un cilindro, può avvenire la fase di combustione di un altro cilindro e così via.
I cicli di aspirazione dei vari cilindri possono quindi disturbarsi reciprocamente, riducendo il rendimento volumetrico complessivo del motore, proprio all’interno della scatola filtro.
Inoltre, il range di funzionamento, ossia di rotazione dei motori a combustione interna, può variare sensibilmente, innescando a determinati regimi di rotazione fenomeni di risonanza delle masse di aria aspirate che possono migliorare o peggiorare il rendimento volumetrico complessivo.
Questi fenomeni sono ancor più difficili da gestire nel caso di motori aventi un range di rotazione molto ampio, come ad esempio nelle applicazioni per motocicli.
Al fine di migliorare la fluidodinamica dell’aspirazione, sono state ideate svariate soluzioni che sostanzialmente modificano la lunghezza dei condotti di aspirazione in funzione del regime di rotazione del motore: in questo modo si cerca di sfruttare i fenomeni di risonanza a vantaggio del riempimento dei cilindri.
Queste soluzioni non riescono ad ottimizzare il funzionamento del motore dal momento che non tengono conto delle specificità di funzionamento di ciascun cilindro, dovute principalmente (ma non esclusivamente) all’architettura stessa del motore, ossia alla disposizione dei cilindri rispetto all’air-box.
PRESENTAZIONE DELL'INVENZIONE
È quindi sentita l’esigenza di risolvere gli inconvenienti e limitazioni citati in riferimento all’arte nota.
Tale esigenza è soddisfatta da un impianto di aspirazione per motore a combustione interna in accordo con la rivendicazione 1, da un motore a combustione interna in accordo con la rivendicazione 20 e da un veicolo a motore in accordo con la rivendicazione 21.
DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente comprensibili dalla descrizione di seguito riportata di suoi esempi preferiti e non limitativi di realizzazione, in cui:
la figura 1 rappresenta una vista schematica di un impianto a combustione interna in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione.
Gli elementi o parti di elementi in comune tra le forme di realizzazione descritte nel seguito saranno indicati con medesimi riferimenti numerici.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Con riferimento alle suddette figure, col riferimento 4 è globalmente indicata una vista schematica complessiva di un impianto di aspirazione per motore a combustione interna 8 in accordo con la presente invenzione.
Ai fini della presente invenzione, occorre precisare che il termine motore a combustione interna deve essere considerato in senso lato, comprendendo qualsiasi tipologia o architettura di motore, comprendendo in detta categoria motori endotermici a ciclo Otto, a ciclo Diesel nonché motori rotativi Wankel .
sull’avantreno e una ruota, motrice, sul retrotreno, ma anche i motocicli che comprendono una sola ruota, sterzante, sull’avantreno e due ruote motrici sul retrotreno. Infine, rientrano nella definizione di motociclo anche i cosiddetti quadricicli, aventi due ruote all’avantreno e due ruote al retrotreno.
L’impianto di aspirazione 4 per motore a combustione interna 8 comprende un condotto di convogliamento aria 12 che si estende da un’apertura di ingresso aria 16 ad un’apertura di uscita aria 20 delimitando un volume di convogliamento.
Tipicamente, a monte dell’apertura di ingresso aria 16, l’impianto di aspirazione 4 comprende almeno un filtro aria 24; detto filtro aria 24 può anche essere disposto all’interno del condotto di convogliamento aria 12, o anche a valle dell’apertura di uscita aria 20. In ogni caso, il filtro aria 24 può anche essere omesso.
L’impianto di aspirazione 4 comprende inoltre ‘n’ trombette di aspirazione 28, separate tra loro, e affacciate a detta apertura di uscita aria 20, con ‘n’ ≥2.
