IT201600103652A1 - Motore a combustione interna - Google Patents

Description

MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA

DESCRIZIONE

La presente invenzione ha per oggetto un motore a combustione interna, del tipo comprendente almeno una coppia di cilindri.

Nell'ambito del settore di riferimento sono state sviluppate numerose soluzioni per recuperare o comunque sfruttare l'energia residua associata ai gas di scarico derivanti dalla combustione del combustione.

Un esempio di queste soluzioni è descritto nella domanda di brevetto WO 2015/036259, relativa ad un metodo per il funzionamento di un motore a combustione interna, in cui, durante una prima parte della corsa della fase scarico di un cilindro, l'impulso dell'onda di pressione del gas di scarico che fluisce dal cilindro è totalmente o parzialmente trasmessa al lato primario di una pompa a membrana, per poi essere inviata al dispositivo di scarico in una seconda parte della corsa della fase di scarico.

Il movimento della membrava viene quindi sfruttato per esercitare un lavoro di compressione sulla portata d'aria che viene fornita al sistema di alimentazione del motore, in maniera tale che la miscela aria combustibile venga immessa pre-compressa all'interno della camera di combustione.

In tale sistema, il movimento ciclico della pompa viene ottenuto con l'ausilio di un elemento elastico, ad esempio una molla elicoidale o a lamella, che richiama la membrana nella posizione di partenza successivamente allo spostamento generato dall'onda di pressione fornita dai gas di scarico.

È però evidente che in tale configurazione una parte dell'energia fornita dai gas di scarico è spesa nel lavoro di deformazione della molla e ciò, per ovvie ragioni, penalizza il massimo recupero di energia disponibile.

In aggiunta, la presenza della molla impone delle limitazioni nella corsa della membrana, a meno di adottare soluzioni costruttivamente molto complesse.

Il problema tecnico alla base del presente trovato è quindi quello di mettere a disposizione un motore a combustione interna concepito per ovviare a tutti gli inconvenienti lamentati con riferimento alla tecnica nota citata.

Questo problema è risolto mediante il motore a combustione interna secondo la rivendicazione 1.

Caratteristiche preferite dell’invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti. Il trovato secondo la presente invenzione permette di ottenere un elevato recupero energetico, limitando le perdite di carico legate, in particolare, alla deformazione di molle o altri elementi elastici richiesti per il ritorno della membrana.

Le caratteristiche ed ulteriori vantaggi del trovato meglio risulteranno dalla descrizione dettagliata che segue di un suo esempio preferito ma non esclusivo di realizzazione illustrato, a titolo indicativo e non limitativo, con riferimento agli uniti disegni in cui:

- la figura 1 è una illustrazione schematica di un motore a combustione interna secondo la presente invenzione;

- la figura 2 è una vista laterale di un dispositivo compressore, particolare del motore a combustione interna di figura 1.

Con riferimento inizialmente alla figura 1, è rappresentato un motore a combustione interna nei suoi elementi più essenziali ed indicato nel suo complesso con il numero di riferimento 100.

La presente invenzione trova applicazione in motori a combustione interna 100 comprendi almeno una coppia di cilindri 11, 12, o in altre parole, motori con numero di cilindri pari.

All'interno di ciascuno dei cilindri quali è rappresentato schematicamente un pistone 111, 121, associato al rispettivo pistone in maniera in sé nota.

Secondo una forma di realizzazione preferita, i pistoni sono collegati ad un albero a gomiti 3 comune, la cui rotazione genera lo scorrimento dei pistoni 111, 121, all'interno dei cilindri 11, 12 con una predeterminata differenza di fase.

In una forma di realizzazione, la differenza di fase è pari a circa 360°, per motivi che saranno maggiormente chiariti a seguire. A livello generale, deve essere osservato che la presente invenzione è preferibilmente applicabile a motori endotermici a pistoni, multipli di due in configurazione sostanzialmente simmetrica negli scoppi.

