ITTO20130175U1 - Meccanismo per una macchina alternativa - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

del modello di utilità dal titolo:

"MECCANISMO PER UNA MACCHINA ALTERNATIVA"

La presente innovazione è relativa ad un meccanismo che combina su uno stesso asse un moto alternativo e un moto rotatorio.

Nelle macchine volumetriche alternative, operatrici o motrici e con fluido operante liquido o gassoso, il solo meccanismo di potenza può così azionare direttamente, con i due moti composti, valvole del tipo a scorrimento e attuare le fasi della distribuzione del fluido senza altri specifici meccanismi.

Per quanto riguarda i più diffusi motori alternativi a combustione interna a quattro tempi con manovellismo ordinario, è noto che nella prima metà del secolo scorso furono sperimentati diversi sistemi di distribuzione con valvole a scorrimento. Si cercava di ottenere la silenziosità di un funzionamento senza urti e anche un incremento delle sezioni di passaggio dei gas rispetto alle valvole a distacco, tipicamente formate a fungo. In particolare furono realizzate distribuzioni con uno (Burt-Mc-Collum, Ricardo) o due (Knight, Daimler) manicotti o foderi cilindrici che oscillavano dentro cilindri fissi, facendo sovrapporre a tempo le luci aperte nelle rispettive pareti (sleeve valves) . L'impiego di tali valvole a scorrimento fu però presto abbandonato a causa di gravi problemi di tenuta e di raffreddamento, di lubrificazione e di rendimento meccanico, mentre intanto migliorava progressivamente il sistema di distribuzione con valvole a distacco. Sistema questo che ormai è adottato quasi universalmente .

In effetti le luci laterali dei foderi si dovevano disporre vicino alla testa del cilindro, perché al punto morto superiore si potesse completare lo scarico dei gas e intanto iniziare l'aspirazione della nuova carica. Ma così esse si trovavano troppo esposte alle alte temperature della camera di combustione, con i conseguenti gravi problemi prima detti.

Conviene osservare, da questo punto di vista, che tali problemi non si hanno nei motori a combustione interna a due tempi con lavaggio a correnti ripiegate, perché tutte le luci di scarico e di immissione della carica si trovano nella parete del cilindro in prossimità del punto morto inferiore. In quella posizione le temperature sono minori e la "fiamma" non può raggiungere le luci oltre gli anelli di tenuta del pistone distributore, i quali le sopravanzano nella corsa verso il punto morto superiore. Questo semplice sistema di autodistribuzione con valvole a parete dà ai motori a due tempi il notevole vantaggio, quanto alla meccanica, di una costruzione semplice ed economica, come è ben noto. La distribuzione è infatti attuata dalle stesse parti meccaniche del manovellismo di potenza, senza che si debbano azionare altre diverse parti (camme, punterie, molle ecc.) dedicate unicamente al comando delle valvole.

Ma un simile vantaggio non può aversi negli attuali motori a combustione interna a quattro tempi. Infatti il loro ciclo richiede di cambiare le fasi di apertura e chiusura delle valvole ogni due corse del pistone. Ma nei comuni manovellismi lo stantuffo è dotato del solo moto alternativo e perciò ripeterebbe sempre ogni due corse identiche aperture e chiusure delle luci a parete. Perciò esso non può assumere nei "quattro tempi" la funzione di stantuffo motore distributore. In proposito nella letteratura tecnica si evidenzia spesso che la vantaggiosa autodistribuzione dei "due tempi" non è presente nei motori a quattro tempi semplicemente perché essa non è possibile.

Più in generale per i motori volumetrici alternativi con manovellismo ordinario, anche a gas o a vapore, sono stati bensì ideati tipi svariati di valvole a scorrimento ma esse sono sempre azionate da meccanismi dedicati alla distribuzione non direttamente da elementi del manovellismo di potenza. Possono così vedersi o cassetti distributori (come in certi attuatori pneumatici e nelle macchine a vapore) o valvole a disco o a maschio conico o cilindrico, fatte ruotare sulla testa del cilindro, o ancora foderi mobili, ma tutti non facenti parte del manovellismo principale (per esempio nel motore Capossela a due tempi con stantuffi contrapposti - brevetto EP 1437482 - il cilindro è rotante e funge da manicotto distributore ma non è azionato direttamente dai due manovellismi, che sono ancora di tipo ordinario, accoppiati da una cinghia). Per contro resta costante l'impiego delle valvole a distacco anche in tipi assai particolari di motori a combustione interna (come quelli con più cilindri a fascio e un disco obliquo rotante in sostituzione del manovellismo - tipo Hermann - o come i motori detti rotativi o stellari con cilindri ruotanti e albero fisso- tipo Gnome - un tempo impiegati in aeronautica) e in nuove proposte di motori alternativi a combustione esterna (per esempio nei motori di tipo Warren, con compressore ed espansore separati, o di tipo Brayton o Caren a circuito chiuso).

