ITCZ20130012A1 - Sistema di turbocompressione di un motore - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo: “Sistema di turbocompressione di un motoreâ€

La presente invenzione riguarda un sistema di turbocompressione di un motore.

In particolare la presente invenzione à ̈ relativa ad un sistema di turbocompressione di un motore, del tipo collegato alla fase di aspirazione del motore.

La maggior parte delle autovetture à ̈ dotata di motori a quattro tempi. Un ciclo di funzionamento consiste di quattro fasi che sono, nell’ordine:

- la fase di aspirazione, nella quale, quando il pistone si abbassa dal punto morto superiore al punto morto inferiore, l’aria viene attirata nel cilindro attraverso la valvola di aspirazione ed arricchita con combustibile;

- la fase di compressione, nella quale il pistone, spostandosi dal punto morto inferiore al punto morto superiore, comprime la miscela aria / combustibile nel cilindro;

- la fase di espansione, che rappresenta il lavoro utile compiuto dal motore, ed à ̈ la fase in cui l’espansione prodotta dalla combustione della miscela aria/combustibile, spinge il pistone dal punto morto superiore al punto morto inferiore;

- la fase di scarico, nella quale il pistone, spostandosi dal punto morto inferiore al punto morto superiore, spinge fuori il gas di scarico attraverso l’apposita valvola.

La potenza erogata dal motore può essere accresciuta in diversi modi noti.

Ad esempio, l’ampliamento della cilindrata permette una crescita della potenza erogata, in quanto più aria à ̈ disponibile in una camera di combustione più grande, più miscela aria/carburante può essere bruciata. Questo ampliamento può essere raggiunto aumentando o il numero di cilindri o il volume di ogni singolo cilindro. In generale, questo determina motori più ampi e pesanti.

Un’altra possibilità per aumentare la potenza erogata del motore à ̈ incrementare la sua velocità. Ciò à ̈ possibile aumentando il numero di corse di accensione per unità di tempo.

A causa dei limiti meccanici, tuttavia, questo tipo di incremento della potenza à ̈ scarsamente utilizzato. Inoltre l’incremento di velocità fa crescere esponenzialmente l’attrito e l’inerzia, determinando la diminuzione di efficienza del motore.

Una ulteriore possibilità consiste nel sovralimentare il motore. Com’à ̈ noto, nell’ambito della meccanica motoristica, vengono adottate diverse soluzioni per la sovralimentazione del motore, tra cui l’uso di un turbocompressore. Un turbocompressore accoppiato ad un motore di un’autovettura si compone di una turbina e di un compressore, connessi da un albero in comune appoggiato su un sistema di cuscinetti. Il turbocompressore converte in aria compressa l’energia persa dai gas di scarico che viene spinta nel motore e questo permette al motore di produrre più potenza e coppia.

Nei motori privi di sovralimentazione, il motore funziona come un normale motore aspirato, ovvero l’aria di combustione viene attirata nel cilindro durante la fase di aspirazione ed à ̈ aspirata dall’ambiente esterno, che ha una pressione uguale a quella della pressione ambientale. Tuttavia l’aria di combustione à ̈ condizionata dall’altitudine in quanto l’ossigeno diminuisce con l’aumentare dell’altitudine. Viceversa, nei motori sovralimentati, l’aria di combustione viene compressa. Conseguentemente, a parità di altitudine, una maggiore quantità di aria e, quindi, di ossigeno può entrare nella camera di combustione. Ciò comporta la combustione di una maggiore quantità di comburente, e l’incremento della potenza d’uscita del motore proporzionalmente alla cilindrata.

Fondamentalmente, si deve distinguere tra motori meccanicamente sovralimentati e motori turbocompressi con gas di scarico a geometria fissa o variabile.

Nel primo caso, l’aria di combustione viene compressa da un compressore azionato direttamente dal motore, per mezzo di organi meccanici, come cinghie, ruotismi, ecc. Tuttavia, la crescita della potenza di uscita viene parzialmente attenuata dalle dispersioni causate dall’azionamento stesso del compressore. La potenza necessaria a far funzionare un compressore meccanico necessita di una parte della potenza erogata dal motore.