Preferibilmente, ciascun cilindro è connesso ad un rispettivo dispositivo di scarico 51, 52 per l'espulsione di un residuo di combustione gassoso dal cilindro ed un dispositivo di aspirazione 41, 42 per l'immissione al suo interno della miscela aria-combustibile. In una variante di realizzazione, non illustrata in figura, i dispositivi di aspirazione possono confluire in una camera comune, in maniera tale che l’aria venga accumulata in tale camera comune per poi essere diretta verso il rispettivo cilindro in funzione della fase operativa dello stesso. Tale soluzione può essere vantaggiosa in particolare nel caso in cui si abbiano sfasamenti dei cilindri differenti rispetto a 360°.

Il dispositivo di scarico è preferibilmente formato da una serie di condotti che comprendono un condotto di scarico 512, 522, che consentono la fuoriuscita dei residui di combustione in atmosfera o più in generale all'esterno del motore 100, ed un condotto ausiliario 511, 521, connesso al condotto di scarico, ed attraverso il quale viene trasmessa un impulso associato ad un'onda di pressione generata dal residuo di combustione di ciascun pistone ad un rispettivo dispositivo compressore 61, 62.

Il dispositivo compressore 61, 62, che sarà illustrato in maggiore dettaglio a seguire, ha la funzione di trasformare l'energia fornita tramite l'impulso generato dall’onda di pressione in un lavoro di compressione di un portata d'aria o di una fluido operativo, preferibilmente gassoso.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il dispositivo di aspirazione 41, 42 consente l'immissione di una miscela aria-combustibile all'interno del cilindro. In una forma di realizzazione, la portata d'aria compressa dal dispositivo compressore viene fornita al dispositivo di aspirazione 41, 42. Deve comunque essere osservato che il fluido compresso dal dispositivo compressore potrà essere destinato anche ad altri utilizzi, come ad esempio riserva di aria compressa o per l'azionamento di una turbomacchina. Con riferimento ora anche alla figura 2, secondo una forma di realizzazione preferita, ciascun dispositivo compressore comprende un involucro 610, 620, all'interno del quale è mobile un corpo mobile 611, 621 azionato tramite il residuo di combustione gassoso per esercitare un lavoro di compressione sul fluido operativo.

In una forma di realizzazione, l'involucro 610, 620 è realizzato tramite due semigusci, uniti per mezzo di un elemento di tenuta che si estende attorno al loro perimetro.

Preferibilmente, il corpo mobile 611, 621 comprende una membrana che oscilla tra due posizioni limite. La membrana è pertanto deformabile tramite l'impulso dell’onda di pressione generato dal residuo di combustione gassoso che viene immesso nella dispositivo di scarico 51, 52.

Più generale l'onda di pressione consente di ottenere uno spostamento del corpo mobile all'interno del dispositivo compressore.

Il movimento della membrana o, più in generale del corpo mobile, definisce un'asse di lavoro X. In una forma di realizzazione, illustrata in figura 2, il corpo mobile 611 del primo dispositivo compressore 61 e il corpo mobile 621 del secondo dispositivo compressore 62 sono mobili lungo il medesimo asse di lavoro X.

Sempre con riferimento alla figura 1, in una forma di realizzazione preferita, i dispositivi di pompaggio 61, 62 comprendono una camera primaria 612, 622 connessa al dispositivo di scarico 51, 52 dal quale riceve un impulso di pressione per lo spostamento di detto corpo mobile 611, 621.

Preferibilmente, i dispositivi di pompaggio 61, 62 comprendono anche una camera secondaria 613, 623 all'interno della quale viene eseguito un lavoro di compressione sul fluido operativo, determinato dallo spostamento del corpo mobile 611, 621.

Come si può osservare dalle figure, in una forma di realizzazione preferita, le camere sono tra loro separate dalla membrana o, più in generale, dal corpo mobile 611, 621.