Analogamente nei compressori volumetrici e nelle macchine idrauliche volumetriche con manovellismi (pompe e motori), le valvole, quando non sono automatiche (come spesso accade nei compressori e nelle pompe) hanno comunque organi di comando dedicati, siano esse a distacco oppure a scorrimento (in genere a cassetto).

L' autodistribuzione con valvole a scorrimento direttamente comandate dall'albero motore si riscontra soltanto quando l'elemento distributore serve in sequenza più di un solo cilindro.

E' noto ad esempio il compressore tipo Wellworthy-Ricardo, nel quale lo stesso albero motore, posto in asse ad un fascio di cilindri, aziona insieme una valvola rotativa centrale ed un disco inclinato, che a sua volta fa muovere assialmente i pistoni nei cilindri. Analogamente si può riconoscere l'autodistribuzione con valvole a scorrimento in alcune pompe o motori idraulici aventi più cilindri inseriti in un tamburo, il quale ruotando costituisce esso stesso l'albero motore. Infatti, quando i cilindri sono assiali e disposti a fascio nel tamburo rotante, una piastra frontale fissa ed inclinata guida l'oscillazione assiale dei pistoni mentre l'apertura in sequenza sui cilindri della mandata e del recupero del liquido è comandata dallo scorrimento dell'estremità opposta del tamburo su una piastra fissa, dotata di apposite luci. Quando invece i cilindri nel tamburo rotante sono radiali, il moto radiale dei pistoni è guidato da una camma esterna (o interna) al tamburo e le aperture dei cilindri scorrono sulle luci di mandata e di recupero poste all'interno (o rispettivamente all'esterno) del tamburo.

Questo principio di autodistribuzione di macchine operatrici a due tempi a cilindri multipli si è esteso anche ai motori a combustione interna a quattro tempi. Per esempio è stato brevettato in U.S.A. (US 5,813,372) un tipo di motore denominato 0X2 simile alla pompa-motore idraulico prima descritta. Nel tamburo rotante otto cilindri assiali disposti a fascio hanno i pistoni guidati a gruppi di quattro da una camma fissata al carter, di fronte a una estremità del tamburo stesso. Lo scorrimento dell'estremità opposta su una piastra distributrice porta in sequenza le teste dei cilindri ad affacciarsi sulle luci di aspirazione, sulle candele di accensione e sulle luci di scarico, attuando così le quattro fasi del ciclo.

Concettualmente analoga è la autodistribuzione del noto motore tipo Wankel, nel quale anziché i cilindri a fascio "circolano" le cosiddette camere di lavoro a volume variabile, generate dal moto del rotore. Queste comunicano nella sequenza del ciclo a quattro tempi con le luci di aspirazione, con la candela e con le luci di scarico. Le tenute del rotore, che premono sulla superficie trocoidale periferica e sulle piastre laterali piane dello statore, fungono da valvole a scorrimento in quanto aprono e chiudono la comunicazione delle camere di lavoro con le luci statoriche e con la candela.

Tuttavia, esclusi questi speciali tipi di autodistribuzione a cilindri o camere multipli e rotanti, non si è trovata notizia di proposte per attuare una autodistribuzione a quattro tempi nei comuni cilindri fissi, con valvole a scorrimento azionate direttamente da elementi del manovellismo di potenza (come lo stantuffo distributore nel motore a due tempi). Autodistribuzione peraltro già ritenuta impossibile, come prima si è detto.

Lo scopo della presente innovazione è di ottenere, combinando opportunamente manovellismi e rotismi, l'aggiunta sullo stesso asse di un moto alternativo al moto rotatorio dell'albero di potenza di un meccanismo. La composizione dei due moti rende possibile 1'autodistribuzione con valvole a scorrimento, comandate dallo stesso moto rototraslatorio di tale meccanismo, nelle macchine volumetriche alternative operatrici o motrici e con fluido operante liquido o gassoso, a due e a quattro tempi.

La caratterizzazione del meccanismo proposto e del suo impiego è definita nelle Rivendicazioni.

Qui di seguito si descrivono alcuni modi possibili di realizzazione dell'invenzione, dei quali due sono preferibili, in termini puramente esemplificativi e non limitativi.

