ITMI20120497A1 - Motore a vapore con valvole di ammissione e scarico dotate di controllo elettromagnetico. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“Motore a vapore con valvole di ammissione e scarico dotate di controllo elettromagnetico”

La presente invenzione concerne un motore a vapore con valvole di ammissione e scarico dotate di controllo elettromagnetico.

Le macchine alternative a vapore sono spesso del tipo “a doppio effetto”, e comprendono almeno un cilindro chiuso all’estremità inferiore corredato da un premistoppa attraverso il quale scorre l’asta di un pistone che separa l’interno del cilindro in due camere a volume variabile. Entro tali camere il vapore agisce alternativamente facendo sì che mentre nella camera superiore avviene la fase di introduzione di ammissione e di espansione, in quella inferiore sia in atto la fase di scarico.

A questa precisa alternanza di fasi provvede un dispositivo di distribuzione il cui compito peculiare consiste nell’inviare il vapore alle due camere del cilindro nell’istante dovuto e permetterne lo scarico quando esso sia richiesto dal susseguirsi delle varie fasi di funzionamento.

L’asta del pistone è dotata (per la presenza del premistoppa) di moto essenzialmente rettilineo e porta un organo di articolazione detto “testa a croce” al quale è collegata la biella. Quest’ultima con la sua parte inferiore abbraccia poi il bottone di manovella ricavato nell’albero a gomiti che trasmette il moto all’utilizzazione.

Fra i più comuni sistemi di distribuzione vi sono:

la distribuzione a cassetto piano;

la distribuzione a cassetto cilindrico;

la distribuzione a valvole.

Nella distribuzione a cassetto piano il vapore proveniente dal generatore viene dapprima inviato in una scatola (“cassetto di distribuzione”) separata dal cilindro da una parete perfettamente piana ed accuratamente levigata (“specchio del cassetto”). Opportuni condotti ricavati nell’interno di questa parete consentono al vapore di penetrare nella camera superiore ed in quella inferiore del cilindro o infine di effluire verso lo scarico.

La distribuzione del vapore nei vari condotti è comandata da una piastra strisciante sullo specchio munita di due bordi estremi che hanno la funzione di coprire o scoprire alternativamente le feritoie di comunicazione con il cilindro. Un eccentrico a collare, calettato sull’albero della motrice, aziona con il suo movimento oscillante un’asta collegata alla piastra di distribuzione. La piastra svolge quindi la funzione di valvola, distribuendo il vapore - a seconda della posizione da essa assunta - nella camera superiore o in quella inferiore, permettendo contemporaneamente lo scarico dell’altra camera verso il condensatore.

L’inconveniente principale della distribuzione a cassetto piano consiste nella notevole resistenza d’attrito di strisciamento incontrata dalla piastra nel suo movimento alternato. Se si tiene conto che essa è premuta sullo specchio dalla pressione del vapore, si riscontra facilmente come la resistenza vada assumendo valori sempre più elevati al crescere della pressione di esercizio.

Per ridurre l’enorme resistenza d’attrito del cassetto piano si ricorre alla distribuzione a cassetto cilindrico, nella quale l’organo distributore si può pensare derivato da un cassetto piano avvolgendo su se stessi sia lo specchio che la piastra mobile, a forma di superfici cilindriche. In tale ipotesi lo specchio diviene un cilindro e la piastra assume l’aspetto di due tronchetti di tubo scorrenti in esso a perfetta tenuta. È chiaro che con tale accorgimento la resistenza d’attrito viene ridotta in quanto la pressione agisce nell’interno della piastra in direzioni opposte e le spinte si equilibrano.

L’eccessivo attrito di strisciamento, ridotto con l’adozione dei cassetti cilindrici, non è l’unico inconveniente di questo sistema di distribuzione. La stessa forma costruttiva dei cassetti costituisce un legame tra le fasi di ammissione e di scarico, tanto da rendere impossibile una espansione prolungata che comporta una riduzione della fase di ammissione impossibile a realizzarsi se non si riduce anche quella di scarico.

