ITBO20000366A1 - Attuatore elettromagnetico per l'azionamento delle valvole di un motore a scoppio . - Google Patents

Description

D E S C R I Z IO N E

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione è relativa ad un attuatore elettromagnetico per l'azionamento delle valvole di un motore a scoppio.

Come è noto, sono attualmente in fase di sperimentazione dei motori a scoppio in cui le valvole di aspirazione e di scarico che mettono selettivamente in comunicazione la camera di scoppio del motore con il collettore di aspirazione e, rispettivamente, con il collettore di scarico del motore sono azionate da attuatori elettromagnetici pilotati da una centralina elettronica di comando. Tale soluzione permette di variare in modo molto preciso alzata, tempo di apertura, ed istanti di apertura e chiusura delle valvole in funzione della velocità angolare dell'albero a gomiti e di altri parametri di funzionamento del motore, aumentando sensibilmente il rendimento del motore.

L'attuatore elettromagnetico che attualmente fornisce le prestazioni migliori, è disposto a fianco dello stelo della valvola del motore a scoppio da muovere assialmente, e comprende: un telaio di supporto fissato alla testata del motore a scoppio; un braccetto oscillante .in materiale ferromagnetico, presentante una prima estremità incernierata al telaio di supporto in modo tale da poter oscillare attorno ad un asse di rotazione perpendicolare all'asse longitudinale della valvola, ed una seconda estremità sagomata a dito ricurvo disposta in battuta sull'estremità superiore dello stelo della valvola; ed una coppia di elettromagneti disposti da bande opposte della porzione centrale del braccetto oscillante, in modo tale da poter attrarre a comando ed alternativamente il braccetto oscillante, facendolo ruotare attorno al suo asse di rotazione.

L'attuatore elettromagnetico comprende infine due elementi elastici atti a mantenere il primo la valvola del motore in posizione di chiusura, ed il secondo il braccetto oscillante in una posizione tale da mantenere la stessa valvola in posizione di massima apertura. I due elementi elastici agiscono in contrapposizione uno all'altro, e sono dimensionati in modo tale da posizionare, quando gli elettromagneti sono entrambi disalimentati, ossia in condizione di equilibrio, il braccetto oscillante in una posizione di riposo in cui quest'ultimo risulta sostanzialmente equidistante dalle teste polari dei due elettromagneti, in modo tale da mantenere la valvola del motore in una posizione intermedia tra la posizione di chiusura e la posizione di massima apertura.

Il principale inconveniente dell'attuatore elettromagnetico sopra descritto è quello di avere un consumo di energia elettrica ancora troppo elevato per poter essere montati sui motori a scoppio che vengono normalmente montati sugli autoveicoli. Per sopperire ad un così ingente fabbisogno di energia elettrica sarebbe infatti necessario dotare i motori a scoppio attualmente in uso di generatori elettrici di grossa potenza, dagli ingombri inaccettabili.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un attuatore elettromagnetico per l'azionamento delle valvole di un motore a scoppio che abbia un consumo di energia elettrica inferiore a quelli attuali.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un attuatore elettromagnetico per l'azionamento delle valvole di un motore a scoppio che comprende una testata ed almeno una valvola di aspirazione e/o di scarico assialmente mobile nella testata tra una posizione di chiusura, ed una posizione di massima apertura; l'attuatore elettromagnetico essendo atto a muovere a comando la detta valvola tra la sua posizione di chiusura e la sua posizione di massima apertura; l'attuatore elettromagnetico comprendendo un braccetto oscillante presentante una prima estremità incernierata ad un supporto fisso ed una seconda estremità in battuta sulla detta valvola, ed una coppia di elettromagneti disposti da bande opposte del detto braccetto oscillante ed atti a muovere a comando il braccetto oscillante per spostare assialmente la detta valvola tra la posizione di chiusura e la posizione di massima apertura; l'attuatore elettromagnetico essendo caratterizzato dal fatto che la porzione del braccetto oscillante affacciata agli elettromagneti comprende un pacco di lamierini in materiale ferromagnetico.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

la figura 1 è una vista laterale, con parti in sezione e parti asportate per chiarezza, di un motore a scoppio provvisto di un attuatore elettromagnetico per l'azionamento delle valvole di aspirazione e/o di scarico realizzato secondo i dettami della presente invenzione;

la figura 2 è una vista prospettica dell'attuatore elettromagnetico illustrato in figura 1;

la figura 3 è una vista prospettica di un componente dell'attuatore elettromagnetico illustrato nella figura 1 e 2.

