ITBO980560A1 - Motore a scoppio con valvole ad azionamento elettromagnetico . - Google Patents

Description

DESC R I ZI OΝ

del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione è relativa ad un motore a scoppio con valvole ad azionamento elettromagnetico.

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 rispettivamente con il collettore di aspirazione e con il collettore di scarico del motore, sono azionate da attuatori elettromagnetici pilotati da una centralina elettronica di comando. Tale soluzione permette di variare alzata, tempo di apertura, ed istante di apertura e chiusura delle valvole in funzione della velocità angolare dell'albero a gomiti e di altri parametri di funzionamento del motore, aumentandone sensibilmente il rendimento.

Purtroppo, i motori a scoppio attualmente in fase di sperimentazione hanno il grosso inconveniente di richiedere degli attuatori elettromagnetici di notevole potenza che per il loro peso e le loro dimensioni mal si prestano ad essere montati sulla testata del motore. Inoltre, l'utilizzo di attuatori elettromagnetici di elevata potenza impone il montaggio sul motore a scoppio di un generatore elettrico di grosse dimensioni in grado di soddisfare l'ingente richiesta di energia elettrica, con costi di produzione proibitivi.

L'obbligo di impiegare attuatori elettromagnetici di grossa potenza è dettato dalla necessità di esercitare sulle valvole di aspirazione e di scarico delle forze assiali di valore elevato. In determinati istanti di funzionamento del motore, infatti, l'attuatore elettromagnetico deve poter generare un forza assiale in grado di vincere, oltre l'inerzia della valvola, anche le forze esercitate sulla valvola dai gas presenti all'interno della camera di scoppio.

Se consideriamo, per esempio, gli istanti che precedono l'apertura della valvola di scarico, all'interno della camera di scoppio i gas combusti hanno una pressione di circa 8 bar che, agendo sulla testa della valvola, ne contrasta l'apertura; di conseguenza l'attuatore elettromagnetico che agisce sulla valvola di scarico, per poter aprire la valvola di scarico e mettere in comunicazione la camera di scoppio con il collettore di scarico, deve produrre una forza uguale al prodotto della pressione per la superficie della testa della valvola di scarico.

Il valore della forza esercitata dai gas combusti sulla valvola di scarico è talmente elevato che nei motori a scoppio attualmente in fase di sperimentazione vengono utilizzati attuatori elettromagnetici con potenze abbondantemente superiori a 2 KW, valore di per sé già molto elevato considerando i limiti di peso e spazio esistenti.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un motore a scoppio con valvole ad azionamento elettromagnetico che possa impiegare attuatori elettromagnetici di piccola potenza, in modo tale da ovviare agli inconvenienti sopra descritti.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un motore a scoppio con valvole ad azionamento elettromagnetico comprendente una camera di scoppio a volume variabile, almeno un condotto di aspirazione collegante la camera di scoppio con un collettore di aspirazione del motore, ed almeno un condotto di scarico collegante la camera di scoppio con un collettore di scarico del motore; il motore a scoppio comprendendo inoltre per ciascun condotto di aspirazione e di scarico una rispettiva valvola mobile da e verso una posizione di chiusura in cui chiude il condotto stesso, ed un attuatore elettromagnetico atto a muovere a comando la detta valvola da e verso la detta posizione di chiusura; il motore a scoppio essendo caratterizzato dal fatto di comprendere, per almeno una delle dette valvole, mezzi di bilanciamento delle pressioni esercitate sulla valvola i quali sono atti ad equilibrare le forze di pressione che tendono a contrastare l'apertura della detta valvola.

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento al disegno annesso, che illustra un motore a scoppio con valvole ad azionamento elettromagnetico realizzato secondo i dettami della presente invenzione.

Con riferimento alla figura annessa, con 1 è indicato nel suo complesso un motore a scoppio che comprende un basamento 2; uno o più pistoni 3 montati assialmente scorrevoli all'interno di rispettive cavità cilindriche 4 ricavate nel corpo del basamento 2 stesso; ed una testata 5 disposta sulla sommità del basamento 2 a chiusura delle cavità cilindriche 4.

