ITUA201664571U1 - SYSTEM FOR THE GENERATION OF SWIRL MOTIONS FOR ALTERNATIVE MOTORS EQUIPPED WITH TWO CYLINDER INJECTORS - Google Patents

Description

DESCRIZIONE del modello di utilità dal titolo: “Sistema per la generazione di un moti di swirl per DESCRIPTION of the utility model entitled: “System for the generation of a swirl motion for

motori alternativi dotati di due iniettori per cilindro” reciprocating engines equipped with two injectors per cylinder "

CAMPO DEL MODELLO DI UTILITÀ’ FIELD OF THE UTILITY MODEL

Il problema della presente invenzione è quello di realizzare un miglioramento della carica d'aria e nel contempo di garantire un moto di swirl controllato alla stessa in motori a combustione interna a pistoni sovralimentati o aspirati dotati di doppia iniezione ad alta pressione. The problem of the present invention is to achieve an improvement in the air charge and at the same time to guarantee a swirl motion controlled thereto in internal combustion engines with supercharged or aspirated pistons equipped with double high pressure injection.

La presente invenzione è relativa alla gestione dell aria in ingresso per un motore a combustione interna sovralimentato o aspirato mediante due generatori di vortice (swirl) ottenuti mediante una particolare disegno dei collettori delle due valvole di aspirazione. L'invenzione riguarda il funzionamento di un motore a combustione interna sovralimentato o aspirato, in cui le correnti d'aria vengono controllate per mezzo di due generatori di vortice a chiocciola ricavate sui condotti valvola o esternamente agli stessi. Il sistema genera due vortici contro-correnti centrati sugli assi degli iniettori. Un eventuale sistema di regolazione dei generatori di vortice controlla contemporaneamente l'intensità, le caratteristiche del vortice e la portata d'aria al motore. The present invention relates to the management of the inlet air for a supercharged or aspirated internal combustion engine by means of two swirl generators obtained by means of a particular design of the manifolds of the two intake valves. The invention relates to the operation of a supercharged or aspirated internal combustion engine, in which the air currents are controlled by means of two spiral vortex generators obtained on the valve ducts or externally thereto. The system generates two counter-current vortices centered on the axis of the injectors. A possible adjustment system of the vortex generators simultaneously controls the intensity, the characteristics of the vortex and the air flow to the motor.

STATO DELL'ARTE STATE OF THE ART

Sia i motori ad accensione comandata che ad accensione per compressione possono utilizzare sistemi di iniezione ad alta pressione, come i sistemi common rail. Both spark ignition and compression ignition engines can use high pressure injection systems, such as common rail systems.

I tradizionali sistemi a doppia accensione sono correntemente utilizzati dove le prestazioni e affidabilità sono richiesti; ad esempio in campo automobilistico, aeronautico, navale, militare e generazione di potenza. Traditional double ignition systems are currently used where performance and reliability are required; for example in the automotive, aeronautical, naval, military and power generation fields.

Sistemi a doppia iniezione per cilindro ad alta pressione possono essere utilizzati in molti campi di applicazione con vantaggi in: Double injection systems for high pressure cylinders can be used in many fields of application with advantages in:

• Maggiore velocità di combustione • Increased burning rate

• Maggior numero di spray complessivo • Greater number of overall sprays

• Migliore miscelazione spray combustibile comburente • Better combustion fuel spray mixing

• Migliore dinamica degli iniettori dovuta alle più piccole dimensioni del singolo iniettore • Aumento del massimo regime di rotazione del motore e potenza erogata. • Better dynamics of the injectors due to the smaller dimensions of the single injector. • Increased maximum engine speed and power output.

• Riduzione delle dimensioni dei pistoni e riduzione delle dimensioni generali del motore. • Migliore raffreddamento per un più grande rapporto superficie volume nelle camere di combustione. • Reduction of piston size and reduction of overall engine size. • Better cooling for a larger surface to volume ratio in the combustion chambers.