Si individuano nel seguito due forme preferite di attuazione della presente invenzione, tra quelle tecnicamente possibili, che vengono descritte con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 mostra la costruzione delle curve ipocicloidi rettilinee che definiscono lo schema cinematico del tipo di manovellismo preferito;

- le figure da 2 a 5 sono sezioni del meccanismo secondo l'invenzione realizzato con manovellismi di tipo ordinario ;

- le figure da 6 a 9 sono sezioni del meccanismo secondo l'invenzione realizzato con il preferito manovellismo di tipo ipocicloide guidato da coppie di ruote dentate;

- le figure da 10 a 13 sono sezioni del meccanismo secondo l'invenzione realizzato con il preferito manovellismo di tipo ipocicloide guidato da corsoi scorrenti entro glifi;

- le figure 14 e 15 illustrano l'inserimento, tra due meccanismi secondo l'invenzione simmetricamente opposti, di comuni stantuffi che ruotano insieme con il cilindro distributore dentro un secondo cilindro fisso; - le figure 16 e 17 illustrano l'inserimento, tra due meccanismi secondo l'invenzione simmetricamente opposti, di stantuffi con il mantello sagomato funzionanti da distributori rotanti dentro il cilindro fisso;

- la figura 18 schematizza in assonometria un esempio preferito di macchina volumetrica con fodero distributore come nelle figure 14 e 15;

- la figura 19 schematizza in assonometria un esempio preferito di macchina volumetrica con stantuffi distributori come nelle figure 16 e 17.

Se nelle varie sezioni dei meccanismi alcuni elementi sono chiaramente uguali e simmetrici, i loro codici numerici non sono stati ripetuti.

Nelle figure da 2 a 13 si può quindi riconoscere che il carter più interno 101 può ruotare dentro il telaio fisso 102, che comprende una corona dentata conica 103. In questa ingranano due pignoni 104 diametralmente opposti e controrotanti quando ruota il carter 101. Allo stesso carter 101 può essere unito il manicotto 105 ruotante dentro il cilindro 106 fissato al telaio 102. Dalla parte opposta, al carter rotante 101 è unita una ruota dentata 107 o altro mezzo per la trasmissione della potenza dal meccanismo all'esterno, se esso è motore, o viceversa dall'esterno al meccanismo, se è operatore.

All'interno del carter 101 è contenuto un manovellismo, che associa alla controrotazione dei pignoni 104 un moto alternativo lungo lo stesso asse principale di rotazione del carter 101.

Manovellismo che può realizzarsi in più modi.

Nelle figure da 2 a 5 è schematizzato un primo modo di realizzazione, più simile a quello dei manovellismi ordinari. L'unico spinotto 201 regge il piede delle due bielle 202 e 203, le cui teste sono articolate sui due semialberi a gomito 204 e 205 rispettivamente. Questi sono uniti all'esterno ai due pignoni 104 e sono perciò anche essi controrotanti mentre all'interno sono reciprocamente articolati dentro il cuscinetto di banco 206. Le sezioni A1÷D1 tracciate nelle figure da 2 a 5 vogliono illustrare il funzionamento del meccanismo, anche con l'indicazione dei sensi di rotazione dei suoi vari elementi.

Lo spinotto 201 può essere inserito in un normale pistone a cielo piano 207, a semplice effetto, oppure in un pistone 208, di cui si dirà appresso, anch'esso a semplice effetto e con un mantello sagomato sporgente dal cielo. Si osserva intanto che, imponendo agli assi delle bielle 202 e 203 idonei angoli di incidenza sullo spinotto 201, delle loro opposte spinte si possono annullare sia la risultante radiale sia il momento attorno all'asse dei pistoni, quindi ogni spinta trasversale sui cilindri 105 o 106 ed il connesso attrito.

Si possono tuttavia immaginare altri tipi di manovellismi, concepiti sulla base delle proprietà geometriche delle ipocicloidi rettilinee.

Come è noto (da Cardano nel secolo XVI e da De La Hire nel secolo XVII) e come si può riscontrare nella figura 1, queste curve sono tracciate da un qualsiasi punto di un cerchio che rotola all'interno di un altro cerchio di diametro doppio, senza strisciare nel punto di contatto C. Così i punti P ed S del cerchio minore tracciano le ipocicloidi rettilinee coincidenti con i diametri del cerchio maggiore giacenti rispettivamente sugli assi y e z. Diametri che, da un punto di vista cinematico, possono pensarsi come due glifi che guidano i due corsoi P ed S. Perché non interferiscano nel centro 0 i glifi devono giacere su piani diversi, scalati parallelamente al piano (y, z) lungo un asse normale x.

Il punto T, alla distanza costante r da 0, percorre la traiettoria circolare m e può pensarsi come il bottone della manovella OT ovvero la testa della biella PT. Poiché la biella e la manovella hanno la stessa lunghezza r, esse vengono a sovrapporsi sull'asse z. Per evitare che vi interferiscano e per non allargare troppo i perni a sbalzo in direzione x, conviene che il perno della manovella, il cui asse x passa per 0, si dilati con il suo cuscinetto oltre il diametro del cerchio maggiore, in modo che la biella PT vi possa ruotare dentro liberamente.

La figura 1 evidenzia inoltre che il moto dei punti P è identico sullo stesso diametro del cerchio maggiore se è generato da cerchi minori simmetrici rispetto all'asse y e ruotanti in senso inverso. Si osserva infine che tale moto è semplicemente sinusoidale se il moto di rotazione dei cerchi minori è uniforme.