Per tale ragione si è passati alla distribuzione a valvole, che realizza le migliori condizioni di funzionamento, separando i condotti di ammissione e di scarico (prima coincidenti) permettendo dunque di ridurre il grado di ammissione indipendentemente dalla durata della fase di scarico.

Tuttavia il rendimento di un motore è talvolta basso in quanto non è previsto alcun tipo di controllo sull’apertura e la chiusura delle valvole che dia la possibilità di una eventuale regolazione durante il funzionamento del motore stesso. Inoltre, rimane il problema, seppur ridotto, dell’usura dovuta agli attriti dei numerosi organi meccanici in moto relativo.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare un motore a vapore provvisto di valvole tali da garantire una maggiore durata del motore per minore usura dei componenti ed ottimizzare il rendimento ai vari regimi di funzionamento.

In accordo con l’invenzione tale scopo è raggiunto da un motore a vapore comprendente almeno un cilindro provvisto di pistone, almeno una valvola di ammissione del vapore in detto cilindro ed almeno una valvola di scarico del vapore da detto cilindro, caratterizzato dal fatto che dette valvole di ammissione e di scarico sono dotate di controllo elettromagnetico per mezzo di un circuito elettronico.

Le caratteristiche della presente invenzione saranno rese evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione mostrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, in cui:

la figura 1 mostra una sezione longitudinale di un motore a vapore con valvole di scarico chiuse e valvola di ammissione in fase di apertura, con il pistone in prossimità del punto morto superiore del cilindro;

la figura 2 mostra una sezione longitudinale di un motore a vapore con valvole di scarico e valvola di ammissione chiuse, con il pistone in fase discendente;

la figura 3 mostra una sezione longitudinale di un motore a vapore con valvole di scarico aperte e valvola di ammissione chiusa, con il pistone in corrispondenza del punto morto inferiore del cilindro;

la figura 4 mostra una schematizzazione della sezione dell’albero motore;

la figura 5 mostra una vista laterale dell’albero motore;

la figura 6 mostra il circuito elettronico di controllo delle valvole;

la figura 7 mostra schematicamente un sistema di generazione elettrica con generatore lineare.

Le figure 1-3 mostrano un esempio di motore a vapore 1 comprendente una camera di ammissione 9, un cilindro 2 ed un pistone 3 scorrevole all’interno di detto cilindro 2 comprendente a propria volta un’asta 4 ed un percussore 6 in acciaio amagnetico.

Detta camera di ammissione 9 è realizzata con una piastra di chiusura 28 in acciaio amagnetico fissata a pareti laterali 29, a loro volta serrate ad una testata 15, il tutto per mezzo di fissaggio a viti 30. Detta piastra di chiusura 28 presenta un foro 31 all’interno del quale è posizionato un nucleo ferromagnetico 33 alloggiato altresì all’ interno di un tubo di tenuta ferromagnetico 32 chiuso superiormente da un elemento 34. Un solenoide 37 circonda il tubo di tenuta 32 ed agisce elettromagneticamente sul nucleo 33. Una vite 35, alloggiata in detto elemento 34 di chiusura ed in detto nucleo 33, permette la regolazione del posizionamento dello stesso nucleo 33, che prevede altresì un supporto 58 per una molla di rilascio 16.

Detto cilindro 2 (figura 3) invece comprende luci di scarico 53 e luci equilibratrici di pressione 54 ed è chiuso inferiormente tramite basamento di fissaggio 55 in cui è presente un premistoppa 56 all’interno del quale scorre l’asta 4 del pistone 3.

Detto motore a vapore 1 comprende inoltre una valvola di ammissione 20, che prevede una sfera di ammissione 8 ed un foro 22, e due valvole di scarico 21, che prevedono due sfere di scarico 7 ed altrettanti fori 23. Dette valvole di scarico 21 sono inoltre comunicanti con dei condotti 81 di scarico al condensatore.