Le trombette di aspirazione 28, in maniera nota, hanno preferibilmente una conformazione troncoconica che si rastrema passando dall’apertura di uscita aria 20 verso l’associabile cilindro del motore a combustione interna 8. In altre parole le trombette presentano una bocca a minore diametro affacciata verso il rispettivo cilindro. Preferibilmente, ciascuna trombetta di aspirazione 28 è associata ad un corrispondente cilindro del motore a combustione interna 8, in modo da alimentarlo. Come visto, il numero ‘n’ di trombette di aspirazione 28, e dunque il numero di cilindri del motore a combustione interna 8, è maggiore o uguale a 2. Questo significa che l’impianto di aspirazione 4 della presente invenzione si applica a qualsiasi motore a combustione interna 8 di tipo pluricilindrico.
Vantaggiosamente, il condotto di convogliamento aria 12 comprende almeno una aratia interna 32 che si estende in modo continuo lun o il condotto di In particolare, come meglio descritto nel seguito, gli scambi di aria/onde di pressione tra gli ‘n’condotti a valle dell’apertura di uscita aria 20 consentono di ‘equalizzare’ i flussi di aspirazione nei vari cilindri, ottimizzando il rendimento volumetrico complessivo del motore a combustione interna 8.
Secondo una forma di realizzazione, detti ‘n’ canali 36 sono delimitati dall’almeno una paratia interna 32 e dall’interno, ossia dalla parete laterale interna, di detto condotto di convogliamento aria 12.
Come visto, preferibilmente l’almeno una paratia interna 32 suddivide il volume di convogliamento in ‘n’ volumi dei canali 36.
Preferibilmente, il motore a combustione interna 8 comprende un numero ‘n’ di cilindri pari al numero ‘n’ di canali, in cui ogni cilindro è provvisto della sua rispettiva trombetta di aspirazione 28 ed è alimentato fluidicamente da un rispettivo canale 36. Secondo una forma di realizzazione, l’impianto di aspirazione 4 comprende un airbox 30 conformato in modo da contenere almeno una porzione delle trombette di aspirazione 28, almeno una porzione del condotto di convogliamento aria 12 e la/e sua/e paratia/e 32 in modo che l’apertura di ingresso aria 16 sia posizionata al di fuori dell’airbox 30 medesimo. Sostanzialmente, l’airbox 30 ha una forma scatolare in cui confluisce l’apertura di uscita aria 20, ovvero la bocca 20 di uscita aria. Tale bocca 20 di uscita si affaccia verso la bocca 40 delle trombette 28 a maggiore diametro.
Secondo una forma di realizzazione, il condotto di convogliamento aria 12 e l’almeno una paratia interna 32 sono conformati in modo che tra l’apertura di uscita aria 20 dei canali 36 e un bordo di ingresso aria 40 delle corrispondenti trombette di aspirazione 28 è individuato un gap 44.
Il bordo d’ingresso aria 40 delimita la sezione o bocca di ingresso, all’interno di ciascuna trombetta di aspirazione 28, del flusso di aria proveniente da un corrispondente canale 36 a questa affacciato.
Preferibilmente, le trombette di aspirazione 28 presentano una forma complessivamente rastremata, ad esempio troncoconica, muovendosi dal lato dell’apertura di uscita aria 20 verso il corrispondente condotto di aspirazione del motore a combustione interna 8.
La forma complessivamente rastremata non ha necessariamente una sezione di tipo circolare, rispetto ad un piano di sezione perpendicolare ad un asse di estensione prevalente delle trombette di aspirazione 28, ma può presentare anche differenti tipi di sezione, comprendendo, ad esempio, una geometria di tipo ellittica.
Inoltre, è anche possibile prevedere delle trombette di aspirazione 28 che abbiano una geometria a sezione sostanzialmente costante, ossia sostanzialmente priva di parti rastremate.
Secondo una possibile forma di realizzazione, detto gap 44 è compreso tra il 30% e il 70% di un diametro 48 di detto bordo di ingresso aria 40 delle corrispondenti trombette di aspirazione 28. Il diametro 48 deve essere inteso rispetto ad un piano di sezione sostanzialmente perpendicolare ad un asse di estensione prevalente delle trombette di aspirazione 28.
