IT201800007497A1 - Gruppo-pompa di ricircolo di un fluido di raffreddamento di un motore termico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

“GRUPPO-POMPA DI RICIRCOLO DI UN FLUIDO DI RAFFREDDAMENTO DI UN MOTORE TERMICO”

Campo di applicazione dell’invenzione

Forma oggetto della presente invenzione una pompa di ricircolo del fluido di raffreddamento di un motore termico, particolarmente di veicoli, con dispositivo di comando a frizione, con azionamento elettromagnetico, pneumatico, idraulico e motore elettrico integrati nel corpo della pompa.

Stato della tecnica

E’ nota, nel settore della produzione dei motori termici, la necessità di raffreddare gli stessi tramite ricircolazione di un fluido di raffreddamento, mosso tramite una corrispondente pompa di ricircolo la cui girante è posta in rotazione da un albero azionato da una puleggia e da una cinghia collegata all’albero motore dello stesso motore termico.

E’ anche noto che il ricircolo del fluido di raffreddamento deve essere effettuato con portata corrispondente alla effettiva necessità di raffreddamento, determinata dalle reali condizioni di utilizzo del motore e dalla temperatura esterna, al fine di evitare di mantenere costantemente e inutilmente in rotazione a pieno regime dispositivi che assorbono potenza utile, aumentando l’usura delle varie parti dei componenti ed i consumi del veicolo.

E’ anche noto che per dare soluzione a tale problema sono stati proposti dispositivi di comando dell’albero della girante della pompa la cui rotazione dipende dall’innesto di una frizione ad attrito per la trasmissione di un moto di rotazione dipendente dai giri dell’albero motore, e da un motore elettrico che interviene invece a frizione disinnestata per una rotazione a giri controllati indipendente dall’albero motore.

Pertanto, è noto che il controllo dell’azionamento della pompa da parte del motore elettrico permette una maggiore versatilità in risposta alle diverse esigenze di raffreddamento, mentre l’azionamento tramite la frizione, con presa di moto dall’albero del motore termico, dipende dal numero di rotazioni, rpm, del motore stesso, non potendo pertanto fornire un opportuno raffreddamento, ad esempio, a seguito dello spegnimento del motore o in condizioni di bassi regimi di giri del motore.

Esempi di tali dispositivi sono ad esempio noti da WO 2012/142065.

Per come concepiti tali dispositivi sono configurati per collegare all’albero della pompa di circolazione o la puleggia guidata in rotazione dall’albero motore, oppure il motore elettrico integrato nella pompa, per il tramite di un frizione, generalmente ad azionamento magnetico.

Generalmente sullo stesso giro cinghia oppure su giri cinghia differenti sono collegati anche altri utilizzatori quali la pompa dell’idroguida, il compressore dell’impianto di condizionamento e l’alternatore che consente di ricaricare le batterie veicolari necessarie all’avviamento del motore termico.

L’alternatore, negli ultimi tempi è stato oggetto di miglioramenti.

BRM è l’acronimo anglosassone di “Boost recuperation machines” (macchine di recupero di energia), noto anche come “Boost recuperation system” (sistema di recupero di energia) (come definito da Bosch Inc). Secondo il concetto di BRM una macchina elettrica con componenti elettronici di potenza integrati di recente sviluppo sostituisce l'avviatore del motore/alternatore convenzionale. Talvolta, la BRM si caratterizza per un’architettura a doppia tensione con 48 V a fianco del convenzionale sistema elettrico del veicolo a 12 o 24 V a bassa tensione. Questa architettura di sistema ha consentito di realizzare veicoli denominati “light hybrid” in quanto, il motore elettrico è almeno in grado di mantenere attivi i servizi di bordo quando il veicolo è in discesa ed il motore termico è spento, realizzando emissioni zero ed è in grado di realizzare frenate rigenerative, in cui cioè l’energia cinetica del veicolo è convertita in energia elettrica, immagazzinata in apposite batterie.

La BRM è sempre collegata all’albero motore mediante una cinghia.

Si ritiene che la situazione attuale sia migliorabile. Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo è da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.

Sommario dell’invenzione

Scopo della presente invenzione è quello di migliorare la situazione attuale introducendo un gruppo-pompa che consente di implementare funzionalità ulteriori rispetto al raffreddamento del motore termico a cui il gruppo-pompa è associato.

L’idea di base della presente invenzione è quella di implementare un gruppo-pompa dotato di una pompa idraulica, una puleggia ed un motore elettrico, atti ad essere interconnessi per realizzare una prima configurazione operativa in cui il motore elettrico è operativamente collegato alla pompa (o al relativo albero) mentre la puleggia è disconnessa dalla pompa, ed il motore elettrico controlla la refrigerazione del motore termico indipendentemente da una relativa velocità di rotazione dell’albero motore, ed in una seconda condizione operativa la puleggia, la pompa ed il motore elettrico sono operativamente collegati tra loro in modo che il motore elettrico genera energia elettrica assorbendo energia meccanica dalla cinghia oppure in modo che il motore elettrico supplementa il motore termico, fornendo energia meccanica alla cinghia.