Pertanto, secondo quanto illustrato in precedenza, l'onda di pressione generata dai residui di combustione gassosi consente di ottenere lo spostamento del corpo mobile all'interno dell'involucro, aumentando il volume della camera primaria e diminuendo conseguentemente quello della camera secondaria.

In questo modo, il fluido immesso nella camera primaria è soggetto ad espansione, mentre quello nella camera secondaria è soggetto a compressione.

A tale scopo la camera primaria è preferibilmente provvista di una apertura principale 614, 624 per ricevere l’impulso di pressione. Per quanto riguarda invece la camera secondaria 613, 623, questa è preferibilmente provvista di un ingresso 615, 625 e di un'uscita 616, 626 per il fluido operativo.

In una forma di realizzazione, gli ingressi 615, 625 e le uscite 616, 626 sono richiudibili per mezzo di una rispettiva lamella flessibile 8. La flessione delle lamelle 8, comandante l'apertura e la chiusura di ingressi e uscite, avviene quindi in maniera automatica a seguito della variazione di pressione all'interno della camera secondaria. Tale soluzione si rivela costruttivamente particolarmente semplice e robusta.

In alternativa a tale soluzione, possono essere adottate altre soluzioni per la regolazione dei flussi del fluido operativo.

In una prima variante, la regolazione del flusso ha luogo tramite almeno una valvola rotante a disco del tipo utilizzata nei motori a due tempi motociclistici, il cui moto sia in fase con il funzionamento del motore cui viene applicato per via meccanica o elettromeccanica. A fronte di una maggiore complessità, si beneficia di una minore perdita di carico dei flussi e della possibilità di determinare le aperture ottimali.

Un'ulteriore variante è rappresentata da almeno un otturatore rotante di forma sostanzialmente cilindrica in cui il flusso passa al suo interno, il cui moto sia in fase con il funzionamento del motore cui viene applicato per via meccanica o elettromeccanica. A fronte di una maggiore complessità, si beneficia di una minore perdita di carico dei flussi e della possibilità di determinare le aperture ottimali.

Altra alternativa è rappresentata da una valvola a saracinesca con moto alternato, e che sia in fase con il funzionamento del motore cui viene applicato, per via meccanica, elettromeccanica. Anche in questo caso, a fronte di una maggiore complessità, si beneficia di una minore perdita di carico dei flussi e della possibilità di determinare le aperture ottimali.

È comunque evidente che le suddette alternative sono fornite meramente a titolo esemplificativo e potranno essere adottate anche ulteriori varianti.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il corpo mobile 611 del primo dispositivo compressore 61 è connesso al corpo mobile 621 del secondo dispositivo compressore 62 tramite un elemento di collegamento 7.

Come illustrato schematicamente in figura 1, l'elemento di connessione 7 permette di associare il movimento del corpo mobile 611 del primo dispositivo compressore 61 a quello del corpo 621 del secondo dispositivo compressore 62.

Preferibilmente, il movimento del corpo mobile 611 del primo dispositivo compressore 61 determina un movimento opposto del corpo 621 del secondo dispositivo compressore 62.

In altre parole, per mezzo dell'elemento di connessione 7 tra i corpi mobili, un movimento del corpo mobile 611 del primo dispositivo compressore 61 dalla prima camera 612 verso la seconda camera 613 produce un movimento del corpo mobile 611 del secondo dispositivo compressore 62 dalla seconda camera 623 verso la prima camera 622.

Si noti che, nella presente forma di realizzazione, in cui i dispositivi di compressione sono coassiali, come illustrato in precedenza, l'elemento di connessione 7 può comprendere un'asta 70 che si sviluppa parallelamente all'asse di lavoro X.

Come illustrato in figura 1, preferibilmente l'asta 70 è passante attraverso un semiguscio dei dispositivi compressori – o più in generale attraverso l'involucro – permettendo uno scorrimento a tenuta lungo l'asse X.