Detta sfera di ammissione 8 è poggiata alla molla di ritorno 16 ed è mobile all’interno di un cilindro guida 10, situato alfintemo della camera di ammissione 9, provvisto di luci equilibratrici di pressione 11.

Dette sfere di scarico 7 sono poste all’interno di guide 82 in prossimità di altrettante ancore 13 di bilancieri 12 mobili per mezzo di un fulcro 14 posizionato sulla testata 15 del cilindro 2. Due solenoidi 38 ed altrettanti nuclei ferromagnetici 39 sono posti superiormente alle ancore 13 che presentano in prossimità di detti nuclei 39 un elemento ferromagnetico 40.

Detto fulcro 14 presenta sulla propria estremità un elemento 17 di arresto meccanico per l’ancora 13, provvisto di una vite 18 per la regolazione del traferro 19 e dell’apertura della valvola 21.

L’apertura della valvola di scarico 21 è consentita da una molla 24 fissata tra testata 15 ed ancora 13, mentre la sua chiusura avviene con l’ausilio di un’asta di azionamento 25, comprendente un supporto 26, una molla 27 ed un elemento 5 di arresto meccanico, che è mobile attraverso un’apertura 71 nella testata 15. Detta asta di azionamento 25 è contenuta alfintemo di una camera di isolamento termico 57 provvista di guida meccanica 36 attraverso il quale scorre l’asta 25, ed è serrata per mezzo viti 30 alla testata 15.

Detta asta 4 del pistone 3 (figure 4, 5) porta una testa a croce alla quale è collegata la biella che con la sua parte inferiore abbraccia poi il bottone di manovella ricavato in un albero motore 41 su cui è fissata un’asta 42 di supporto per riscontri 74, 75 e 76, solidali all’albero motore 41, regolabili per mezzo di viti 46.

Detto albero motore 41 ruota all’intemo di un supporto coassiale 43 fisso, comprendente tre aste 45 regolabili in altezza supportanti altrettanti sensori 44, 65, 66. Un servomotore 47 consente un’ulteriore regolazione angolare dell’asta del sensore 44 (figure 4, 5).

Detti solenoidi 37, 38 sono controllati per mezzo di un circuito elettronico 80 (figura 6) comprendente, tre disaccoppiatori di impedenza 49, tre comparatori 50, due memorie set-reset 51, 61 e tre mosfet 52, 77, 78.

Una tipico sistema di generazione elettrica è costituito da due motori a vapore 1 ed un generatore elettrico lineare 48. In figura 7 si è nel caso di motori 1 a due cilindri 2 provvisti di pistone 3, ma in generale possono esserci più cilindri 2 con relativo pistone 3.

Nel funzionamento, si descrive di seguito un ciclo di lavoro. In figura 1 è mostrato il pistone 3 in prossimità del punto morto superiore (circa il 95% della fase di scarico), ovvero nei pressi del fine corsa del pistone 3 nella parte superiore del cilindro 2.

In questa fase il percussore 6, posto sul pistone 3, spinge la sfera 8 contro il nucleo ferromagnetico 33 comprimendo la molla 16 sul supporto 58 e provocando l’apertura della valvola di ammissione 20. Non appena appena la sfera 8 si solleva, la pressione a monte e a valle tendono ad eguagliarsi cosicché, nel momento in cui il percussore 6 spinge la sfera 8 contro al nucleo 33, la sfera 8 è sottoposta alla forza della sola molla 16. Nello stesso istante, intanto, il solenoide 37 è energizzato elettricamente cosicché la sfera 8 è attratta magneticamente al nucleo 33 e lo rimane anche dopo che il percussore 6 abbandonerà la sfera 8 per effetto del ritorno del pistone 3. La valvola di ammissione 20 può così rimanere aperta fintantoché il solenoide 37 rimane eccitato; si ha quindi la possibilità di variare il grado di ammissione del vapore semplicemente ritardando o anticipando la diseccitazione del solenoide 37.