Con riferimento alle figure 1 e 2, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un attuatore elettromagnetico atto a muovere a comando almeno una valvola 2 di aspirazione o di scarico di un motore a scoppio, che normalmente comprende un basamento (non illustrato), uno o più pistoni (non illustrati) montati assialmente scorrevoli all'interno di rispettive cavità cilindriche ricavate nel corpo del basamento, ed una testata 3 disposta sulla sommità del basamento a chiusura delle citate cavità cilindriche.

Unitamente alla testata 3 del motore, ciascun pistone delimita, all'interno della rispettiva cavità cilindrica, una camera di scoppio a volume variabile che risulta collegata al collettore di aspirazione ed al collettore di scarico del motore (entrambi di tipo noto e non illustrati) attraverso almeno un condotto di aspirazione (non illustrato) e, rispettivamente, un condotto di scarico (non illustrato), entrambi ricavati nel corpo della testata 3 stessa.

Con riferimento alla figura 1, il motore a scoppio è infine provvisto di un gruppo di tali valvole 2 di aspirazione e di scarico le quali sono atte a regolare, rispettivamente, il flusso di aria all'interno della camera di scoppio attraverso il citato condotto di aspirazione, ed il deflusso dei gas combusti dalla camera di scoppio 5 attraverso il citato condotto di scarico.

Nella fattispecie, il motore a scoppio presenta in corrispondenza dell'ingresso di ciascun condotto, sia esso di aspirazione o di scarico, una rispettiva valvola 2 a fungo di tipo noto, la quale è montata sulla testata 3 del motore con il proprio stelo 2a assialmente scorrevole attraverso il corpo della testata 3, e la propria testa 2b assialmente mobile in corrispondenza dell'ingresso di tale condotto, in modo tale da essere mobile tra una posizione di chiusura, in cui la testa 2b della valvola 2 impedisce il passaggio dei gas attraverso il condotto di aspirazione o di scarico da e verso la citata camera di scoppio, ed una posizione di massima apertura, in cui la testa 2b della valvola 2 permette il passaggio dei gas attraverso il condotto di aspirazione o di scarico da e verso la camera di scoppio stessa con la massima portata possibile.

Con riferimento alle figure 1 e 2, l'attuatore elettromagnetico 1 comprende un telaio di supporto 4 fissato alla testata 3 del motore a scoppio in modo noto; un braccetto oscillante 5 in materiale ferromagnetico, presentante una prima estremità 5a incernierata al telaio di supporto 4 in modo tale da poter oscillare attorno ad un asse di rotazione A perpendicolare all'asse longitudinale L della valvola 2, ed una seconda estremità 5b disposta direttamente in battuta sull'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2; ed una coppia di elettromagneti 6 disposti uno al di sopra dell'altro da bande opposte della porzione centrale del braccetto oscillante 5, in modo tale da poter attrarre a comando ed alternativamente il braccetto oscillante 5, facendolo ruotare attorno all'asse di rotazione A.

Nell'esempio illustrato, il telaio di supporto 4 è costituito da una coppia di piastre 7 parallele ed affacciate tra loro, che si estendono a lato dello stelo 2a della valvola 2 da movimentare assialmente, parallelamente all'asse longitudinale L della valvola 2 stessa.

Con riferimento alle figure 1 e 3, il braccetto oscillante 5 è incernierato tra le piastre 7 che definiscono il telaio di supporto 4, ed è costituito da una piastra centrale 8 in materiale ferromagnetico posizionata nello spazio esistente tra le teste polari dei due elettromagneti 6, da un elemento tubolare cilindrico 9 solidale ad un bordo laterale della piastra centrale 8, ed infine da una appendice 10 estendentesi a sbalzo dalla piastra centrale 8 dalla parte opposta dell'elemento tubolare cilindrico 9.