Il motore elettrico è collegato all’albero della pompa mediante un ruotismo epicicloidale configurato per operare una riduzione almeno di 3:1 tra il motore elettrico e l’albero della pompa.

Vantaggiosamente, durante la generazione di energia elettrica, il motore elettrico è spinto ad una velocità di rotazione tre volte maggiore rispetto alla velocità di rotazione della pompa. Questo fatto consente di portare il motore elettrico a lavorare in una condizione di efficienza più favorevole.

Per consentire la connessione della puleggia con la pompa è prevista un primo innesto elettromagnetico.

Preferibilmente, il gruppo pompa oggetto della presente invenzione comprende un secondo innesto elettromagnetico atto a portare in folle il solare o il planetario del ruotismo epicicloidale, disconnettendo operativamente il rotore del motore elettrico dalla pompa.

Preferibilmente, il rotore del motore elettrico è configurato in forma di manicotto, calzato coassialmente sull’albero della pompa, senza contatto, e definisce il pignone/solare del ruotismo epicicloidale. La gabbia porta satelliti del ruotismo epicicloidale è di pezzo con l’albero della pompa supporta i satelliti che ingranano sul solare internamente e sul planetario esternamente. La seconda frizione rende solidale o folle, in relazione alla sua condizione rispettivamente di innesto o disinnesto, il planetario con un punto fisso del gruppo pompa.

Vantaggiosamente, quando il secondo innesto elettromagnetico è disinnestato, il planetario risulta in folle e pertanto esso, assieme ai satelliti formano una massa rotante, mentre il rotore del motore elettrico risulta disconnesso.

Quando il veicolo procede in discesa, gli innesti possono essere controllati in modo che la refrigerazione del motore a combustione interna è assicurata dal gruppo pompa oggetto della presente invenzione, mentre il motore termico è spento e disconnesso dalla trasmissione.

Quando il veicolo è in frenata rigenerativa, il motore a combustione interna è collegato alla trasmissione ed il motore elettrico del gruppo pompa oggetto della presente invenzione è collegato operativamente alla puleggia, pertanto l’energia cinetica del veicolo, trasmessa al motore a combustione interna è convertita in energia elettrica dal motore elettrico del gruppo pompa.

Le rivendicazioni descrivono varianti preferite dell’invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.

Breve descrizione delle figure

Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui, nella figura 1 è mostrato schematicamente un gruppo pompa oggetto della presente invenzione.

Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti.

Nell’ambito della presente descrizione il termine “secondo” componente non implica la presenza di un “primo” componente. Tali termini sono infatti adoperati come etichette per migliorare la chiarezza e non vanno intesi in modo limitativo.

Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall’ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.

Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione

Con riferimento alla figura 1, il gruppo pompa GP comprende un corpo pompa CT definito da un carter in cui si individuano due camere reciprocamente separate CH1 e CH2.

Nella prima camera CH1 è alloggiata la girante della pompa PW, mentre nella seconda camera CH2 è alloggiato un motore elettrico EM comprendente uno statore S ed un rotore R.

Nella seconda camera è anche presente un ruotismo epicicloidale EPC, preferibilmente ad assi paralleli, che consente al rotore R del motore elettrico EM di interagire con l’albero SH della pompa mediante un predeterminato rapporto di trasmissione che preferibilmente è 3:1.

Si dice che il ruotismo EPC è ad assi paralleli in quanto l’asse di rotazione Y del satellite è parallelo all’asse X della pompa.

L’albero della pompa SH è in un unico pezzo con la girante PW della pompa e la gabbia CR porta satelliti ST.

Il motore elettrico può essere a flusso radiale come quello mostrato in figura 1, ed il relativo rotore R definisce un pignone a denti radiali che funge da solare per il ruotismo epicicloidale EPC. Un planetario RG è disposto coassialmente con il solare ed uno o più satelliti ST ingranano contestualmente sul solare e sul planetario. Un secondo innesto C2, preferibilmente elettromagnetico, è atto a rendere fisso il planetario con il carter CT del gruppo pompa.

Quando il planetario è bloccato il pignone e l’albero della pompa sono interconnessi attraverso il suddetto ruotismo epicicloidale EPC.

Benché la soluzione di figura 1 risulta essere la preferita, si può prevedere anche una configurazione con motore elettrico a flusso assiale, il cui rotore è preferibilmente munito di denti frontali ed il ruotismo epicicloidale è ad assi perpendicolari, in quanto gli assi di rotazione dei satelliti Y risultano perpendicolari all’asse di rotazione del solare.