Sempre in questo stesso istante, ovvero a circa il 95% della fase di scarico, le estremità delle ancore 13 in corrispondenza delle quali è posizionato l’elemento ferromagnetico 40 subiscono una spinta dalle aste 25, a loro volta azionate dal movimento del pistone 3 per effetto di una spinta provocata da un riscontro di azionamento (non mostrato in figura) solidale all’asta 4. Gli elementi 40 sono così avvicinati ai nuclei 39 dei solenoidi 38, che sono contemporaneamente energizzati, e le sfere 7 all’ interno delle guide 82 vengono pressate contro i rispettivi fori 23 grazie al movimento oscillatorio dell’ancora 13 per mezzo del fulcro 14. Le valvole di scarico 21 sono dunque chiuse grazie all’attrazione magnetica esercitata dai nuclei 39 sugli elementi 40, e così restano anche dopo che le aste 25 tornano indietro per azione della molla 27 e si bloccano per mezzo dell’elemento 5 di arresto meccanico, ovvero rimangono chiuse per tutta la fase di ammissione.

Dopo questa fase il pistone 3 comincia la sua discesa e ad un certo punto il solenoide 37 viene diseccitato così da chiudere la valvola di ammissione attraverso il rilascio della sfera 8 (figura 2).

In prossimità del punto morto inferiore, ovvero nei pressi del fine corsa del pistone 3 nella parte inferiore del cilindro 2, il pistone 3 scopre le luci di scarico 53 permettendo l’efflusso di una certa quantità di vapore. Le luci equilibratrici di pressione 54 evitano qualsiasi tipo di compressione nella fase discendente del pistone 3 ed inoltre permettono lo scarico di vapore o condensa residui.

Nel momento in cui il pistone 3 arriva nel punto morto inferiore (figura 3) vengono diseccitati i solenoidi 38 così da interrompere la forza di attrazione verso i bilancieri 12 che vengono aperti con l’ausilio della forza di richiamo elastica esercitata della molla 24 sull’ancora 13 bloccata meccanicamente poi dall’elemento d’arresto 17. Le valvole di scarico 21 risultano adesso apertecosicché il vapore può effluire attraverso i condotti 81 di scarico al condensatore, mentre la valvola di ammissione 20 continua a rimanere chiusa.

A questo punto il pistone 3 ricomincia la sua fase di salita e può iniziare un altro ciclo di lavoro.

Per ciò che concerne la valvola di ammissione 20, il percussore 6 è realizzato in acciaio amagnetico in modo tale da non essere sottoposto all’azione magnetica del nucleo 33 ed evitare quindi che nella fase di ritorno del pistone 3 la sfera 8 possa essere trascinata dal percussore 6 stesso.

Il diametro della sfera 8 è di 20 mm, quindi con una pressione vapore nella camera di ammissione 9 di 10 Kg/cm , la forza che il percussore 6 deve esercitare sulla sfera 8 deve essere di almeno 32 Kg; è ovvio che questa forza deve essere fornita dal pistone 3.

La differenza di diametro tra il percussore 6 ed il relativo foro 22 nella testata 15 è minima per evitare il più possibile la pressurizzazione del cilindro 2 quando il pistone 3 non ha ancora terminato la fase di salita.

Il tubo 32 in acciaio serve a contenere la pressione, essendo il suo interno in comunicazione con la camera di ammissione 9, e nello stesso tempo permette al magnetismo del solenoide 37 di trasferirsi al nucleo 33.

La molla 16 ha la funzione di rilascio della sfera 8 dal nucleo 33 nel momento in cui viene diseccitato il solenoide 37.

Per evitare dispersioni di flusso magnetico la piastra di chiusura 28 è realizzata in acciaio amagnetico.