Secondo questi criteri geometrici e cinematici sono stati concepiti un secondo e un terzo tipo di manovellismi interni al carter rotante 101, come schematizzati nelle figure da 6 a 13.

In ambedue i casi lo stelo 301 con i due perni o spinotti trasversali 302, corrispondenti ai due opposti piedi di biella P, può scorrere sulle guide prismatiche 303 lungo l'asse y della figura 1. Allo stelo 301 sono uniti il pistone 304 oppure il pistone 305, che con esso si muovono lungo l'asse y.

Il manovellismo del secondo tipo, formalmente il più aderente alla definizione geometrica della ipocicloide rettilinea, è schematizzato nelle figure da 6 a 9.

I due alberi 401, conformati a "s" per non interferire con le ruote 404, uniscono ai pignoni 104 le due manovelle 402, controrotanti sugli stessi assi. Sulle manovelle 402 sono inoltre imperniate, con eccentricità r in due posizioni T simmetriche rispetto all'asse y della figura 1, le due bielle controrotanti 403 (PT nella figura 1). Queste sono unite alle due ruote dentate 404, le cui primitive coincidono con i cerchi minori delle due ipocicloidi della stessa figura 1. Con i cerchi maggiori delle ipocicloidi coincidono le primitive delle due corone 405, unite al carter 101, nelle quali ingranano le ruote 404.

In questa disposizione cinematica un moto di va e vieni dello stelo 301, e quindi dei perni 302 lungo il diametro y del cerchio maggiore, aziona attraverso le bielle 403 la controrotazione delle manovelle 402 e dei pignoni 104, che a loro volta trascinano in rotazione il carter 101 con lo stelo 301 attorno all'asse y. Viceversa, se il moto proviene dalla ruota 107 del carter 101, lo stelo 301 oltre a ruotare con il carter oscilla insieme con il pistone 304 o 305.

Le figure da 10 a 13 mostrano il terzo tipo di manovellismo, nel quale l'identico moto del punto P lungo l'asse y della figura 1 si fa guidare non dal rotolamento dei cerchi minori su quelli maggiori (cioè dalle ruote dentate 404 e 405) ma dallo scorrimento alterno dei punti S lungo l'asse z.

Le due bielle a gomito 501 (PTS nella figura 1) ruotano in senso contrario, seguendo i moti rettilinei dello stelo 301, tramite i perni 302 (piedi delle bielle), e dei corsoi 502 lungo i glifi 503 (cioè dei punti P ed S sugli assi y e z nella figura 1). I moti circolari delle teste delle bielle (i moti dei punti T lungo le traiettorie m) si trasmettono alle manovelle 504, che hanno al contorno una dentatura conica. Questa ingrana con le ruote coniche di rinvio 505, unite ai pignoni 104, i quali fanno infine ruotare il carter 101. Viceversa, se il moto proviene dalla ruota 107, esso fa ruotare e oscillare insieme lo stelo 301 con il suo pistone.

Questo terzo tipo di manovellismo interno aggiunge le ruote di rinvio 505 ma, a parità di corsa dello stelo 301 e di diametro della scatola 102, è in principio più compatto e robusto e può trasmettere potenze superiori rispetto al manovellismo del secondo tipo. In effetti in questo la sezione critica dell'albero 401, che attraversa la ruota 405 accanto alla ruota 404, si deve ridurre ad una ristretta mezzaluna, forma assai poco adatta a reggere la torsione .

Si può anche osservare che i corsoi 502 nei glifi 503 sono assimilabili a teste a croce certamente meglio lubrificate dei pattini uniti ai pistoni dentro i cilindri dei comuni manovellismi senza testa a croce.

Tuttavia, indipendentemente dal tipo di manovellismo contenuto nei carter 101, è sempre possibile contrapporre in posizione simmetrica due telai fissi 102 e collegarli con un cilindro fisso 106, come esemplificato nelle figure da 14 a 17.

Dentro il cilindro fisso 106 un manicotto o fodero distributore 105, unito ai carter rotanti 101, può ruotare insieme con due stantuffi a cielo piano contrapposti. I quali possono essere o gli stantuffi 207 a semplice effetto della figura 14, azionati da manovellismi del primo tipo (delle figure da 2 a 5), oppure gli stantuffi a doppio effetto 304 della figura 15, azionati da manovellismi del secondo o del terzo tipo (delle figure da 6 a 13; nella figura 15 è schematizzato un manovellismo del terzo tipo). Il cilindro e il fodero hanno luci a parete periodicamente sovrapponibili per la distribuzione del fluido operante.

Altrimenti direttamente a contatto del cilindro fisso 106 possono scorrere e ruotare due stantuffi aventi il mantello sagomato in modo che esso, con il proprio moto rotoalternativo, apre e chiude le luci sulla parete del cilindro e così funge esso stesso da distributore del fluido. Nella figura 16 gli stantuffi 208 a semplice effetto sono azionati da manovellismi del primo tipo; nella figura 17 gli stantuffi 305 a doppio effetto sono azionati da manovellismi del secondo o del terzo tipo (delle figure da 6 a 13; nella figura 17 è schematizzato un manovellismo del terzo tipo e sono anche indicate le camere e le luci più avanti rappresentate in assonometria nella figura 19).