Ad ogni modo, il rotore del motore elettrico è cavo e configurato come un manicotto calettato sull’albero SH della pompa.

L’albero della pompa, su un primo estremo è di pezzo con la girante PW della stessa pompa e in un secondo estremo, opposto al primo supporta una puleggia PL, attraverso uno o più cuscinetti anulari PRB. La puleggia PL e l’albero della pompa possono essere connessi o disconnessi reciprocamente mediante un primo innesto C1, in relazione alle condizioni di utilizzo del gruppo pompa.

Preferibilmente, il secondo estremo dell’albero della pompa è di pezzo con un piattello PTL perpendicolare con l’albero SH. Un innesto elettromagnetico definisce detto primo innesto C1, rendendo la puleggia solidale o folle rispetto al suddetto piattello PTL.

La figura 1 mostra solo una porzione del gruppo pompa GP oggetto della presente invenzione. Benché il carter CT possa essere non simmetrico rispetto all’asse X individuato dall’albero SH, il ruotismo epicicloidale EPC, la pompa SH/PW, il motore elettrico EM e la puleggia sono disposti coassialmente e hanno simmetria di rotazione secondo detto asse X.

Dal momento che la prima camera CH1 della pompa è destinata a comunicare con il circuito di refrigerazione di un motore a combustione interna a cui il gruppo pompa è destinato, dell’acqua del circuito di refrigerazione può essere indirizzata, mediante opportuni canali WC ricavati nel carter a raffreddare il motore elettrico EM.

Vantaggiosamente, il motore elettrico può sopportare rilevanti flussi di energia, sia quando supplementa il motore a combustione interna e sia quando è in frenata rigenerativa, potendo essere raffreddato direttamente mediante il liquido di raffreddamento del motore a combustione interna. In contrasto, le BRM che sostituiscono il generatore elettrico del motore a combustione interna, sono raffreddati ad aria.

La presente invenzione si riferisce anche ad un veicolo terrestre sia di tipo stradale che fuoristradistico, dotato di un motore a combustione interna ed un gruppo pompa GP operativamente associato a detto motore a combustione interna.

Si definisce come “punto motore” un punto identificato da una coppia erogata e da una velocità di rotazione del motore a combustione interna.

Quando il punto motore è in predeterminate zone di funzionamento, per esempio la velocità è elevata ma la coppia erogata è bassa, il calore da dissipare è modesto, pertanto la pompa può essere guidata a velocità più modeste rispetto alla velocità di rotazione imposta dall’albero motore mediante la suddetta puleggia PL.

Pertanto, il primo innesto è disconnesso ed il secondo innesto è inserito mentre il motore elettrico EM guida in rotazione la pompa per realizzare una predeterminata portata di liquido refrigerante.

Analogamente, quando il motore a combustione interna è mantenuto a bassa velocità ma con alto carico, la velocità di rotazione della pompa può essere giudicata insufficiente a dissipare il calore sviluppato nel motore a combustione interna e pertanto, il primo innesto è aperto ed il secondo innesto è inserito in modo che il motore elettrico EM guida in rotazione la pompa per realizzare una predeterminata portata di liquido refrigerante.

Può anche accadere che, a causa dell’inerzia termica delle parti che compongono il motore, il repentino spegnimento dello stesso possa portare all’ebollizione l’acqua contenuta nella testata. Pertanto, a motore a combustione interna spento può essere utile avviare la pompa per ottenere una seppur minima circolazione di refrigerante. Quando il motore è freddo e si desidera ottenere un rapido riscaldamento, entrambi gli innesti possono essere aperti, ottenendo l’arresto della pompa. Questo fatto risulta particolarmente vantaggioso in quanto consente di eliminare la valvola termostatica dal circuito di refrigerazione del motore a combustione interna.

Quando il veicolo è in discesa ed il motore a combustione interna è collegato alla trasmissione, entrambi gli innesti possono comandati in chiusura ed il motore elettrico funziona da generatore, contribuendo a frenare il veicolo. Al contrario, quando il veicolo è in salita oppure parte a pieno carico, entrambi gli innesti possono essere chiusi ed il motore elettrico è controllato come un motore per supplementare il motore a combustione interna.

Il controllo degli innesti può essere realizzato dalla unità di elaborazione veicolare VHE che sovrintende alle condizioni operative del veicolo controllando ad esempio l’accensione e lo spegnimento del motore (Start&Stop) a combustione interna, ed in generale le funzionalità light ibride in sé note.

Secondo una ulteriore variante preferita dell’invenzione, una elettrovalvola (non mostrata) controlla la portata di liquido refrigerante all’interno dei suddetti canali WC di circolazione ricavati nel carter CT per raffreddare il motore elettrico EM.