Nel turbocompressore a geometria fissa l’energia del gas di scarico, che verrebbe normalmente persa, viene in parte utilizzata per azionare una turbina. Montato sullo stesso asse della turbina, infatti, c’à ̈ un compressore che comprime l’aria di combustione e poi la eroga al motore, senza alcun collegamento meccanico al motore stesso, come già descritto. Il corpo della turbina comprende due componenti: la “ruota a pale†della turbina e la “custodia / alloggiamento†. Il gas di scarico viene guidato nella ruota della turbina dalla custodia e l’energia presente del gas di scarico fa girare la turbina stessa. Una volta che il gas à ̈ passato attraverso le pale della ruota della turbina ne esce dall’area di uscita dello scarico. I giri della ruota della turbina sono determinati dalla velocità del motore, per cui se il motore à ̈ alla modalità minima la ruota gira a velocità minima. In seguito alla pressione sull’acceleratore, la ruota inizia a girare più velocemente per effetto del passaggio di una maggiore quantità di aria attraverso la custodia della turbina.

Anche il sistema del compressore à ̈ costituito da un corpo custodia / alloggiamento e da una girante.

La girante del compressore, o “ruota†del compressore, à ̈ collegata alla turbina da un’asse di acciaio fucinato.

L’aria di combustione viene guidata nella ruota del compressore dalla custodia. Una volta compressa, lascia il corpo del compressore dall’area di uscita e confluisce verso i cilindri motore. Al suo ingresso nel compressore, l’aria ha una temperatura uguale a quella atmosferica ma, a causa di un fenomeno di trasmissione termica, ne esce ad una temperatura superiore ai 200°C. L’incremento di temperatura à ̈ determinato dal contatto dell’aria di combustione con il corpo della turbina, attraversato dai gas di scarico ad alta temperatura che azionano la turbina, e, a parità di volume, l’aumento della temperatura causa la diminuzione della quantità di ossigeno presente nell’aria, abbassandone quindi il rapporto stechiometrico. L’aumento di temperatura dell’aria può essere contrastato raffreddando la stessa, a valle della sua uscita dal compressore, per mezzo di uno scambiatore di calore chiamato “intercooler†.

Un turbocompressore a geometria fissa entra in funzione quando la forza erogata dal gas di scarico à ̈ tale da mettere in rotazione la turbina, quindi in funzione del numero di giri del motore. I turbocompressori a geometria fissa, pertanto, hanno un optimum di utilizzo per i bassi, medi, o alti giri del motore.

Un metodo di turbocompressione più efficace, ma anche più complesso, à ̈ quello a geometria variabile, che consiste nell’utilizzo di una turbina, che ha la capacità di captare, grazie ad un sistema di palette mobili, tutto il gas di scarico da una condizione di minimo esercizio del motore “bassi giri†ad una condizione di massimo esercizio “alti giri†.

Tuttavia, i turbocompressori attualmente utilizzati presentano diverse problematiche come il peso o l’ingombro; necessitano della installazione di collettori di scarico specifici per ogni motore per il collegamento del medesimo al turbocompressore; determinano problemi di impatto negativo sull’ambiente derivanti dal mancato svuotamento della camera di scoppio dopo un ciclo di combustione ed al conseguente accumulo di residui della combustione nei cicli successivi, causato dalla necessità di restringere la sezione trasversale del collettore di scarico al fine di aumentarne la velocità per mettere in moto la turbina. L’alta temperatura del gas di scarico, inoltre, che raggiunge temperature di circa 800/1000°C, impone l’utilizzo di chiocciole della turbina realizzate con materiali resistenti alle alte temperature, come la ghisa. Ciò, tuttavia, determina un aumento di peso del turbocompressore e rende necessario l’uso di oli lubrificanti, specifici per motori turbo, resistenti alle alte temperature, inquinanti. Relativamente al compressore volumetrico, inoltre, al problema dell’ingombro si aggiunge anche quello costituito dall’assorbimento di potenza del motore causato dalla necessità di trascinamento, da parte del motore, di tutte le componenti meccaniche che lo costituiscono.