• Possibilità di utilizzare piccoli iniettori in motori di grande cilindrata unitaria. • Possibility of using small injectors in large unit displacement engines.

• Possibilità di diversificare le strategie di combustione a differenti carichi e numeri di giri agendo selettivamente sugli iniettori. • Possibility of diversifying the combustion strategies at different loads and speeds by acting selectively on the injectors.

• Differenti strategie di “recovery” anche in caso di guasto di componenti fondamentali. • Different “recovery” strategies even in case of failure of fundamental components.

• Minori emissioni. • Lower emissions.

• Minore rumorosità. • Less noise.

• Minori temperature e pressioni allungano la vita dei motori con riduzioni di costi, pesi e dimensioni. • Lower temperatures and pressures extend the life of the motors with reductions in costs, weights and dimensions.

Questi sistemi necessitano di un sistema di generazione di swirl che generi due vortici intorno ai singoli iniettori per ottimizzare la combustione. These systems require a swirl generation system that generates two vortices around the individual injectors to optimize combustion.

Nei motori a combustione interna a pistone i campi di moto che si realizzano per mezzo dei collettori di aspirazione e della geometria degli iniettori e della camera di combustione sono finalizzati a ottenere opportune strategie di miscelazione tra reagenti e tra prodotti di combustione e prodotti freschi. Si realizza e si stabilizza il processo di combustione all’interno della camera. Si ottimizza il rendimento della combustione, in particolar modo gli inquinanti. In piston internal combustion engines, the motion fields created by the intake manifolds and the geometry of the injectors and the combustion chamber are aimed at obtaining suitable mixing strategies between reactants and between combustion products and fresh products. The combustion process is carried out and stabilized inside the chamber. Combustion efficiency is optimized, especially pollutants.

In particolar modo viene ottimizzata l’aerodinamica della geometria della fiamma e dunque la localizzazione del rilascio di calore. In particular, the aerodynamics of the flame geometry is optimized and therefore the location of the heat release.

Nella scelta di un campo aerodinamico in termini di vortici, in particolare di swirl, il principale obiettivo è la stabilizzazione della combustione e la completezza dello stesso. Nei motori a pistoni sono stati brevettati dei generatori di swirl assiali, radiali e a getti. In the choice of an aerodynamic field in terms of vortices, in particular of swirl, the main objective is the stabilization of the combustion and the completeness of the same. Axial, radial and jet swirl generators have been patented in piston engines.

Questi possono essere realizzati mediante palette, ma più in generale si preferisce conformare in maniera opportuna i condotti di aspirazione all'interno della testata del motore. Quest'ottimizzazione, oggetto di molta attività di ricerca, è ampiamente documentata in numerosissimi brevetti ad esempio US2921571, US3273551, US4015577, US4095578, US4428334 e US662079. These can be made by means of vanes, but more generally it is preferred to suitably shape the intake ducts inside the engine head. This optimization, the subject of much research activity, is widely documented in numerous patents such as US2921571, US3273551, US4015577, US4095578, US4428334 and US662079.

In particolare, ma non in esclusiva, i sistemi avanzati di combustione del motore diesel richiedono una massa d’aria di riempimento più grande e più fredda possibile. Inoltre, al fine di sostenere la combustione attraverso il moto della carica stessa, si realizza attraverso un vortice coassiale con l iniettore (swirl). Il tradizionale obiettivo durante la progettazione della geometria di aspirazione e di scarico è di raggiungere le perdite di flusso più basse possibile e garantire un moto carica definita e stabile. Tuttavia, il rapporto tra la velocità angolare del vortice risultante è approssimativamente proporzionale alla velocità media del pistone. Per questo, soprattutto a bassi regimi sono prese misure supplementari. Nel campo automobilistico è necessaria una velocità angolare di swirl e una carica d’aria adeguata ai bassi regimi. Per questo motivo il layout luci di ingresso è progettato per aumentare la turbolenza specialmente a basse velocità. In particular, but not exclusively, the advanced combustion systems of the diesel engine require a filling mass of air as large and cold as possible. Furthermore, in order to sustain combustion through the motion of the charge itself, it is achieved through a vortex coaxial with the injector (swirl). The traditional goal when designing the intake and exhaust geometry is to achieve the lowest possible flow losses and ensure a defined and stable charged motion. However, the ratio of the resulting vortex angular velocity is approximately proportional to the average piston velocity. For this, especially at low engine speeds, additional measures are taken. In the automotive field, an angular swirl speed and an adequate air charge at low engine speeds are required. For this reason the entrance lights layout is designed to increase turbulence especially at low speeds.