In particolare, quando entrambi gli innesti sono in condizione di chiusura, superato un predeterminato flusso elettrico che attraversa il motore elettrico, l’elettrovalvola è controllata per incrementare il flusso di refrigerante all’interno dei suddetti canali WC.

La presente invenzione può essere vantaggiosamente realizzata tramite un programma per computer che comprende mezzi di codifica per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando questo programma è eseguito su di un computer. Pertanto si intende che l’ambito di protezione si estende a detto programma per computer ed inoltre a mezzi leggibili da computer che comprendono un messaggio registrato, detti mezzi leggibili da computer comprendendo mezzi di codifica di programma per la realizzazione di uno o più passi del metodo, quando detto programma è eseguito su di un computer.

Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni.

Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo è in grado di realizzare l’oggetto dell’invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo-pompa (GP) di ricircolo di un fluido di raffreddamento di un motore termico, comprendente: un corpo pompa (CT), una girante (PW) portata da un albero (SH) condotto, atto ad essere associato ad un circuito di raffreddamento del motore termico; una puleggia (PL) atta ad essere trascinata in rotazione dal motore termico, un primo innesto reversibile (C1) ad attrito, atto a collegare/scollegare detta puleggia con/da detto albero (SH) condotto, un motore elettrico (EM) associato a detto albero (SH) condotto, per guidare in rotazione la girante (PW), caratterizzato dal fatto di comprendere - un ruotismo epicicloidale (EPC) avente un ingresso (R) operativamente associato a detto motore elettrico (EM), una prima uscita (CR) associata a detto albero (SH) condotto ed una seconda uscita (RG) ed - un secondo innesto reversibile (C2) ad attrito, indipendente da detto primo innesto reversibile (C1) atto a bloccare detta seconda uscita rispetto a detto corpo pompa (CT).
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui detto ruotismo epicicloidale è ad assi paralleli (X, Y) e detto motore elettrico è a flusso radiale, oppure detto ruotismo epicicloidale è ad assi perpendicolari e detto motore elettrico è a flusso assiale.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui quando il ruotismo epicicloidale è ad assi paralleli, detto solare e detto planetario hanno denti radiali, mentre quando il ruotismo epicicoloidale è ad assi perpendicolari, detto solare e detto planetario hanno denti frontali.
4. 4. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni 1 - 3, in cui un rotore (R) di detto motore elettrico definisce un solare di detto ruotismo epicicloidale, detta seconda uscita è definita da un planetario (RG) di detto ruotismo epicicloidale e detta prima uscita consiste in una gabbia posta-satelliti (CR) di pezzo con detto albero (SH) condotto.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 4, in cui detto rotore (R) è concepito come un manicotto calettato, senza contatto, su detto albero (SH) condotto.
6. 6. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto corpo pompa comprende uno o più canali (WC) di circolazione di fluido di raffreddamento di detto motore termico disposti per raffreddare detto motore elettrico.
7. 7. Dispositivo secondo la rivendicazione 6, ulteriormente comprendente una elettrovalvola atta controllare un flusso di detto fluido di raffreddamento in detti uno o più canali di circolazione.
8. 8. Veicolo terrestre comprendente un motore termico dotato di un albero motore, un gruppo pompa (GP), secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, associato ad un relativo circuito di raffreddamento ed una cinghia che collega operativamente detto albero motore con detta puleggia (PL).
9. 9. Veicolo secondo la rivendicazione 8, dotato di mezzi di elaborazione configurati per controllare almeno detti primo e secondo innesto reversibile (C1, C2) per realizzare almeno - una terza condizione operativa, in cui entrambi detti innesti sono comandati in chiusura e detto motore elettrico è controllato per generare energia elettrica e/o - una quarta condizione operativa, in cui entrambi detti innesti sono comandati in chiusura e detto motore elettrico è controllato per supplementare detto motore termico.
10. 10. Veicolo secondo la rivendicazione 9, in cui detti mezzi di elaborazione sono configurati per controllare almeno detti primo e secondo innesto reversibile (C1, C2) per realizzare - una prima condizione operativa in cui entrambi detti innesti sono comandati in apertura, il motore termico è attivo e freddo e si realizza un rapido riscaldamento del motore termico; - una seconda condizione operativa in cui detto primo innesto è comandato in apertura e detto secondo innesto è comandato in chiusura e detto motore elettrico è attivo e controllato per fornire una predeterminata porta di fluido di raffreddamento a detto motore termico.
11. 11. Veicolo secondo la rivendicazione 9 o 10, in cui detti mezzi di elaborazione sono ulteriormente configurati per controllare detta elettrovalvola in modo da incrementare un flusso di fluido refrigerante attraverso detti uno o più canali di refrigerazione (WC) quando un flusso elettrico attraversante detto motore elettrico eccede una predeterminata soglia.