In ogni caso il meccanismo proposto rende possibile, grazie al moto rotoalternativo dello stantuffo, l'autodistribuzione sia a due sia a quattro tempi del fluido operante nel cilindro 106. Ad esempio, è sufficiente che il diametro primitivo dei pignoni 104 sia un quarto di quello della corona 103 perché soltanto ogni quattro giri delle manovelle (204 e 205 o 402 o 504) il fodero 105 o i pistoni distributori 208 o 305 si ritrovino nella stessa posizione rispetto al cilindro fisso 106. Con l'ulteriore vantaggio di avere, grazie alla minore velocità di rotazione del carter, molto minori forze centrifughe e momenti giroscopici di trascinamento delle varie parti in esso contenute.

L' autodistribuzione con il fodero rotante 105 dà luogo a costruzioni probabilmente più semplici, con stantuffi di tipo tradizionale a facce piane. Se poi questi sono a doppio effetto, la macchina smaltisce portate più elevate rispetto alle proprie dimensioni. Però è necessario porre le luci a parete vicino ai punti morti di fine scarico e di inizio aspirazione del fluido, cioè al centro del fodero per la camera interna e alle sue testate per le due camere esterne. E questa disposizione è accettabile soltanto se le temperature di funzionamento sono abbastanza basse da non produrre gli stessi inconvenienti già avuti nei motori a combustione interna con le sleeve valves. Pertanto l'impiego del fodero può utilmente riguardare i compressori di gas e più ancora le pompe ed i motori idraulici, che sono meglio lubrificati, ma in principio non i motori a combustione interna o comunque cilindri che fungano da espansori di gas molto caldi.

La figura 18 mostra, in una assonometria puramente esemplificativa e non limitativa, una preferita architettura di macchina volumetrica con fodero distributore compreso tra due meccanismi secondo l'invenzione. Vi si riconoscono gli stantuffi a doppio effetto 304 uniti agli steli 301, che escono dai carter 101. Questi sono accoppiati dal fodero 105 e ruotano dentro i telai fissi 102, che sono uniti dal cilindro fisso 106. Attorno al cilindro 106 un corpo anulare 601 contiene i condotti assiali del fluido operativo (condotti non rappresentati per chiarezza) . Il disegno indica una fase in cui i pistoni 304 si avvicinano: perciò la camera centrale 602 ha la valvola 603 chiusa ed espelle il fluido dalla valvola 604 aperta sul collettore di mandata 605, mentre le camere esterne hanno le valvole 606 chiuse e ricevono il fluido attraverso le valvole aperte 607 dal collettore di aspirazione 608 (i collettori 605 e 608 sui quali si intestano i condotti assiali sono rappresentati in scala ridotta nello schema concettuale affiancato a destra del disegno principale) . Posto che si hanno, come già detto, quattro oscillazioni dei pistoni ogni giro del fodero 105 e se per ogni camera si hanno, equidistanziate, otto luci tipo 609 nel cilindro e quattro luci tipo 610 nel fodero (come nella sezione trasversale del cilindro disegnata a sinistra, la quale vuole inoltre suggerire nel diagramma polare a quattro onde il moto dei pistoni 304 verso la camera 602), si può anche osservare che basta sfalsare di un ottavo di giro le luci del fodero tra la camera centrale e le camere esterne, perché siano sempre invertite tra di esse le ammissioni e le espulsioni del fluido.

L'altra possibilità di autodistribuzione, che ricorre agli stantuffi sagomati 208 o 305, richiede una nuova e forse più complessa tecnologia per la realizzazione del mantello e soprattutto degli anelli di tenuta. Infatti nel mantello si devono alternare parti piene e parti vuote in modo tale che, al ruotare dello stantuffo, esse vadano ciclicamente a coprire e scoprire le luci aperte nella parete del cilindro 106.