Più in dettaglio, con particolare riferimento alla figura 3, l'elemento tubolare cilindrico 9 si estende coassiale all'asse di rotazione A, è montato girevole sulle piastre 7 che definiscono il telaio di supporto 4 tramite 1'interposizione di cuscinetti di rotolamento di tipo noto, e definisce l'estremità 5a del braccetto oscillante 5. La piastra centrale 8 è invece costituita da un pacco di lamierini 11 di materiale ferromagnetico impilati uno sull'altro e saldati di costa sulla superficie laterale esterna dell'elemento tubolare cilindrico 9, e da una costola di irrigidimento 12 saldata al pacco di lamierini 11 dalla parte opposta dell'elemento tubolare cilindrico 9. I lamierini sono perpendicolari all'asse di rotazione A del braccetto oscillante 5, mentre la costola di irrigidimento 12 si estende per l'intera lunghezza del pacco di lamierini 11 ed ha la funzione di irrobustire il pacco di lamierini 11 stesso, rendendolo strutturalmente simile ad una piastra piena e monolitica.

Per quanto riguarda invece l'appendice 10, essa si estende a sbalzo dalla costola di irrigidimento 12, è sagomata sostanzialmente a dito ricurvo ed è disposta direttamente in battuta sull'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2, definendo l'estremità 5b del braccetto oscillante 5.

Con riferimento alla figura 1, è opportuno sottolineare che l'appendice 10 presenta una forma a dito ricurvo in modo tale da mantenere il punto di contatto tra l'appendice 10 e l'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2 sempre al disotto del piano mediano della piastra centrale 8, così da minimizzare le tensioni meccaniche e da ottimizzarne la distribuzione su tutto il pacco di lamierini 11.

Per quanto riguarda i due elettromagneti 6, sono entrambi disposti tra le piastre 7 del telaio 4 e ciascuno di essi, nell'esempio illustrato, comprende un nucleo magnetico 13 conformato ad U, fissato al telaio di supporto 4 in modo tale che le sue due teste polari risultino affacciate alla piastra centrale 8, ed una bobina 14 di materiale elettricamente conduttore calzata sul nucleo magnetico 13 stesso.

È opportuno sottolineare che, nell'esempio illustrato, il nucleo magnetico 13, per ridurre le perdite di isteresi, è costituito da un pacco di lamierini in materiale ferromagnetico mantenuti aderenti tra loro da bulloni di serraggio 15 montati passanti attraverso le piastre 7.

Con riferimento alla figura 1, l'attuatore elettromagnetico 1 comprende inoltre due elementi elastici atti a mantenere uno la valvola 2 in posizione di chiusura, e l'altro il braccetto oscillante 5 in battuta su uno dei due elettromagneti 6, ed in particolare su quell'elettromagnete 6 contro cui deve andare normalmente in battuta il braccetto oscillante 5 per posizionare la valvola 2 in posizione di massima apertura.

Nella fattispecie, il primo elemento elastico dell'attuatore elettromagnetico 1, di seguito indicato con il numero 16, è costituito da una molla elicoidale calzata sullo stelo 2a della valvola 2 in modo tale da presentare una prima estremità in battuta sulla testata 3 del motore, ed una seconda estremità in battuta su di un codolo di riscontro 17 fissato sullo stelo 2a della valvola 2 stessa. Il secondo elemento elastico dell'attuatore elettromagnetico 1, di seguito indicato con il numero 18, è invece costituito, nell'esempio illustrato, da una barra di torsione inserita parzialmente all'interno dell'elemento tubolare cilindrico 9, in modo tale da presentare una prima estremità 18a angolarmente solidale all'elemento tubolare cilindrico 9, ed una seconda estremità 18b solidale ad una delle piastre 7 del telaio di supporto 4 tramite una elemento di bloccaggio e registrazione 19 presente sulla stessa.