Secondo una possibile forma di realizzazione, le trombette di aspirazione 28 sono collegate a mezzi di movimentazione, non illustrati, atti a variare opportunamente detto gap 44.
La variazione di detto gap 44 è preferibilmente realizzata in funzione della variazione dei parametri di funzionamento del motore a combustione interna 8. Tipicamente la variazione di detto gap 44 varia in funzione del regime di rotazione del motore a combustione interna 8, in modo da ottimizzare, per fenomeni di risonanza dei flussi di aria di aspirazione, il riempimento volumetrico dei vari cilindri del motore medesimo. Ad esempio, i mezzi di movimentazione sono configurati in modo da annullare detto gap 44, portando il bordo di ingresso aria 40 a contatto con detta apertura di uscita aria 20. In caso di annullamento del gap 44, si evita che i flussi di aspirazione di aria di canali 36 adiacenti tra loro possano influenzarsi mutuamente anche dopo la fuoriuscita dall’apertura di uscita aria 20. L’annullamento del gap 44 può avvenire ad esempio portando il bordo d’ingresso aria 40 delle trombette di aspirazione 28 a contatto con una porzione di ciascun corrispondente canale 36, in corrispondenza dell’a ertura di uscita aria 20. Preferibilmente, il contatto tra i com onenti viene modo è possibile ottimizzare il riempimento volumetrico di ciascun cilindro in funzione delle specifiche e contingenti condizioni di funzionamento del cilindro medesimo, tenendo in considerazione anche parametri di natura geometrica, legati, ad esempio, all’architettura e dunque al posizionamento del condotto all’interno dell’impianto di aspirazione 4. Ad esempio, è possibile aumentare o diminuire il gap 44 di un cilindro disposto lato fronte marcia e, viceversa, diminuire o aumentare il gap 44 di un corrispondente cilindro disposto dal lato opposto, in un motore avente un’architettura a ‘V’.
Secondo una possibile forma di realizzazione, l’almeno una paratia interna 32 suddivide il volume di convogliamento in ‘n’ volumi dei canali 36 sostanzialmente uguali tra loro.
Ad esempio, è possibile incrementare una sezione di passaggio aria dei canali 36 aventi minore estensione e diminuire la sezione di passaggio aria dei canali aventi estensione maggiore, detta estensione essendo la lunghezza media percorsa in ciascun canale 36 per passare dall’apertura di ingresso aria 16 all’apertura di uscita aria 20.
Secondo una possibile forma di realizzazione, detta almeno una paratia interna 32 comprende almeno un elemento mobile (non illustrato) connesso a mezzi motori (non illustrati) atti a modificare il volume di almeno uno di detti ‘n’ canali 36.
La disposizione dei canali 36 è fortemente variabile, e dipende tipicamente, ma non esclusivamente, dall’architettura del motore a combustione interna 8, ossia dalla disposizione dei relativi cilindri.
Ad esempio è possibile prevedere che almeno due di detti canali 36 siano affiancati tra loro secondo una direzione trasversale T, perpendicolare ad una direzione di efflusso X, ossia di in resso, dell’aria attraverso l’a ertura di in resso aria 16.
dispositivi di iniezione carburante 52.
Secondo una possibile forma di realizzazione, all’interno di ciascuno di detti ‘n’ canali 36 è alloggiato, almeno parzialmente, un dispositivo di iniezione carburante 52.
Ai fini della presente invenzione non rileva la specifica tipologia di dispositivo di iniezione carburante 52 che potrà, ad esempio, essere di tipo elettronico, piezoelettrico e simili.
Preferibilmente, un punto di iniezione carburante P dei dispositivi di iniezione carburante 52 è disposto, all’interno di ciascun canale 36, ad una distanza D dall’apertura di uscita aria 20 non inferiore al 20% di un diametro K di una sezione del canale 36 in corrispondenza dell’apertura di uscita aria 20.
