ITPZ20070007A1 - Sistema di valvole di aspirazione e di scarico a tubi rotanti longitudinali per motori a combustione interna a quattro tempi o compressori a pistone. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il sistema di valvole in oggetto del brevetto che da ora in poi indicheremo per brevità come sistema di valvole a tubi rotanti longitudinali è stato progettato per aumentare il rendimento di un motore a scoppio a quattro tempi, riducendo nel contempo le vibrazioni e le dimensioni della testata. Infatti, nei motori a scoppio a quattro tempi attuali, vengono utilizzate valvole di aspirazione e di scarico con movimenti alternati (sistemi con alberi a camme e molle di ritorno o ad aste e bilancieri o altri sistemi analoghi). Tali sistemi di valvole, pur essendo molto efficienti ed affidabili, soffrono di alcune limitazioni intrinseche, in quanto sono soggetti a vibrazioni e a perdite di energia non trascurabili. Inoltre comportano ingombri della testata che potrebbero essere ridotti.

Il sistema di valvole a tubi rotanti longitudinali viene qui descritto prendendo come riferimento un motore a quattro tempi a benzina con più cilindri disposti in linea (il sistema resta tuttavia valido anche per motori diesel). Questo sistema di valvole è inoltre applicabile a motori di qualsiasi cilindrata, per cui nella sua descrizione si adoperano qui solo dimensioni relative, quali multipli o sottomultipli frazionari del diametro dei cilindri del motore.

Si prende come riferimento un monoblocco di motore tale che due cilindri contigui siano distanziati di circa un terzo del diametro dei cilindri stessi (questa misura è indicativa e non vincolante per il principio di funzionamento del sistema in oggetto del brevetto). Per semplicità di descrizione si considera poi una configurazione del motore in cui le candele di accensione sono disposte al centro di ogni camera di combustione (è questa una configurazione base che non è vincolante ai fini del principio di funzionamento del sistema in oggetto del brevetto).

Con le premesse di cui sopra, il sistema di valvole a tubi rotanti longitudinali, è integrato in una testata alta non più di un diametro di cilindro, il cui schema rappresentativo, per un motore a 4 cilindri è mostrato in Tavola 1 e viene di seguito descritto in dettaglio.

La testata è forata in senso longitudinale da due tunnel a sezione circolare paralleli tra loro e paralleli al fondo della testata dove dono presenti le camere di combustione. I tunnel sono posti ai fianchi della linea che congiunge i centri delle candele. Il diametro dei tunnel è indicativamente pari a 1/3 l’altezza della testata (misura non strettamente vincolante).

Nei tunnel vengono inseriti due cilindretti cavi lunghi poco più della testata realizzati in lega leggera (o in materiale ceramico) a basso coefficiente di dilatazione termica, ricoperti sulla superficie esterna da uno strato di materiale antifrizione.

Tali cilindretti cavi (che chiameremo tubi rotanti ) hanno diametro leggermente inferiore al diametro dei tunnel in cui sono inseriti, di modo che essi siano molto aderenti alla testata e che, nel contempo, siano liberi di ruotare attorno al proprio asse. L’aderenza dei tubi rotanti alla testata assicura che i gas di aspirazione o di scarico non possano defluire attraverso le superfici di contatto tra testata e tubi rotanti (tenuta stagna). Per evitare il grippaggio dei tubi rotanti nella testata e per aumentare la tenuta stagna, i tubi rotanti sono continuamente lubrificati da una sottile patina di olio iniettabile in micro-canalizzazioni ricavabili sulle pareti dei tunnel.

I due tubi rotanti sono disposti all’interno della testata in modo che essi penetrino per 1/8 della loro circonferenza all’interno di ciascuna camera di combustione (vedi Tavola2 a) ). Sulla superficie esterna di ciascun tubo rotante sono praticate delle fenditure in senso longitudinale, in numero corrispondente al numero delle camere di combustione. Esse verranno dette fenditure longitudinali. Le fenditure longitudinali sono posizionate in modo da essere comprese all’interno di ciascuna camera di combustione e sono diversamente orientate sul profilo circolare dei tubi (vedi Tavola 2 a) e Tavola 3) ). Esse hanno lunghezza indicativamente pari a 2/3 del diametro dei cilindri (dimensione non strettamente vincolante) ed hanno larghezza pari esattamente ad 1/8 della circonferenza esterna dei tubi (configurazione per motore a scoppio). Sulla superficie esterna dei tubi rotanti sono altresì praticati dei fori lungo il profilo circolare nello spazio intercorrente tra due fenditure contigue e agli estremi dei tubi (vedi Tavola 2 b) e Tavola 3) ). Essi verranno detti fori trasversali. Lungo i due fianchi della testata infine, sono praticate delle incavature che chiameremo bocche laterali le quali bucano i fianchi stessi della testata e penetrano parzialmente nello spazio esistente tra due camere di combustione contigue ed agli estremi della testata, in modo da scoprire completamente, nel proprio volume cavo, i tubi rotanti all’altezza dei fori trasversali (vedi Tavola 2 b) ).

FUNZIONAMENTO

Uno dei due tubi rotanti (Tavola.3) svolge il compito delle valvole di aspirazione e verrà denominato tubo di rotante di aspirazione mentre l’altro tubo rotante svolge il compito delle valvole di scarico e verrà denominato tubo rotante di scarico. Mentre il motore gira, i due tubi vengono fatti ruotare in sincronismo a metà del numero di giri dell’albero motore. In tal modo, durante ogni fase del pistone, i tubi rotanti compiono 1⁄4 di giro poiché, per un motore a quattro tempi, ad ogni fase del pistone corrisponde mezzo giro dell’albero motore.