È opportuno sottolineare che i due elementi elastici, ossia la molla elicoidale 16 e la barra di torsione 18., agiscono in contrapposizione uno all'altro e che le loro costanti elastiche sono scelte in modo tale da posizionare, quando gli elettromagneti 6 sono entrambi disalimentati ossia in condizione di equilibrio, il braccetto oscillante 5 in una posizione di riposo in cui quest'ultimo risulta sostanzialmente equidistante dalle teste polari dei due elettromagneti 6, in modo tale da mantenere la valvola 2 del motore in una posizione intermedia tra la posizione di chiusura e la posizione di massima apertura.

Secondo una variante non illustrata, l'estremità 5b del braccetto oscillante 5, ovvero l'appendice 10 sagomata a dito ricurvo, è disposta in battuta sull'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2 tramite l'interposizione di un elemento meccanico atto a minimizzare la sollecitazioni flessionali a cui è sottoposto lo stelo 2a della valvola 2 durante il funzionamenro .

Tale elemento meccanico comprende un puntone interposto tra l'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2 e l'estremità 5b del braccetto oscillante 5, ed un giunto elastico atto a mantenere il puntone stesso solidale allo stelo 2a della valvola 2. Il puntone è costituito da una asta dimensionata per sopportare e trasferire carichi di compressione, che si estende coassiale allo stelo 2a della valvola 2 e presenta una prima estremità in battuta sull'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2, ed una seconda estremità in battuta sull'estremità 5b del braccetto oscillante 5. Il giunto elastico è posizionato in corrispondenza dell'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2, ed è atto a mantenere l'asta coassiale allo stelo 2a della valvola 2, con una sua estremità sempre in battuta sull'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2, permettendo comunque delle piccole oscillazioni dell'asta stessa.

Essendo il puntone collegato allo stelo 2a della valvola 2 tramite il giunto elastico, le sollecitazioni meccaniche perpendicolari allo stelo 2a della valvola 2, prodotte dallo sfregamento dell'estremità 5b del braccetto oscillante 5 sull'estremità del puntone, provocano esclusivamente delle oscillazioni del puntone che vengono smorzate e non vengono trasmesse allo stelo 2a della valvola 2.

Preferibilmente, ma non necessariamente, l'estremità del puntone intrappolata nel giunto elastico presenta forma semisferica in modo tale da non ostacolare le oscillazioni del puntone sull'estremità superiore dello stelo 2a della valvola 2. L'asta può inoltre essere realizzata in due pezzi avvitati tra loro, in modo tale da poter regolare la lunghezza assiale dell'asta per regolare i giochi meccanici.

Il funzionamento dell'attuatore elettromagnetico 1 è facilmente desumibile da quanto sopra descritto ed illustrato: alimentando alternativamente i due elettromagneti 6 è possibile muovere assialmente la valvola 2 tra la posizione di massima apertura, corrispondente al braccetto oscillante 5 in battuta sull'elettromagnete 6 a ridosso della testata 3, e la posizione di chiusura, corrispondente al braccetto oscillante 5 in battuta sull'elettromagnete 6 superiore.

I vantaggi derivanti dall'impiego dell'attuatore elettromagnetico 1 sopra descritto ed illustrato sono evidenti: la realizzazione della piastra centrale 8 sotto forma di un pacco di lamierini 11 riduce drasticamente le correnti parassite circolanti sulla piastra stessa, riducendo drasticamente la quantità di energia elettrica che viene dissipata e quindi il consumo di energia elettrica degli elettromagneti 6.

Il peggioramento della rigidezza strutturale del braccetto oscillante 5 dovuto alla realizzazione della piastra centrale 8 sotto forma di un pacco di lamierini 11, è invece compensato dalla presenza della costola di irrigidimento 12 che, estendendosi per 1'intera lunghezza del pacco di lamierini 11, irrobustisce il pacco di lamierini 11 stesso rendendolo strutturalmente equivalente ad una piastra piena e monolitica.