Durante la fase di aspirazione, quando il pistone si muove verso il basso, l’aria in ingresso passa attraverso la luci di entrata. In questa fase si conferisce al fluido il moto di swirl. Questi grandi vortici caratterizzano i flussi d'aria all inteno del cilindro. In base alla geometria dei condotti di ingresso e di uscita, i vortici ad alta energia sono ancora presenti nel cilindro anche quando le valvole sono chiuse. Diversamente dai vortici piccola scala, questi vortici sopravvivono un tempo sufficiente per influenzare la combustione e la post-ossidazione. Tuttavia, l'attrito contro le pareti e il flusso d'aria dissipa lentamente l’energia anche di questi vortici. During the suction phase, when the piston moves downward, the incoming air passes through the inlet ports. In this phase the swirl motion is given to the fluid. These large eddies characterize the air flows inside the cylinder. Depending on the geometry of the inlet and outlet ducts, high-energy eddies are still present in the cylinder even when the valves are closed. Unlike small-scale eddies, these eddies survive long enough to affect combustion and post-oxidation. However, the friction against the walls and the air flow slowly dissipates the energy of these vortices as well.

Il progetto porta deve poi ottenere il massimo flusso nei porti di aspirazione e scarico e un movimento di carica adeguata anche a carichi variabili. Da un lato, il design dei condotti è limitato a causa dei vincoli progettuali, come l'altezza della testa del cilindro, lo spazio richiesto per gli iniettori e il sistema di raffreddamento. Dall’altro è anche necessaria un'adeguata robustezza della testata. I numerosi brevetti già citati cercano di ottenere il risultato mediante condotti a chiocciola e sezione approssimativamente rettangolare. La presenza di alette interne ai condotti, di griglie o di convogliatori interni, in teoria migliora il compromesso tra riempimento e swirl. In pratica l efficacia delle alette interna è molto limitata. I condotti valvola interni alla testata appartengono di solito a tre gruppi: porte tangenziali, porti elicoidali e riempimento. I condotti valvola tangenziali sono progettati per convogliare l'aria tangenzialmente con un angolo relativamente piatto nella camera di combustione e quindi generare un moto della carica attorno all'asse verticale del cilindro, dove è posizionato di solito l'iniettore. I condotti valvole tangenziali generano elevata turbolenza con moderato flusso, quindi con limitata portata massica d’aria. I condotti elicoidali o a chiocciola sono più comuni e la loro geometria obbliga una parte del flusso d'aria principale a ruotare intorno al gambo valvola per ottenere il desiderata vortice di swirl. Per una disposizione a due valvole di aspirazione, è comune combinare un condotto di ingresso elicoidale con un condotto di riempimento. Questo condotto ha l'obiettivo primario minimizzare la resistenza di passaggio e di ottimizzare il riempimento del cilindro, la portata massica d’aria e il rendimento volumetrico. A tal fine, il condotto di riempimento ha la sezione maggiore possibile. Per ottimizzare la velocità tangenziale o di swirl a basso numero di giri, con basse velocità del pistone è necessario chiudere o parzializzare la porta di riempimento con flaps o saracinesche. Questi dispositivi sono costosi e rivelati inaffidabili, soprattutto quando il loro movimento è controllato in continuo dalla variazione della velocità angolare del motore. Anche l'uso di smussi sulle sedi delle valvole consente di ottenere moti di swirl a bassi valori di apertura delle valvole. Il vero problema, infatti, è ottenere vortici stabili ed energici a basso regime con carichi elevati. In queste condizioni la velocità di combustione relativamente bassa limita la carica di combustibile. The door design must then obtain maximum flow in the intake and exhaust ports and an adequate charge movement even at varying loads. On the one hand, the design of the ducts is limited due to design constraints, such as the height of the cylinder head, the space required for the injectors and the cooling system. On the other hand, an adequate strength of the head is also required. The numerous patents already cited try to obtain the result by means of spiral ducts and approximately rectangular section. The presence of fins inside the ducts, grids or internal conveyors, in theory improves the compromise between filling and swirl. In practice, the effectiveness of the internal fins is very limited. The valve ducts inside the cylinder head usually belong to three groups: tangential ports, helical ports and filling. Tangential valve ducts are designed to convey the air tangentially at a relatively flat angle into the combustion chamber and thus generate a charge motion around the vertical axis of the cylinder, where the injector is usually located. The tangential valve ducts generate high turbulence with moderate flow, therefore with limited air mass flow. Helical or spiral ducts are more common and their geometry forces a portion of the main airflow to rotate around the valve stem to achieve the desired swirl vortex. For a two inlet valve arrangement, it is common to combine a helical inlet duct with a fill duct. This duct has the primary objective of minimizing the passage resistance and optimizing the filling of the cylinder, the mass flow of air and the volumetric efficiency. For this purpose, the filling duct has the largest possible section. To optimize the tangential speed or swirl speed at low rpm, with low piston speeds it is necessary to close or partialize the filling port with flaps or gate valves. These devices are expensive and proved unreliable, especially when their movement is continuously controlled by the variation of the angular velocity of the motor. Also the use of chamfers on the valve seats allows to obtain swirl motions at low valve opening values. The real problem, in fact, is to obtain stable and energetic vortices at low speed with high loads. Under these conditions the relatively low combustion rate limits the fuel load.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata che segue di una configurazione esemplificativa ma non esclusiva di attuazione, con riferimento ai disegni annessi, dati a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: Further characteristics and advantages of the invention will become evident from the following detailed description of an exemplary but not exclusive embodiment configuration, with reference to the attached drawings, given purely by way of non-limiting example, in which:

• la figura 1 è una vista prospettica dia una prima forma di attuazione dei condotti valvole a chiocciola simmetrica per la generazione di vortici controrotanti; Figure 1 is a perspective view of a first embodiment of the symmetrical scroll valve ducts for the generation of counter-rotating vortices;

• la figura 2 è una vista prospettica di una seconda forma di attuazione dell’invenzione, in particolare di un monocilindrico con generatori di vortice esterni.; • Figure 2 is a perspective view of a second embodiment of the invention, in particular of a single cylinder with external vortex generators;

• la figura 3 illustra il flussaggio simulato della testa con generatori di swirl esterni. • figure 3 illustrates the simulated flushing of the head with external swirl generators.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DEL MODELLO DI UTILITÀ’ DETAILED DESCRIPTION OF THE UTILITY MODEL

Il concetto introdotto dalla presente invenzione è ottimizzato per rispondere a queste esigenze e vincoli. Ciò comporta un moto vorticoso (swirl) attorno ai singoli iniettori. Questo obiettivo può essere raggiunto attraverso la progettazione di particolari geometrie per i condotti di aspirazione, oppure ottenuto con un generatori di vortici esterni alla testata. Questi generatore di vortice sono caratterizzati da condotti valvole a chiocciola oppure mediante volute o spirali esterne. Pertanto la geometria dei condotti di aspirazione è ottimizzata per ottenere due vortici controrotanti. Questa soluzione consente di ridurre le perdite di attrito riducendo la quantità di energia necessaria per la generazione dei vortici stessi. La combustione dei getti dei singoli iniettori sarà ottimizzata con riduzione dei consumi e delle emissioni. Anche la velocità di combustione ne trarrà beneficio. Per facilitare un aumento di turbolenza a bassa velocità del pistone con questa configurazione è sufficiente dimensionare opportunamente il generatori di vortici. The concept introduced by the present invention is optimized to meet these needs and constraints. This results in a swirling motion around the individual injectors. This objective can be achieved through the design of particular geometries for the intake ducts, or obtained with a vortex generator external to the head. These vortex generators are characterized by spiral valve ducts or by external volutes or spirals. Therefore the geometry of the intake ducts is optimized to obtain two counter-rotating vortices. This solution allows to reduce friction losses by reducing the amount of energy necessary for the generation of the vortices themselves. The combustion of the jets of the individual injectors will be optimized with a reduction in consumption and emissions. Burning speed will also benefit. To facilitate an increase in turbulence at low speed of the piston with this configuration, it is sufficient to appropriately size the vortex generator.