Ad esempio il mantello può essere sagomato "a sella", cioè a doppia onda, con due creste diametralmente opposte intervallate da due concavità sul diametro perpendicolare e quindi con rispettivi pieni e vuoti alternati ogni quarto del perimetro. Contrapponendo due simili stantuffi in un cilindro 106 con le creste dell'uno sulle concavità dell'altro (cioè sfalsati di un quarto di giro), si può ridurre il volume della camera centrale di quanto si vuole al punto morto più interno; inoltre sulla stessa camera centrale si possono affacciare, per ogni stantuffo e in opportune posizioni, due luci di scarico diametralmente opposte e due di aspirazione anche esse diametralmente opposte. Allora il mantello a sella degli stantuffi per un quarto di giro le ottura con le creste delle onde e nel successivo quarto di giro le scopre, affacciandovi invece le concavità. Ossia le valvole si aprono ogni mezzo giro dello stantuffo e del carter 101. E se il rapporto di trasmissione pignoni 104/corona 103 è quello prima esemplificato di uno a quattro, le valvole, aprendosi due volte ogni giro dello stantuffo, si aprono due volte ogni quattro giri dei pignoni 104 e delle manovelle, ossia ogni due giri delle manovelle e quindi ogni quattro corse dei pistoni. Si può così realizzare in autodistribuzione, nella camera centrale del cilindro 106 tra due pistoni opportunamente sagomati, la sequenza di azionamento delle valvole propria dei motori con il ciclo a quattro tempi. Nella fase di combustione tutte le luci della camera centrale sono poi coperte dalle parti piene del mantello e protette dagli anelli di tenuta, come negli attuali motori a due tempi, e sono perciò riparate dalla "fiamma" e dagli inconvenienti delle vecchie distribuzioni a foderi, con evidente vantaggio.

Se la macchina è a doppio effetto, con i pistoni uniti allo stelo oscillante 301, la distribuzione del fluido nelle due camere esterne alle estremità del cilindro 106 si ottiene vantaggiosamente disponendo nelle testate semplici valvole a disco, se le pressioni e le temperature sono con esse compatibili. Nella ipotesi di un motore a quattro tempi sovralimentato si possono così avere, oltre alla camera di combustione tra i due stantuffi distributori, due compressori volumetrici nelle camere laterali. Questi hanno una portata in volume quasi doppia di quella del motore, perché l'aria vi è aspirata ogni due anziché ogni quattro corse dei pistoni, e poche perdite organiche, perché il lavoro di una ogni due fasi di compressione vi è compiuto dalla espansione dei gas nel motore direttamente attraverso il pistone e non tramite meccanismi intermedi.

Un puro esempio non limitativo di un simile motore, avente stantuffi distributori compresi tra due meccanismi secondo l'invenzione, è mostrato in assonometria nella figura 19. I due carter 101, insieme con gli stantuffi 305 azionati dagli steli 301, ruotano in sincronia dentro i telai fissi 102, essendo accoppiati attraverso le ruote 107 dal rotismo esterno 701, che assolve anche la funzione di trasmettere la potenza all'utilizzazione (per esempio a un cambio di marcia o comunque a una presa di moto) o di interconnettere analoghe unità motrici. I telai fissi 102 sono uniti tra loro dal cilindro 106 e dalla scatola 702, che contiene, non rappresentati, tutti i condotti dell'aria, del combustibile, dei gas combusti, del lubrificante, del refrigerante, dei cavi elettrici. Le camere laterali 703, attraverso le valvole a disco 705 che aprono e chiudono i distinti condotti aspiranti e prementi del collettore 704, aspirano l'aria esterna 706 e mandano aria compressa 707 al refrigeratore intermedio 708. Da qui l'aria compressa e refrigerata 709, attraverso le luci di aspirazione 710 (due diametralmente opposte per ogni stantuffo), passa nel volume centrale 711, da dove è ulteriormente compressa nelle camere di combustione 712, dotate di iniettori e candele e quant'altro sia necessario. I gas combusti, attraverso le luci 713 (due diametralmente opposte per ogni stantuffo) , vengono infine avviati in un collettore di scarico 714. La figura 19 indica appunto una fase di scarico, con gli stantuffi 305 in avvicinamento e le luci di aspirazione 710 ancora chiuse ma prossime ad aprirsi nella successiva corsa di allontanamento degli stantuffi 305. Questi, ruotando, nelle ulteriori corse di avvicinamento (compressione) e allontanamento (espansione) chiuderanno con le creste del mantello tutte le luci a parete della camera centrale 711. Nella figura 19 è anche suggerita la necessaria circolazione di fluido refrigerante 715 nel motore e 716 nel refrigeratore intermedio.

Si deve ancora considerare, in analogia alla figura 19, che se alla camera centrale del cilindro 106 si affacciano, per ogni stantuffo, quattro anziché due luci di scarico come le 713 equidistanziate tra loro e quattro anziché due luci di aspirazione come le 710, ugualmente equidistanziate, ogni quarto di giro le due concavità opposte dei mantelli a sella 305 aprono, per ogni stantuffo, due luci diametralmente opposte di ogni gruppo di quattro luci. L'apertura di ciascuna valvola avviene così ogni quarto di giro dello stantuffo, ossia ogni giro delle manovelle e ogni due corse del pistone, se il rapporto pignoni 104/corona 103 resta quello prima esemplificato. Si può allora realizzare in autodistribuzione con valvole a scorrimento, impiegando i pistoni a sella 305 ed i meccanismi secondo l'invenzione, anche la sequenza di funzionamento delle valvole propria dei cicli a due tempi delle pompe e dei motori idraulici, dei compressori e degli espansori di gas o vapori.