Scopo della presente invenzione à ̈ fornire un sistema di turbocompressione di un motore, avente caratteristiche tali da superare i limiti che ancora influenzano i sistemi di sovralimentazione precedentemente descritti, con riferimento alla tecnica nota.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un sistema di turbocompressione di un motore, come definito nella rivendicazione 1.

Per una migliore comprensione della presente invenzione viene ora descritta una forma di realizzazione preferita, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra una vista schematica di un sistema di turbocompressione posto tra il filtro dell’aria e il gruppo farfallato di un motore, secondo l’invenzione;

- le figure 2a-2b mostrano viste schematiche rispettivamente di un corpo centrale e di cuscinetti lubrificati ad olio del corpo centrale del sistema di turbocompressione, secondo l’invenzione;

- le figure 3a-3b mostrano viste schematiche rispettivamente di un corpo centrale e di un moltiplicatore di velocità del sistema di turbocompressione, secondo l’invenzione;

- la figura 4 mostra una vista schematica del percorso compiuto dall’aria, in uscita dal filtro dell’aria, all’interno del sistema di turbocompressione, secondo l’invenzione.

Con riferimento a tali figure e, in particolare, alla figura 1, un sistema 100 di turbocompressione di un motore à ̈ mostrato secondo l’invenzione. In particolare, il sistema 100 di turbocompressione del motore à ̈ interposto tra il filtro dell’aria 120 del motore e il gruppo farfallato 130 del motore e comprende: un corpo centrale 101 su cui sono montate una turbina 102 e un compressore 103 calettati su uno stesso albero 104; due tubi Venturi 105 compresi nel corpo centrale 101 e terminanti con un ugello 106; cuscinetti volventi/radenti 107 per supportare la turbina 102; un oliatore 108 e un moltiplicatore di velocità 109 montati sul corpo centrale 101, mostrati rispettivamente in figura 2 e 3; due diffusori flangia 110; una valvola di ricircolo aria 111; una valvola 112 di scarico aria verso l’esterno; un tubo di ricircolo aria 113 collegato alla valvola di ricircolo aria 111; una flangia di collegamento 114 per la valvola di ricircolo 111, per uno dei due diffusori flangia 110; bullonerie 115 per il montaggio del turbocompressore 103.

La figura 2a mostra più dettagliatamente il corpo centrale 101, mettendo in evidenza i cuscinetti 107 lubrificati ad olio e la figura 2b mostra un’immagine ingrandita dei cuscinetti 107 con l’oliatore 108.

La figura 3a mostra più dettagliatamente il corpo centrale 101, mettendo in evidenza il moltiplicatore di velocità 109, e la figura 3b mostra un’immagine ingrandita del moltiplicatore di velocità 109.

La figura 4 mostra, invece, il sistema 100 di figura 1 mettendo in evidenza il percorso che il flusso di aria uscente dal filtro dell’aria 120 compie, entrando nel sistema 100, per poi uscire verso il gruppo farfallato 130. Più dettagliatamente, quando il motore viene acceso, l’aria proveniente dalla fase di aspirazione del motore, attraverso il filtro 120, viene convogliata, tramite il primo diffusore 110, in corrispondenza del compressore 103 nei tubi venturi 105. In seguito, l’aria, uscendo dagli ugelli 106, viene convogliata nella turbina 102 calettata sullo stesso albero 104 del compressore 103. La turbina 102, pertanto, si attiva e mette conseguentemente in movimento il compressore 103, che inizia a sovralimentare il motore. Durante la fase di accelerazione, in cui viene aperto il gruppo farfallato 130, il flusso di aria aumenta incrementando, di conseguenza, la sovralimentazione del motore.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, la valvola di ricircolo dell’aria 111 ha la funzione di diminuire la pressione dell’aria tra la turbina 102 e il gruppo farfallato 130, salvaguardando l’integrità della valvola a farfalla nel momento in cui fuori dalla fase di accelerazione si trova chiusa, rimettendo in circolo l’aria nei tubi di ricircolo aria 113 o, alternativamente, espellendo l’aria all’esterno tramite la valvola di scarico aria 112.