Secondo una possibile forma di realizzazione, ciascun dispositivo di iniezione carburante 52 attraversa almeno un canale 36.
Ad esempio, nel caso in cui i canali 36 siano almeno parzialmente sovrapposti tra loro, ad esempio lungo detta direzione longitudinale L, è possibile che ciascun dispositivo di iniezione carburante 52 attraversi almeno due canali 36, anch’essi sovrapposti lungo la medesima direzione longitudinale L.
I dispositivi di iniezione carburante 52 possono essere disposti o meglio orientati in svariati modi all’interno del rispettivo canale 36; secondo una possibile forma di realizzazione, dispositivi di iniezione carburante 52 sono disposti in direzione sostanzialmente perpendicolare all’apertura di uscita aria 20 di ciascun canale 36. Come si può apprezzare da quanto descritto, la presente invenzione consente di superare gli inconvenienti presentati nella tecnica nota.
In particolare, la suddivisione del condotto di convogliamento in ‘n’ canali per tutta la lunghezza del condotto medesimo (ossia dall’apertura di ingresso aria all’apertura di uscita aria) consente di tarare ciascun canale in funzione della specifica trombetta di aspirazione (e quindi del relativo cilindro) che alimenta, senza che i singoli flussi di aspirazione possano influenzarsi tra loro, fintanto che l’aria non fuoriesce dall’apertura di uscita.
Quindi la presenza dei gap consente di ottenere uno scambio di pressione ai bordi di ingresso di trombette adiacenti che ‘equalizza’ i flussi di aspirazione nei vari cilindri, ottimizzando il rendimento volumetrico complessivo.
Grazie alla suddivisione tra i vari condotti, nell’intero tratto compreso tra l’apertura di ingresso aria e l’apertura di uscita aria, la premiscelazione tra l’aira e il combustibile all’interno di ciascuno dei condotti non viene influenzata dai condotti adiacenti.
L’equalizzazione e quindi il richiamo in aspirazione verso le trombette viene influenzato ed ottimizzato dalle risonanze dei vari condotti solo dopo aver superato l’apertura di uscita aria.
All’occorrenza, in particolari condizioni di funzionamento, è anche possibile occludere i gap in modo da escludere l’interferenza tra almeno un condotto e quelli adiacenti. La disposizione degli iniettori all’interno dei condotti separati fluidamente tra loro consente di meglio isolare lo spray di iniezione e di controllare in maniera estremamente precisa la miscelazione, e dunque il titolo, del gas convogliato da ciascuna trombetta verso il rispettivo cilindro.
Un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare esigenze contingenti e specifiche, potrà apportare numerose modifiche e varianti ai sistemi di aspirazione e ai motori sopra descritti, tutte peraltro contenute nell’ambito dell’invenzione quale definito dalle seguenti rivendicazioni.

Claims (21)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) comprendente: - un condotto di convogliamento aria (12) che si estende da un’apertura di ingresso aria (16) ad un’apertura di uscita aria (20) delimitando un volume di convogliamento, - ‘n’ trombette di aspirazione (28), separate tra loro, e affacciate a detta apertura di uscita aria (20), con ‘n’ ≥2, caratterizzato dal fatto che - il condotto di convogliamento aria (12) comprende almeno una paratia interna (32) che lo suddivide internamente in ‘n’ canali (36) fluidamente separati tra loro lungo l’estensione del condotto di convogliamento aria (12), ciascuno di detti ‘n’ canali (36), in corrispondenza dell’apertura di uscita aria (20), essendo affacciato ad una corrispondente trombetta di aspirazione (28).
  2. 2. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 1, in cui detti ‘n’ canali (36) sono delimitati dall’almeno una paratia interna (32) e dall’interno di detto condotto di convogliamento aria (12).
  3. 3. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l’almeno una paratia interna (32) suddivide il volume di convogliamento in ‘n’ volumi dei canali (36), in particolare detti canali (36) sono sostanzialmente uguali tra loro.