Da quanto precede si deduce che nelle macchine volumetriche alternative l'attribuzione della funzione di distribuzione con valvole scorrimento allo stesso meccanismo di trasmissione della potenza, grazie al moto insieme rotativo e alternativo secondo l'invenzione descritta, apporta numerosi e notevoli vantaggi rispetto alle esistenti macchine con valvole a distacco.

Intanto vantaggi relativi all'organismo meccanico, nel confronto tra le attuali macchine e l'insieme dei cilindri con gli stantuffi e i manovellismi contenuti nei carter 101 secondo l'invenzione; non si considerano nei carter 102 le perdite del rotismo pignone 104/corona 103, che costituisce già una parte degli ingranaggi della trasmissione esterna alla macchina.

Una volta dotati i cilindri del fodero distributore o dei pistoni a sella rotanti, il non dover aggiungere un qualsiasi diverso meccanismo di distribuzione comporta una vantaggiosa riduzione del numero delle parti in movimento nella macchina, la quale può beneficiare non solo di una più semplice costruzione e quindi di un minor costo ma anche di più elevati rendimenti organici rispetto ai complessi meccanismi oggi necessari.

Inoltre il disporre coppie di identici meccanismi secondo l'invenzione affrontati in posizione inversa permette di ottenere il completo equilibramento delle forze e dei momenti inerziali. Infatti in ciascun meccanismo alla massa baricentrica di ogni parte rotante, che sia in sé già equilibrata, si contrappone una massa uguale in posizione simmetrica rispetto agli assi di rotazione y e z della figura 10 e si annullano così le risultanti e i momenti di tutte le forze centrifughe. In più il momento giroscopico di ogni singola parte nel suo moto precessionale è compensato dal momento uguale e contrario della parte controrotante simmetrica. Così in un singolo meccanismo secondo l'invenzione resta non equilibrata la sola azione inerziale alterna dello stelo oscillante lungo l'asse y. Ma essa, che è armonica del primo ordine, è equilibrata dalla azione uguale e contraria dello stelo del meccanismo identico contrapposto. Si può allora dire che l'intrinseca simmetria della macchina la rende completamente equilibrata, quasi come un semplice rotismo, senza vibrazioni parassite. E senza i costi e gli attriti dei dispositivi oggi aggiunti per l'equilibramento, per esempio gli eccentrici controrotanti.

La macchina scambia con l'esterno soltanto il momento delle ruote 107, equilibrato dalle reazioni dei sostegni del carter fisso 102.

I manovellismi del secondo e del terzo tipo secondo l'invenzione offrono poi la possibilità di disporre nei cilindri pistoni a doppio effetto. Così non solo si possono vantaggiosamente ridurre le dimensioni delle macchine in genere, a parità di potenza, ma l'espansione del fluido nella camera centrale può compiere parte del lavoro di compressione nelle due camere laterali direttamente attraverso gli stantuffi, senza l'intervento di meccanismi intermedi e quindi senza le loro inevitabili perdite organiche .

Ulteriori riduzioni degli attriti rispetto ai manovellismi ordinari privi di testa a croce, i cui pistoni funzionano da pattini nei cilindri, si potranno avere nei manovellismi del terzo tipo prima descritto, perché i corsoi nei glifi saranno certo meglio lubrificati di tali pattini, trovandosi dentro i carter, mentre nei cilindri resterà soltanto l'attrito degli anelli di tenuta e dello stelo uscente dal carter, non avendosi spinte trasversali sugli stantuffi rotanti.

Infine si potrà usufruire dei vantaggi di semplicità e di silenziosità delle valvole a scorrimento secondo l'invenzione senza timore dei problemi di tenuta, di raffreddamento e di lubrificazione che ne avevano in origine fatto abbandonare l'impiego nei motori a combustione interna. In effetti le luci a parete secondo l'invenzione con pistoni a sella non sono più affacciate alla camera di combustione per l'intero ciclo a quattro tempi, come le vecchie sleeve valves, ma sono invece riparate dagli anelli di tenuta, che le sopravanzano nella fase di compressione e così le proteggono dalla "fiamma" della combustione, come già avviene nei comuni motori a due tempi, evitandone il surriscaldamento. Senza contare che la rotazione degli stantuffi tende a uniformare le temperature nel cilindro e migliora la lubrificazione, distribuendola tutto attorno nel suo interno.

Analoghi vantaggi potranno aversi in qualsiasi simile disposizione di cilindri espansori di fluidi molto caldi.

Risulta infine chiaro che al meccanismo qui descritto ed illustrato possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito di protezione definito dalle rivendicazioni.