All'interno della rispettiva cavità cilindrica 4, ciascun pistone 3 delimita, unitamente alla testata 5, una camera di scoppio 6 a volume variabile, mentre la testata 5 è provvista, per ciascuna camera di scoppio 6, di almeno un condotto di aspirazione 7 e di almeno un condotto di scarico 8 atti a collegare la camera di scoppio 6 stessa rispettivamente con il collettore di aspirazione e con il collettore di scarico del motore 1, entrambi di tipo noto e non illustrati.

Con riferimento alla figura annessa, il motore 1 è infine provvisto di un gruppo di valvole ad azionamento elettromagnetico atte a regolare l'afflusso di aria all'interno della camera di scoppio 6 attraverso il condotto di aspirazione 7, ed il deflusso dei gas combusti dalla camera di scoppio 6 attraverso il condotto di scarico 8.

In particolare il motore 1 presenta in corrispondenza dell'ingresso di ciascun condotto, sia esso di aspirazione 7 o di scarico 8, una rispettiva valvola 9 a fungo di tipo noto, la quale è montata sulla testata 5 in modo tale da presentare il proprio stelo 10 assialmente scorrevole attraverso il corpo della testata 5, e la propria testa 11 assialmente mobile in corrispondenza dell'ingresso del condotto da e verso una posizione di chiusura in cui ostruisce a tenuta di fluido l'ingresso del condotto stesso. Le valvole 9 posizionate all'ingresso dei condotti di aspirazione 7 vengono comunemente chiamate "valvole di aspirazione", mentre le valvole 9 posizionate all'ingresso dei condotti di scarico 8 vengono comunemente chiamate "valvole di scarico".

Per ciascuna valvola 9 di aspirazione e per ciascuna valvola 9 di scarico, il motore 1 comprende infine un rispettivo attuatore elettromagnetico 12 atto a spostare assialmente lo stelo 10 della valvola 9 in modo tale da muovere la testa 11 da e verso la propria posizione di chiusura. Gli attuatori elettromagnetici 12 sono pilotati da una centralina elettronica di controllo (non illustrata) e, nell'esempio illustrato, sono posizionati sulla testata 5 dalla parte opposta del basamento 2, ciascuno coassiale allo stelo 10 della valvola 9 che deve movimentare.

Con riferimento alla figura annessa, nell'esempio illustrato ciascun attuatore elettromagnetico 12 comprende due elettromagneti 13 toroidali disposti allineati lungo l'asse A dello stelo 10 della valvola 9 ad una distanza determinata l'uno dall'altro; un disco 14 in materiale ferromagnetico disposto coassiale all'asse A tra i due elettromagneti 13; ed una carcassa esterna 15 di protezione all'interno della quale sono alloggiati i due elettromagneti 13 toroidali ed il disco 14. La carcassa esterna 15 è ovviamente fissata alla testata 5 del motore 1.

I due elettromagneti 13 sono entrambi costituiti da un nucleo magnetico esterno 13a in materiale ferromagnetico che presenta una forma toroidale con sezione conformata sostanzialmente ad U, e da una bobina 13b di materiale elettricamente conduttore avvolta all'interno del nucleo magnetico esterno 13a stesso. I due elettromagneti 13 sono entrambi orientati in modo tale che la corrispondente bobina 13b sia direttamente affacciata al disco 14 che ha la funzione di completare alternativamente il circuito magnetico dei due elettromagneti 13.

Il disco 14 è fissato all'estremità libera dello stelo 10, ed è assialmente mobile sotto l'azione del campo magnetico prodotto alternativamente dai due elettromagneti 13 toroidali tra una prima posizione operativa in cui il disco 14 si dispone in battuta sull'elettromagnete 13 disposto a ridosso della testata 5, ed una seconda posizione operativa in cui il disco 14 si dispone in battuta sull'elettromagnete 13 disposto dalla parte opposta della testata 5 rispetto al disco 14 stesso. Ovviamente quando il disco 14 è nella prima posizione operativa la corrente elettrica circola nell'elettromagnete 13 disposto a ridosso della testata 5, mentre quando il disco 14 è nella seconda posizione operativa la corrente elettrica circola nell' elettromagnete 13 disposto dalla parte opposta della testata 5 rispetto al disco 14.