Con riferimento ora alle figure dalla 1 alla 2, vengono illustrate due particolare forme di attuazione della presente invenzione, a titolo puramente esemplificativo. With reference now to figures 1 to 2, two particular embodiments of the present invention are illustrated, purely by way of example.

In figura 1 è visibile un sistema di generazione dei vortici mediante due condotti a chiocciola su due valvole di aspirazione, realizzato in materiale metallico, ad esempio preferibilmente ma non limitatamente, in ghisa, acciaio, alluminio, titanio, ecc. I due vortici generati si stabilizzano tra di loro riducendo le perdite di attrito, mediante fusione, preferibilmente ma non limitatamente. I due condotti di aspirazione motore hanno la classica forma a chiocciola. La sezione di ingresso, in questo caso quadrata per incrementare le vorticosità, viene ruotata intorno all'asse del condotto e viene trasformata in circolare in prossimità dell'uscita nel cilindro. Questa geometria del condotto forma un vortice di "swirl" necessario alla combustione. I due condotti gemellati e simmetrici rispetto ad un piano passante per l'asse del cilindro, generano due vortici simmetrici controrotanti che, grazie alla tangenza dei vettori velocità nel cilindro, si stabilizzano reciprocamente, riuscendo a giungere minimamente smorzati fino all'iniezione del carburante, che avviene tramite due iniettori posizionati al centro dei rispettivi vortici. Il risultato è una combustione estremamente efficiente e rapida del combustibile man mano che viene immesso. In figura 2 è schematizzata una seconda forma di attuazione della presente invenzione mediante un monocilindro con una testa 5 ed un cilindro 6. In questa particolare configurazione dei collettori 2 e 4 sono collegati a due valvole di aspirazione. La disposizione dei generatori di vortice è esemplificativa. Il senso di rotazione dei vortici è ottenuto mediante il posizionamento della bocca delle volute, mentre l'intensità del vortice dipende dalla geometria e dalle dimensioni della voluta stessa. Il coefficiente di riempimento può essere modificato variando la geometria del generatore di vortice. In questo caso i condotti valvole sono disegnati unicamente per il massimo riempimento. E' possibile modificare dinamicamente durante il funzionamento del motore l'intensità del vortice mediante dispositivi simili a quelli già in uso nelle turbine centripete a geometria variabile. E' possibile realizzare volute a geometria variabile per ottimizzare il vortice e la portata ai vari regimi di rotazione e ai diversi carichi. Figure 1 shows a vortex generation system by means of two spiral ducts on two intake valves, made of metallic material, for example preferably but not limitedly, of cast iron, steel, aluminum, titanium, etc. The two vortices generated stabilize each other by reducing friction losses, by means of fusion, preferably but not limitedly. The two engine intake ducts have the classic spiral shape. The inlet section, in this case square to increase the vorticity, is rotated around the axis of the duct and is transformed into a circular one near the outlet in the cylinder. This geometry of the duct forms a vortex of "swirl" necessary for combustion. The two twin ducts and symmetrical with respect to a plane passing through the cylinder axis, generate two counter-rotating symmetrical vortices which, thanks to the tangency of the velocity vectors in the cylinder, stabilize each other, managing to arrive minimally damped up to the injection of the fuel, which takes place through two injectors positioned at the center of the respective vortices. The result is extremely efficient and rapid combustion of the fuel as it is fed. Figure 2 schematically illustrates a second embodiment of the present invention by means of a single cylinder with a head 5 and a cylinder 6. In this particular configuration, the manifolds 2 and 4 are connected to two intake valves. The arrangement of the vortex generators is exemplary. The direction of rotation of the vortices is obtained by positioning the mouth of the volutes, while the intensity of the vortex depends on the geometry and dimensions of the volute itself. The fill coefficient can be changed by varying the geometry of the vortex generator. In this case the valve ducts are designed for maximum filling only. It is possible to dynamically change the intensity of the vortex during engine operation by means of devices similar to those already in use in variable geometry centripetal turbines. It is possible to create volutes with variable geometry to optimize the vortex and the flow rate at the various rotation speeds and at different loads.