Claims (6)

1. RIVENDICAZIONI 1) Meccanismo (100) per una macchina alternativa presentante un asse (y) e comprendente: un carter (101) adatto a ruotare attorno al detto asse (y) dentro un telaio (102) che regge anche una corona dentata (103) avente lo stesso asse (y); - due pignoni dentati (104) imperniati sul carter (101) ed ingrananti nella corona (103), adatti a ruotare in senso opposto attorno a un asse trasversale all'asse (y); caratterizzato dal fatto che il carter (101) contiene un manovellismo adatto a trasformare il moto rotatorio dei pignoni (104) in un moto insieme rotatorio e alternativo di un albero disposto lungo l'asse (y).
2. 2) Meccanismo secondo la rivendicazione 1, in cui il manovellismo nel carter (101) presenta due bielle (202) e (203), le quali si articolano al piede con l'unico spinotto (201) dei pistoni (207) oppure (208), adatti a scorrere lungo l'asse (y) nel cilindro (105) oppure (106), mentre in testa le dette bielle (202) e (203) si articolano con due rispettivi semialberi a gomito controrotanti (204) e (205), i quali sono uniti ai pignoni (104) e sono articolati tra loro nel doppio cuscinetto di banco (206).
3. 3) Meccanismo secondo la rivendicazione 1, in cui il manovellismo nel carter (101) presenta due alberi sagomati (401) controrotanti, uniti verso l'esterno ai pignoni (104) e verso l'asse (y) a due grandi perni di banco cavi (402) essendo disposti all'interno dello stesso diametro dei due perni di banco cavi: due bielle controrotanti (403), aventi le teste articolate con i due perni di banco (402) tramite cuscinetti eccentrici o bottoni di manovella e i piedi articolati, tramite due cuscinetti (302), su due spinotti trasversali fissati ai lati dello stelo (301), essendo questo adatto a oscillare lungo l'asse (y) sui cuscinetti assiali (303) del carter (101); due ruote dentate (404) unite alle teste delle bielle (403), controrotanti con esse attorno ai detti cuscinetti eccentrici o bottoni di manovella e ingrananti in due corone (405) solidali al carter (101) e aventi diametro primitivo doppio delle ruote (404); - una traiettoria ipocicloide rettilinea del moto dei cuscinetti (302) e dello stelo (301) lungo l'asse (y), percorsa quando le ruote (404) rotolano dentro le corone (405), essendo i raggi di manovella dei detti perni di banco (402) uguali alla lunghezza delle bielle (403) e al raggio primitivo delle ruote (404).
4. 4) Meccanismo secondo la rivendicazione 1, in cui il manovellismo nel carter (101) presenta due grandi perni di banco cavi (504) in posizioni simmetriche rispetto all'asse (y), essendo disposti in ciascuno all ' interno del loro diametro : due alberi sagomati (501), controrotanti attorno a cuscinetti eccentrici di manovella portati da ciascun perno di banco (504), aventi le estremità più esterne articolate in due pattini (502) che scorrono in glifi (503) fissati al carter (101) trasversalmente all'asse (y) e aventi le estremità più interne articolate, tramite due cuscinetti (302), su due spinotti trasversali fissati ai lati dello stelo (301), essendo questo adatto a oscillare lungo l'asse (y) sui cuscinetti assiali (303) del carter (101); - una traiettoria ipocicloide rettilinea del moto dei cuscinetti (302) e dello stelo (301) lungo l'asse (y), percorsa quando i detti alberi (501) rotolano con moto identico a quello delle ruote (404) dentro le corone (405), avendo ciascun albero (501) il pattino (502) e il cuscinetto (302) allineati con il rispettivo cuscinetto eccentrico di manovella e distanti dal suo asse di lunghezze uguali tra loro e uguali al raggio di manovella del perno di banco (504); essendo inoltre gli stessi due perni di banco cavi (504) accoppiati, tramite corone dentate esterne ad essi unite, da due corone dentate intermedie (505) imperniate sul carter (101), controrotanti e unite ciascuna ad un pignone (104).
5. 5) Meccanismi secondo le rivendicazioni 1 e 2 affrontati lungo il detto asse (y) in coppia simmetrica, aventi i carter (101) collegati da un fodero (105) ruotante con essi dentro un cilindro (106) unito ai telai (102) e aventi nei due corpi cilindrici (105) e (106), in corrispondenza del volume centrale variabile tra i due pistoni contrapposti (207), apposite luci per la distribuzione del fluido, funzionanti come valvole a scorrimento.
6. 6) Meccanismi secondo le rivendicazioni 1 e 3 o 4, affrontati lungo il detto asse (y) in coppia simmetrica, aventi i carter (101) collegati da un fodero (105) ruotante con essi dentro un cilindro (106) unito ai telai (102), essendo la distribuzione dei fluidi attuata da apposite luci aperte nei due corpi cilindrici (105) e (106), funzionanti come valvole a scorrimento e disposte: - in corrispondenza del volume centrale variabile tra i due pistoni contrapposti (304); - in corrispondenza dei due volumi laterali variabili tra i pistoni (304) a doppio effetto e i due carter (101).