Quando il disco 14 è nella prima posizione operativa, la testa 11 della valvola 9 sporge all'esterno dell'ingresso del condotto e la valvola 9 si trova quindi in posizione di apertura; mentre quando il disco 14 è nella seconda posizione operativa, la testa 11 impegna a tenuta di fluido l'ingresso del condotto e la valvola 9 si trova quindi in posizione di chiusura.

Nell'esempio illustrato, ciascun attuatore elettromagnetico 12 è provvisto anche di due molle 16 elicoidali sostanzialmente uguali tra loro, disposte coassiali all'asse A all'interno ciascuna di un rispettivo elettromagnete 13. Tali molle 16 presentano una prima estremità in battuta sul disco 14 ed una seconda estremità in battuta sulla superficie della testata 5, ovvero sul fondo della carcassa esterna 15, e sono atte ad agevolare lo spostamento del disco 14 dalla prima alla seconda posizione operativa e viceversa.

Per ciascun attuatore elettromagnetico 12 relativo ad una valvola 9 di scarico, il motore 1 comprende infine un dispositivo di bilanciamento 17 delle pressioni esercitate sulla testa 11 della valvola 9, il quale è atto ad equilibrare le forze di pressione che tendono a contrastare l'apertura della valvola 9 durante il normale funzionamento del motore 1. Tali forze di pressione sono essenzialmente dovute al fatto che il lato Ila della testa 11 della valvola 9 rivolto verso la camera di scoppio 6 è sottoposto, negli istanti che precedono l'apertura della valvola 9, ad una pressione diversa da quella presente sul lato llb della testa 11 rivolto verso l'interno del condotto di scarico 8.

Il dispositivo di bilanciamento 17 è costituito, nell'esempio illustrato, da una camera 18 di compensazione ricavata all'interno della testata 5 coassialmente all'asse A dello stelo 10 della valvola 9 su cui il dispositivo stesso deve andare ad agire, e da un pistone 19 montato assialmente scorrevole all'interno della camera 18 di compensazione. Tale pistone 19 è calettato sullo stelo 10 della valvola 9 su cui il dispositivo di bilanciamento 17 deve andare ad agire, e definisce all'interno della camera 18 due semicamere 20a e 20b a volume variabile complementari tra loro.

Le due semicamere 20a e 20b sono in comunicazione tramite rispettivi condotti 21 e 22 una con la camera di scoppio 6 e l'altra con il condotto di scarico 8, in modo tale che sui due lati del pistone 19 agiscano le stesse pressioni esistenti sui lati Ila e llb della testa 11 della valvola 9 di scarico.

In particolare, per bilanciare gli effetti delle forze di pressione, la semicamera 20a che aumenta il suo volume quando la valvola 9 si sposta in posizione di apertura deve essere in comunicazione con la camera di scoppio 6, mentre la semicamera 20b che riduce il suo volume quando la valvola 9 si sposta in posizione di apertura deve essere in comunicazione con il condotto di scarico 8. Ovviamente, per realizzare un bilanciamento ottimale, la camera 18 deve essere realizzata in modo tale che il cielo del pistone 19 abbia una superficie di ampiezza minore od uguale a quella di ciascuno dei due lati Ila e llb della testa 11 della valvola 9.

Per semplificare il collegamento della semicamera 20a con la camera di scoppio, il condotto 21 può essere vantaggiosamente ricavato all'interno dello stelo 10 della valvola 9.

É ovvio che il dispositivo di bilanciamento 17 può essere eventualmente posizionato anche all'esterno della testata 5, per esempio sulla sommità dell'attuatore elettromagnetico 12.