  4. 4. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, in cui il condotto di convogliamento aria (12) e l’almeno una paratia interna (32) sono conformati in modo che tra l’apertura di uscita aria (20) dei canali (36) e un bordo di ingresso aria (40) delle corrispondenti trombette di aspirazione (28) è individuato un gap (44).
  5. 5. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 4, in cui detto gap (44) è compreso tra il 30 e il 70% di un diametro (48) di detto bordo di ingresso aria (40) delle corrispondenti trombette di aspirazione (28).
  6. 6. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 4 o 5, in cui le trombette di aspirazione (28) sono collegate a mezzi di movimentazione atti a variare detto gap (44).
  7. 7. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 6, in cui i mezzi di movimentazione sono configurati in modo da annullare detto gap (44), portando il bordo di ingresso aria (40) a contatto con detta apertura di uscita aria (20).
  8. 8. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 6 o 7, in cui i mezzi di movimentazione sono configurati in modo da annullare detto gap (44), portando il bordo di ingresso aria (40) almeno parzialmente all’interno dei canali (36).
  9. 9. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 6, 7 o 8, in cui la movimentazione di dette trombette di aspirazione (28) è indipendente, in modo da variare gli ‘n’ gap (44) in maniera autonoma.
  10. 10. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno una paratia interna (32) comprende almeno un elemento mobile connesso a mezzi motori atti a modificare il volume di almeno uno di detti ‘n’ canali (36).
  11. 11. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno due di detti canali (36) sono affiancati tra loro secondo una direzione trasversale (T), perpendicolare ad una direzione di efflusso dell’aria attraverso l’apertura di ingresso aria (16).
  12. 12. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 11, in cui almeno due di detti canali (36) sono affiancati tra loro secondo una direzione longitudinale (L), perpendicolare ad una direzione di efflusso dell’aria attraverso l’apertura di ingresso aria (16) e alla direzione longitudinale (L).
  13. 13. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 12, comprendente quattro canali (36) disposti secondo uno schema a matrice quadrata, lungo dette direzioni trasversale (T) e longitudinale (L).
  14. 14. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui all’interno di ciascuno di detti ‘n’ canali (36) è alloggiato, almeno parzialmente, un dispositivo di iniezione carburante (52).
  15. 15. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 14, in cui un punto di iniezione carburante (P) dei dispositivi di iniezione carburante (52) è disposto, all’interno di ciascun canale (36), ad una distanza (D) dall’apertura di uscita aria (20) non inferiore al 20% di un diametro (48) di una sezione del canale (36) in corrispondenza dell’apertura di uscita aria (20).
  16. 16. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo la rivendicazione 14 o 15, in cui ciascun dispositivo di iniezione carburante (52) attraversa almeno un canale (36).
  17. 17. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 16, in cui detti dispositivi di iniezione carburante (52) sono disposti in direzione sostanzialmente perpendicolare all’apertura di uscita aria (20) di ciascun canale (36).
  18. 18. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’impianto (4) comprende almeno un filtro aria (24) disposto a monte dell’apertura di ingresso aria (16).
  19. 19. Impianto di aspirazione (4) per motore a combustione interna (8) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un airbox (30) conformato in modo da contenere almeno una porzione delle trombette di aspirazione (28), almeno una porzione del condotto di convogliamento aria (12) e la/e sua/e paratia/e (32) in modo che l’apertura di ingresso aria (16) sia posizionata al di fuori dell’airbox (30).
  20. 20. Motore a combustione interna comprendente un Impianto di aspirazione (4) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 19, in cui detto motore comprende un numero ‘n’ di cilindri pari al numero ‘n’ di canali, ogni cilindro avendo la sua rispettiva trombetta di aspirazione (28) ed essendo alimentato da un rispettivo canale (36).
  21. 21. Veicolo a motore comprendente un impianto di aspirazione (4) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 19 e/o un motore (8) secondo la rivendicazione 20.
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