Risulta infine chiaro che all'attuatore elettromagnetico 1 qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (11)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Attuatore elettromagnetico (1) per l'azionamento delle valvole (2) di un motore a scoppio che comprende una testata (3) ed almeno una valvola (2) di aspirazione e/o di scarico (2) assialmente mobile nella testata (3) tra una posizione di chiusura, ed una posizione di massima apertura; 1'attuatore elettromagnetico (1) essendo atto a muovere a comando la detta valvola (2) tra la sua posizione di chiusura e la sua posizione di massima apertura; 1'attuatore elettromagnetico (1) comprendendo un braccetto oscillante (5) presentante una prima estremità (5a, 9) incernierata ad un supporto fisso (4) ed una seconda estremità (5b, 10) in battuta sulla detta valvola (2), ed una coppia di elettromagneti (6) disposti da bande opposte del detto braccetto oscillante (5) ed atti a muovere a comando il braccetto oscillante {5) per spostare assialmente la detta valvola (2) tra la posizione di chiusura e la posizione di massima apertura; 1'attuatore elettromagnetico (1) essendo caratterizzato dal fatto che la porzione (8) del braccetto oscillante (5) affacciata agli elettromagneti (6) comprende un pacco di lamierini (11) in materiale ferromagnetico .
2. 2. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto braccetto oscillante (5) comprende una piastra centrale (8) posizionata nello spazio esistente tra le teste polari dei due elettromagneti (6), un perno (9) solidale ad un bordo laterale della piastra centrale (8), ed infine una appendice (10) estendentesi a sbalzo dalla piastra centrale (8) dalla parte opposta del detto perno (9); il perno (9) essendo incernierato al detto supporto fisso (4), e la porzione (8) del braccetto oscillante (5) affacciata agli elettromagneti (6) essendo definita dalla detta piastra centrale (9).
3. 3. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il detto braccetto oscillante (5) è montato girevole sul supporto fisso (4) attorno ad un asse di rotazione (A) determinato, ed i lamierini (11) del detto pacco di lamierini (11) si estendono perpendicolari al detto asse di rotazione (A).
4. 4. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che il detto perno (9) comprende un elemento tubolare cilindrico (9) estendentesi coassiale al detto asse di rotazione (A); i lamierini (11) del detto pacco di lamierini (11) essendo fissati di costa sulla superficie laterale esterna del detto elemento tubolare cilindrico (9).
5. 5. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto che la detta piastra centrale (8) comprende una costola di irrigidimento (12) fissata al pacco di lamierini (11) dalla parte opposta del detto perno (9).
6. 6. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che la seconda estremità (5b, 10) del detto braccetto oscillante (5) è definita da una appendice (10) estendentesi a sbalzo dalla detta costola di irrigidimento (12).
7. 7. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la detta appendice (10) presenta forma sostanzialmente a dito ricurvo in modo tale da mantenere il punto di contatto tra l'appendice (10) e la valvola (2) sempre al disotto del piano mediano della detta piastra centrale (8).
8. 8. Attuatore elettromagnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo elemento elastico (16) atto a mantenere la detta valvola (2) in posizione di chiusura, ed un secondo elemento elastico (18) atto a mantenere la detta valvola (2) nella posizione di massima apertura, esercitando sulla valvola (2) stessa una spinta assiale contraria a quella del detto primo elemento elastico (16).
9. 9. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il detto primo (16) ed il detto secondo elemento elastico (18) sono atti a mantenere, in condizione di equilibrio, la detta valvola (2) in una posizione intermedia tra la detta posizione di chiusura e la detta posizione di massima apertura.
10. 10. Attuatore elettromagnetico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la detta valvola (2) è una valvola a fungo montata con lo stelo (2a) assialmente scorrevole attraverso la testata (3) del motore a scoppio, e che il detto primo elemento elastico (16) comprende una molla elicoidale (16) calzata sullo stelo (2a) della valvola (2), con una prima estremità in battuta sulla detta testata (3) del motore ed una seconda estremità in battuta su di un codolo di riscontro (17) fissato sullo stelo (2a) della valvola (2) stessa.
11. 11. Attuatore elettromagnetico secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che il detto secondo elemento elastico (18) comprende una barra di torsione (18) la quale presenta una prima estremità (18a) solidale alla detta prima estremità (5a, 9) del braccetto oscillante (5), ed una seconda estremità (18b) solidale al detto supporto fisso (4).