Secondo una prima variante non illustrata, il motore 1 può essere provvisto anche di un dispositivo di bilanciamento 17 per ciascuno degli attuatori elettromagnetici 12 che azionano le valvole 9 di aspirazione.

Secondo una ulteriore variante non illustrata, il pistone 19 può essere sostituito da una membrana elasticamente deformabile. La superficie della membrana deve ovviamente sottostare agli stessi criteri dimensionali a cui è sottoposto il pistone 19.

Il funzionamento del motore 1 è facilmente desumibile da quanto sopra descritto e non necessita quindi di ulteriori spiegazioni.

Il motore 1 sopra descritto ed illustrato ha l'indubbio vantaggio di poter impiegare degli attuatori elettromagnetici 12 di potenza sensibilmente inferiore a quella degli attuatori elettromagnetici attualmente in uso, senza imporre complicate modifiche alla struttura del motore. L'inserimento del dispositivo di bilanciamento 17 nell'architettura del motore è infatti relativamente semplice e non richiede grosse modifiche agli impianti di produzione.

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

Claims (6)

1. R I V E N D I C A Z I O N I 1. Motore a scoppio (1) con valvole ad azionamento elettromagnetico comprendente una camera di scoppio (6) a volume variabile, almeno un condotto di aspirazione (7) collegante la camera di scoppio (6) con un collettore di aspirazione del motore, ed almeno un condotto di scarico (8) collegante la camera di scoppio (6) con un collettore di scarico del motore; il motore a scoppio (1) comprendendo inoltre per ciascun condotto di aspirazione (7) e di scarico (8) una rispettiva valvola (9) mobile da e verso una posizione di chiusura in cui chiude il condotto stesso, ed un attuatore elettromagnetico (12) atto a muovere a comando la detta valvola (9) da e verso la detta posizione di chiusura; il motore a scoppio (1) essendo caratterizzato dal fatto di comprendere, per almeno una delle dette valvole (9), mezzi di bilanciamento (17) delle pressioni esercitate sulla valvola (9) i quali sono atti ad equilibrare le forze di pressione che tendono a contrastare l'apertura della detta valvola (9).
2. 2. Motore a scoppio secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di bilanciamento (17) comprendono una camera di compensazione (18) ed un elemento divisore (19) atto a definire all'interno della detta camera di compensazione (18) due semicamere (20a, 20b) a volume variabile complementari tra loro; le dette semicamere (20a, 20b) essendo in.comunicazione una con la camera di scoppio (6) e l'altra con il condotto di aspirazione (7) o di scarico (8); il detto elemento divisore (19) essendo collegato alla detta valvola (9) per esercitare sulla valvola (9) stessa una forza di reazione tale da bilanciare le dette forze di pressione agenti sulla valvola (9).
3. 3. Motore a scoppio secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il detto elemento divisore (19) è un pistone (19) montato assialmente scorrevole all'interno della detta camera di bilanciamento (18).
4. 4. Motore a scoppio secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il detto elemento divisore (19) è una membrana elasticamente deformabile disposta all'interno della detta camera di bilanciamento (18).
5. 5. Motore a scoppio secondo la rivendicazione 3 o 4, caratterizzato dal fatto di comprendere una testata (5) all'interno della quale sono ricavati i detti condotti di aspirazione (7) e di scarico (8); le dette valvole (9) essendo valvole a fungo montate con il proprio stelo (10) assialmente scorrevole attraverso il corpo della testata (5); la camera di compensazione (18) dei detti mezzi di bilanciamento (17) essendo ricavata all'interno della testata (5) sostanzialmente coassiale allo stelo (10} della corrispondente valvola (9); l'elemento divisore (19) dei detti mezzi di bilanciamento (17) essendo fissato allo stelo (10) della detta valvola (9).
6. 6. Motore a scoppio secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che una (20a) delle dette due semicamere (20a, 20b) a volume variabile è in comunicazione con la camera di scoppio (6) attraverso un condotto di collegamento (20) ricavato nello stelo (10) della detta valvola (9).