La vite 35, che come detto serve a regolare in altezza la posizione del nucleo 33, garantisce la massima efficienza di attrazione della sfera 8 ad opera del nucleo 33 stesso.

Per ciò che concerne le valvole di scarico 21, anche le sfere 7 hanno un diametro di 20 mm e ve ne sono due affinché l’efflusso di vapore sia bilanciato.

L’utilizzo delle aste 25 di azionamento è necessario in quanto, nella fase di energizzazione dei solenoidi 38 la forza elettromagnetica non è sufficiente ad attirare con la necessaria velocità l’elemento 40 sull’ancora 13, per questo si necessita di un’ulteriore azione meccanica e la si ha grazie alla spinta delle aste 25 azionate a loro volta dal moto del pistone 3.

Le valvole di scarico 21 possono essere utilizzate come valvole di sicurezza, regolabili semplicemente aumentando o diminuendo la corrente di eccitazione dei solenoidi 38. Inoltre nel caso di sovravelocità o di altre anomalie che necessitano l’arresto rapido del motore 1, è sufficiente diseccitare i solenoidi 37, 38 così da non rendere possibile la pressurizzazione del cilindro 2 e destinare all’arresto il motore 1.

Il solenoide 38 è fissato alla struttura del motore 1 tramite supporti regolabili non mostrati nelle figure, il che permette una regolazione del traferro 19.

La camera di isolamento termico 57 ha il compito di evitare che il vapore di scarico lambisca direttamente la parete del cilindro 2 evitando in tal modo la dissipazione del calore ed inoltre serve da guida all’asta 25.

L’apertura e la chiusura delle valvole 20 e 21 avviene ad opera di un circuito elettronico (figura 6) che comanda l’energizzazione dei corrispettivi solenoidi 37 e 38. A dettare i tempi di controllo è la struttura dell’albero motore 41 (figure 4, 5) alla quale è fissata l’asta di supporto 42 con i riscontri 74, 75, 76 che ruotando attivano di volta in volta rispettivamente i sensori di controllo 44, 65, 66 che invece sono fissi.

Si consideri un ciclo di lavoro (figura 4) partendo ancora una volta dall’istante in cui si è all’ 80% della fase di scarico, ovvero in prossimità del punto morto superiore. In questo istante il sensore 66 rileva il passaggio del relativo riscontro rotante 76 e si ha il settaggio delle memoria 51 e 61 (figura 6), le quali tramite i rispettivi mosfet 52, 77 e 78 provvedono ad energizzare i solenoidi 37 e 38 che operano l’apertura della valvola di ammissione 20 e la chiusura delle valvole di scarico 21.

Non appena il riscontro rotante 74 intercetta poi il sensore 44 si ha il resettamento della memoria 61 e la conseguente diseccitazione del solenoide 37 ad opera del mosfet 78 con la conseguente chiusura della valvola di ammissione 20.

Proseguendo nella rotazione, quando il riscontro rotante 75 intercetta il sensore 65 si ha il resettamento della memoria 51 e la conseguente diseccitazione dei solenoidi 38 provocando in tal modo l’apertura delle valvole di scarico 21.

Dopo di che, proseguendo nella rotazione, può cominciare un altro ciclo di lavoro. I sensori 44, 65 e 66 utilizzati vengono alimentati a 12V e forniscono due livelli di tensione d’uscita: 2V in assenza di riscontro mentre 8V in presenza riscontro.

I disaccoppiatori 49 hanno la funzione di presentarsi ai rispettivi sensori 44, 65, 66 con un’alta impedenza per non andare a caricare l’uscita segnale dei sensori 44, 65, 66 stessi.

I comparatori 50 hanno il set fissato a 5V in modo tale da avere certamente 0V in uscita con uscita sensore a 2V, e 12V in uscita con uscita sensore ad 8V, garantendo così immunità ai disturbi.