Per spiegare più agevolmente il principio di funzionamento dei tubi rotanti di aspirazione e di scarico, consideriamo un solo cilindro.

Durante la fase aspirazione del pistone, il tubo rotante di aspirazione è ruotato in modo tale che la fenditura longitudinale corrispondente viene a trovarsi orientata nella camera di combustione. In tal modo viene a crearsi un canale tra la camera di combustione e l’interno del tubo. L’aria (o miscela) viene prelevata dall’estemo attraverso le bocche laterali della testata e da queste passa all’ interno del tubo di aspirazione attraverso i fori trasversali. Infine l’aria viene convogliata nel cilindro che è in fase di aspirazione attraverso la fenditura longitudinale che si affaccia nella camera di combustione.

Quando il pistone si trova nel punto morto superiore (PMS), il tubo di rotante di aspirazione è ruotato in modo tale che la fenditura longitudinale sta per essere scoperta all’ interno della camera di combustione (valvola di aspirazione completamente chiusa ma in procinto di aprirsi). Mentre il pistone scende dal PMS, la fenditura longitudinale del tubo rotante di aspirazione viene scoperta gradualmente (valvola di aspirazione parzialmente aperta) sino a che, a metà corsa, la fenditura longitudinale risulta completamente scoperta (massima apertura sella valvola di aspirazione). Infine, quando il pistone scende al punto morto inferiore (PMI), la fenditura del tubo rotante di aspirazione toma ad essere completamente occultata (valvola di aspirazione completamente chiusa).

Poiché, come detto, i tubi rotanti compiono 1⁄4 di giro per ogni fase del pistone, si ha che durante le tre corse successive alla fase di aspirazione (compressione, espansione, scarico), la fenditura del tubo di aspirazione resta completamente occultata e quindi il canale di aspirazione resta chiuso, dal momento che superficie di contatto tra testata e tubi rotanti è a tenuta stagna.

Un discorso simmetrico vale per funzionamento del tubo rotante di scarico. Durante la fase di scarico il tubo rotante di scarico è ruotato in modo tale che la fenditura longitudinale corrispondente si affaccia nella camera di combustione, aprendo un canale tra la camera di combustione e l’intemo del tubo. In tal modo, i gas di scarico possono defluire all’intemo del tubo rotante di scarico e da questo essere espulsi all’esterno tramite i fori trasversali del tubo stesso presenti nelle cavità delle bocche laterali della testata.

Il canale di scarico resta completamente chiuso per tutte e tre le fasi del pistone successive allo scarico (aspirazione, compressione, espansione), dopo di che il ciclo ricomincia.

Nel caso di applicazione del sistema di valvole a tubi rotanti ai compressori a pistone, la configurazione del sistema e il principio di funzionamento restano gli stessi. Poiché però in tal caso esistono solo due fasi (aspirazione e scarico), a parità di altre condizioni, la larghezza delle fenditure dei tubi rotanti deve essere pari a 3/8 della circonferenza dei tubi stessi mentre la velocità di rotazione dei tubi deve essere uguale alla velocità del motore che mette in moto il compressore.

VANTAGGI

Il sistema di valvole a tubi rotanti longitudinali per l’aspirazione e per lo scarico, consente di aumentare il rendimento di un motore a scoppio a quattro tempi, di ridurre significativamente l’altezza della testata e di ridurre notevolmente le vibrazioni. Questi risultati vengono raggiunti per mezzo della eliminazione dei movimenti alternati utilizzati per aprire e chiudere le valvole di aspirazione e scarico attualmente usate nei motori a scoppio a quattro tempi, nonché dalla eliminazione dei relativi meccanismi di azione (alberi a camme e molle di ritorno o aste e bilancieri o altri sistemi analoghi). I movimenti alternati delle attuali valvole infatti da un lato assorbono una potenza non trascurabile e dall’altro comportano ingombri maggiori e vibrazioni intrinseche. Queste considerazioni restano valide anche nel caso di applicazione delle valvole rotanti ai compressori a pistone. Se poi si considerano altri possibili sistemi di valvole con movimento rotatorio, il sistema di valvole a tubi rotanti longitudinali , in oggetto del presente brevetto, assicura il minor ingombro in altezza della testata e il minor attrito di movimento a parità di tenuta stagna delle valvole chiuse con conseguente aumento di efficienza e di affidabilità.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Il sistema di valvole a tubi rotanti longitudinali è caratterizzato dal fatto di usare due cilindretti cavi detti tubi rotanti liberi di ruotare attorno al proprio asse, che attraversano la testata da parte a parte con asse parallelo alla base della testata stessa.
2. 2) I tubi rotanti sono caratterizzati dal fatto di penetrare parzialmente all’interno delle camere di combustione.
3. 3) Ciascuno dei tubi rotanti è caratterizzato dal fatto di avere tante fenditure longitudinali quante sono le camere di combustione ed ogni fenditura longitudinale è posizionata nello spazio di una camera di combustione.
4. 4) La funzione di ciascuna fenditura longitudinale è caratterizzata dal fatto di mettere in comunicazione l’interno di una camera di combustione con l’interno del tubo a cui appartiene.
5. 5) I tubi rotanti sono altresì caratterizzati dal fatto di avere dei fori trasversali posti nello spazio esistente tra due fenditure contigue ed agli estremi dei tubi stessi.
6. 6) La funzione dei fori trasversali è caratterizzata dal fatto di mettere in comunicazione l’interno dei tubi con l’esterno del blocco motore attraverso alcune incavature che scoprono i tubi, ricavabili interamente o parzialmente nella testata, nello spazio esistente tra due camere di combustione contigue e agli estremi della testata.