Claims (8)

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per ottimizzare la combustione di un motore alternativo sovralimentato o aspirato a doppio iniettore mediante due correnti d'aria caratterizzata da due vortici (swirl) controrotanti. Questo permette una combustione estremamente efficiente con potenze superiori del 30% ed emissioni inquinanti inferiori soprattutto in termini di polveri sottili (-20%) e CO (-10%). CLAIMS 1. Device for optimizing the combustion of a supercharged or aspirated double injector reciprocating engine by means of two air streams characterized by two counter-rotating swirls. This allows extremely efficient combustion with 30% higher powers and lower polluting emissions especially in terms of fine dust (-20%) and CO (-10%). 2 Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la regolazione del vortice è dovuta principalmente alla geometria dei condotti di aspirazione.. 2 Device according to claim 1, characterized in that the vortex adjustment is mainly due to the geometry of the intake ducts. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il posizionamento dei vortici nella camera di combustione ottimizza la combustione del carburante iniettato sono centrati sugli iniettori. 3. Device according to claim 2, characterized in that the positioning of the vortices in the combustion chamber optimizes the combustion of the injected fuel and are centered on the injectors. 4. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 e 3, caratterizzato dal fatto che detto effetto può essere ottenuto mediante condotti valvola a chiocciola oppure tramite generatori di vortici esterni. 4. Device according to claims 1 and 3, characterized in that said effect can be obtained by means of scroll valve ducts or by means of external vortex generators. 5 Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 4 , caratterizzato dal fatto che i due vortici controrotanti riducono l'attrito interno.. 5 Device according to claims 1 to 4, characterized in that the two counter-rotating vortices reduce internal friction. 6. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 5, caratterizzato dal fatto che la durata dei vortici all'intemo della camera di combustione è maggiore rispetto al vortice singolo, in quanto la tangenza dei vettori velocità nel piano di simmetria del cilindro consente un reciproco scambio di energia favorevole al mantenimento dei vortici. 6. Device according to claims 1 to 5, characterized in that the duration of the vortices inside the combustion chamber is greater than the single vortex, since the tangency of the velocity vectors in the plane of symmetry of the cylinder allows a reciprocal exchange of energy favorable to the maintenance of vortices. 7. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che refficienza volumetrica del motore è migliorata dalla presenza di due vortici controrotanti perchè il vortice genera una depressione nel cilindro che aspira l'aria in ingresso. 7. Device according to claims 1 to 6, characterized in that the volumetric efficiency of the engine is improved by the presence of two counter-rotating vortices because the vortex generates a vacuum in the cylinder which sucks in the incoming air. 8. Dispositivo secondo le rivendicazioni da 1 a 7, in grado di ottenere maggiore coppia a tutti i regimi introducendo nelle chiocciole o nelle volute dispositivi a geometria variabile . del vortice non dipendono dalla geometria del motore.8. Device according to claims 1 to 7, capable of obtaining greater torque at all speeds by introducing variable geometry devices into the nuts or desired ones. of the vortex do not depend on the geometry of the engine.