Vantaggiosamente secondo l’invenzione, il turbocompressore può essere realizzato con metalli leggeri.

Pertanto, il sistema di turbocompressione di un motore secondo l’invenzione, essendo posizionato tra il filtro dell’aria e il gruppo farfallato del motore, non subisce il surriscaldamento a cui sono sottoposti i sistemi noti di turbocompressione.

Un altro vantaggio del sistema di turbocompressione di un motore secondo l’invenzione consiste nella possibilità di montaggio su motori di medesima categoria di cilindrata, direttamente sulla presa di aspirazione, eliminando la necessità di specifici collegamenti con conseguenti costi di produzione ridotti.

Ulteriormente, il sistema di turbocompressione di un motore secondo l’invenzione consente un volume di ingombro minimo e la veloce e rapida installazione.

Inoltre, il sistema di turbocompressione di un motore secondo l’invenzione ha un peso complessivo ridotto in quanto il turbocompressore può essere realizzato con metalli leggeri.

Inoltre, il sistema di turbocompressione di un motore secondo l’invenzione consente di aumentare il rendimento del motore, in quanto consente di svuotare totalmente la camera di scoppio dopo un ciclo di combustione, eliminando il problema dell’accumulo dei residui di combustione nei successivi cicli di lavoro sopra esposti nei sistemi attualmente noti.

Ed ancora, per incrementare l’efficienza del sistema di turbo compressione di un motore secondo l’invenzione ,la turbina a geometria fissa, può essere sostituita con una a geometria variabile.

Infine, con il sistema di turbocompressione di un motore secondo l’invenzione à ̈ possibile mantenere pulita la turbina, risparmiando il costo dell’attività manutentiva.

Risulta infine chiaro che al sistema di turbocompressione di un motore qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Sistema (100) di turbocompressione di un motore comprendente un corpo centrale (101) su cui sono montate una turbina (102) e un compressore (103) calettati su uno stesso albero (104); caratterizzato dal fatto di trovarsi interposto tra il filtro dell’aria (120) del motore e il gruppo farfallato (130) del motore, la turbina (102) essendo configurata per movimentarsi e per movimentare, tramite l’albero (104), il compressore (103) per mezzo dell’aria di aspirazione del motore in uscita dal filtro (120).
2. 2. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno due diffusori flangia (110) connessi a due tubi Venturi (105) compresi nel corpo centrale (101) e terminanti ciascuno con un ugello (106) per convogliare l’aria di aspirazione del motore in uscita dal filtro (120) nella turbina (102).
3. 3. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere cuscinetti volventi (107) per supportare la turbina (102).
4. 4. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo le rivendicazioni 1 e 3, caratterizzato dal fatto di comprendere un oliatore (108) dei cuscinetti (107) montato sul corpo centrale (101).
5. 5. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere un moltiplicatore di velocità (109) montato sul corpo centrale (101).
6. 6. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una valvola di ricircolo aria (111) e un tubo di ricircolo aria (113) ad essa collegato, configurati per diminuire la pressione dell’aria tra la turbina (102) e il gruppo farfallato (120) chiuso.
7. 7. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una valvola (112) di scarico aria verso l’esterno configurata per diminuire la pressione dell’aria tra la turbina (102) e il gruppo farfallato (120) chiuso.
8. 8. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una flangia di collegamento (114) per la valvola di ricircolo (111).
9. 9. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere cuscinetti volventi/radenti (107) di supporto alla turbina (102).
10. 10. Sistema (100) di turbocompressione di un motore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un tubo Venturi (105) compreso nel corpo centrale (101) e terminante con un ugello (106).