In base alla configurazione suddetta, ma più in generale in base al trovato della presente invenzione, quando si apre la valvola di scarico del primo pistone 11, il residuo di combustione gassoso, ovverosia i gas di scarico, producono un'onda di pressione. L'onda di pressione così generata agisce sulla membrana del primo dispositivo compressore 61, deformandola. È evidente che, più in generale, l'onda di pressione causerà uno spostamento del corpo mobile all'interno del dispositivo compressore, che produrrà un aumento del volume della camera primaria ed una riduzione del volume nella camera secondaria.

Al contempo, la membrana del secondo dispositivo compressore viene deformata tramite l'azione dell'elemento di connessione 7, producendo una riduzione del volume della camera primaria ed un aumento del volume nella camera secondaria.

Tale movimento è illustrato tramite una freccia in figura 1.

A seguito di tale movimento il fluido operativo presente nella camera secondaria 613 del primo dispositivo compressore 61 viene inizialmente compresso e, al raggiungimento di una pressione sufficiente ad ottenere la deformazione della lamella di chiusura dell'uscita 616, espulso dal dispositivo compressore. Al contempo, il fluido operativo viene richiamato all'interno della camera secondaria 623 del secondo dispositivo compressore 62.

Successivamente, quando il secondo pistone 12 raggiunge la fase di scarico, si crea un'onda di pressione che genera un impulso che agisce invece sulla membrana del secondo dispositivo compressore 62, ottenendo quindi un movimento ed un lavoro sul fluido operativo opposto a quello precedentemente descritto.

Alla luce della spiegazione suddetta, è quindi evidente che il motore a combustione interna della presente invenzione trova applicazione preferita nel caso in cui i cilindri presentano uno sfasamento sostanzialmente pari a 360°, in maniera tale ottenere un'alternanza perfetta tra le fasi operative dei due dispositivi compressori. Potranno comunque essere previste piccole differenze di fase, talvolta adottate per motivi di ottimizzazione, nei due cilindri.

Si noti anche che se la presente invenzione viene applicata ad un motore quattro cilindri, i relativi dispositivi di scarico possono essere a due a due accoppiati, ottenendo una frequenza di funzionamento doppia.

In una forma di realizzazione alternativa, illustrata in figura 3, il corpo mobile 611 del primo dispositivo compressore 61 e il corpo mobile 621 del secondo dispositivo compressore 62 sono mobili lungo rispettivi assi di lavoro X1, X2 tra loro paralleli.

In tale forma di realizzazione, l'elemento di connessione 7 comprende un bilanciere 70' incernierato in una posizione intermedia tra gli assi di lavoro X1, X2 suddetti.

È comunque evidente che le forme di realizzazione sopra descritte dell'elemento di connessione sono fornite unicamente a scopo esemplificativo e potranno essere previste anche ulteriore soluzioni nella realizzazione della presente invenzione.

Il trovato risolve così il problema proposto, conseguendo al contempo una pluralità di vantaggi. In particolare, il vantaggio principale risiede nel migliore sfruttamento dell’energia dei gas dello scarico, la cui spinta non deve vincere la resistenza della molla di richiamo ed è pertanto interamente dedicata – al netto degli attriti dei cinematismi e dell’isteresi della membrana – al pompaggio dell’aria di aspirazione mossa dalla membrana simmetricamente connessa.

Un secondo vantaggio è la riduzione del limite della corsa della membrana, imposta in altre soluzioni note dalla flessibilità della molla a balestra.