Spostando il sensore 44 per mezzo del servomotore 47 comandato elettricamente è possibile modificare il momento di chiusura della valvola di ammissione 20 e quindi il grado di ammissione stesso. È possibile effettuare questa operazione con il motore 1 in moto a qualsiasi regime di funzionamento ottenendo dunque eccellenti prestazioni.

Utilizzando la particolare struttura comprendente sfere 7, 8 e rispettivi fori 23, 22 per ciascuna delle valvole 21 e 20 la resistenza d’attrito viene eliminata poiché lo sfregamento meccanico è pressoché annullato e di conseguenza il motore 1 avrà una durata maggiore.

Il motore 1 con tale sistema di valvole si presta altresì a rendimenti termodinamici elevati in quanto è possibile alimentarlo con vapore altamente surriscaldato al limite della temperatura di Curie, valore a cui si ha l’annullamento del campo magnetico, quindi si può arrivare fino a 600°C (provvedendo ad una schermatura termica del solenoide 37).

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore a vapore (1) comprendente almeno un cilindro (2) provvisto di pistone (3), almeno una valvola di ammissione (20) del vapore in detto cilindro (2) ed almeno una valvola di scarico (21) del vapore da detto cilindro (2), caratterizzato dal fatto che dette valvole di ammissione (20) e di scarico (21) sono dotate di controllo elettromagnetico per mezzo di un circuito elettronico (80).
2. 2. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che dette valvole (20, 21) sono comandate attraverso l’eccitazione di solenoidi (37, 38) da parte di sensori fissi (44, 65, 66) che rilevano il passaggio di rispettivi riscontri rotanti (74, 75, 76) fissati per mezzo di viti (46) ad un supporto (42) solidale con un albero motore (41).
3. 3. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti sensori (44, 65, 66) sono collegati tramite disaccoppiatori di impedenza (49) a rispettivi comparatori (50) che pilotano mosfet (52, 77, 78) che fungono da interruttori per l’energizzazione dei solenoidi (37, 38), essendo prevista una prima memoria (51) per la memorizzazione dello stato di almeno un mosfet (52, 77) di controllo di almeno una valvola di scarico (21), e una seconda memoria (61) per la memorizzazione dello stato di almeno un mosfet (78) di controllo di almeno una valvola di ammissione (20).
4. 4. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detta valvola di ammissione (20) comprende un foro (22) ed una sfera (8) poggiata ad una molla (16), mobile attraverso un cilindro guida (10) all’interno di una camera di ammissione (9) per azione elettromagnetica di un solenoide (37) con nucleo ferromagnetico (33), e per azione meccanica di un percussore di spinta (6) posto sul pistone (3).
5. 5. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 1 o 4, caratterizzato dal fatto che detta valvola di scarico (21) comprende un foro (23) ed una sfera (7) posta in prossimità di un’ancora (13) di un bilanciere (12) mobile per mezzo di un fulcro (14) tra una posizione di valvola (21) aperta, nella quale detta ancora (13) è richiamata da una molla (24) e contrastata meccanicamente da un elemento d’arresto (17), ed una posizione a valvola (21) chiusa, nella quale un solenoide (38) agisce elettromagneticamente con un nucleo ferromagnetico (39) su un elemento ferromagnetico (40) posto sull’ancora (13).
6. 6. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che in detta valvola di scarico (21) è prevista un’asta (25) azionata da un riscontro solidale all’asta (4), provvista di un supporto (26) ed una molla (27) di rilascio.
7. 7. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto nucleo ferromagnetico (33) prevede una vite (35) di regolazione del posizionamento ed è altresì alloggiato all’ interno di un tubo (32) di tenuta.
8. 8. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta asta (25) scorre all’intemo di una camera di isolamento termico (57) provvista di guida meccanica (36) e serrata alla testata per mezzo di viti (30).
9. 9. Motore a vapore (1) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detto cilindro guida (10) è provvisto di luci equilibratrici di pressione (11).