Un terzo vantaggio dato dall’eliminazione della molla è l’indipendenza del comportamento rispetto al regime motore, mentre nelle soluzioni con molla, questa ha un’accordatura intrinseca variabile, legata alla sua frequenza propria.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore a combustione interna (100) comprendente almeno una coppia di cilindri (11, 12), all'interno di ciascuno dei quali è scorrevolmente associato un rispettivo pistone (111, 121), detti pistoni essendo collegati ad un albero a gomiti (3) in maniera tale da scorrere all'interno di detti cilindri (1, 2) con una predeterminata differenza di fase, ciascun cilindro di detta coppia essendo connesso ad un rispettivo dispositivo di scarico (51, 52) per l'espulsione di un residuo di combustione gassoso dal cilindro, caratterizzato dal fatto che ciascun dispositivo di scarico (51, 52) è associato ad un rispettivo dispositivo compressore (61, 62), ciascuno comprendente un corpo mobile (611, 621) azionato tramite il residuo di combustione gassoso per esercitare un lavoro di compressione su un fluido operativo, il corpo mobile (611) del primo dispositivo compressore (61) essendo connesso al corpo mobile (621) del secondo dispositivo compressore (62) tramite un elemento di collegamento (7) tale per cui il movimento del corpo mobile (611) del primo dispositivo compressore (61) determina un movimento opposto del corpo (621) del secondo dispositivo compressore (62).
2. 2. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1, in cui detto fluido operativo comprende una portata d'aria, ciascun cilindro di detta coppia è connesso ad un rispettivo dispositivo di aspirazione (41, 42) per l'immissione di una miscela aria-combustibile, formata da detta portata d'aria e da combustibile in forma gassosa, all'interno del cilindro.
3. 3. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il corpo mobile (611, 621) di detti dispositivi di pompaggio (61, 62) comprende una membrana deformabile tramite un impulso di pressione generata da detto residuo di combustione gassoso.
4. 4. Motore a combustione interna (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detta predeterminata differenza di fase è sostanzialmente pari a 360°.
5. 5. Motore a combustione interna (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detti dispositivi di pompaggio (61, 62) comprendono una camera primaria (612, 622) connessa al dispositivo di scarico (51, 52) dal quale riceve un impulso di pressione per lo spostamento di detto corpo mobile (611, 621) ed una camera secondaria (613, 623) all'interno della quale viene eseguito un lavoro di compressione su detto fluido operativo determinato dallo spostamento di detto corpo mobile (611, 621).
6. 6. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 5, in cui detta camera primaria è provvista di una apertura principale (614, 624) per l’immissione di un impulso generato da un’onda di pressione formata da detto residuo di combustione gassoso e detta camera secondaria (613, 623) è provvista di un ingresso (615, 625) e di un'uscita (616, 626) per detto fluido operativo.
7. 7. Motore a combustione interna (100) secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui il corpo mobile (611) del primo dispositivo compressore (61) è connesso al corpo mobile (621) del secondo dispositivo compressore (62) in maniera tale che un movimento del corpo mobile (611) del primo dispositivo compressore (61) dalla prima camera (612) verso la seconda camera (613) produca un movimento del corpo mobile (611) del secondo dispositivo compressore (62) dalla seconda camera (623) verso la prima camera (622).
8. 8. Motore a combustione interna (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto lato primario e detto lato secondario sono definiti all'interno di un involucro (610, 620) del dispositivo compressore (61, 62) e sono tra loro separati da detto corpo mobile (611, 621), detto corpo mobile (611, 621) essendo mobile all'interno di detto involucro (610, 620).
9. 9. Motore a combustione interna (100) secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui il corpo mobile (611) del primo dispositivo compressore (61) e il corpo mobile (621) del secondo dispositivo compressore (62) sono mobili lungo un medesimo asse di lavoro (X), detto elemento di connessione (7) comprendendo un'asta (70) che si sviluppa parallelamente a detto asse di lavoro.
10. 10. Motore a combustione interna (100) secondo una delle rivendicazioni da 1 ad 8, in cui il corpo mobile (611) del primo dispositivo compressore (61) e il corpo mobile (621) del secondo dispositivo compressore (62) sono mobili lungo rispettivi assi di lavoro (X1, X2) tra loro paralleli, detto elemento di connessione (7) comprendendo un bilanciere (70') incernierato in una posizione intermedia tra detti assi di lavoro (X1, X2).