CH696297A5 - Sistema di propulsione a fiamma fredda. - Google Patents

Description

  [0001] La presente invenzione riguarda il settore degli autoveicoli in genere, e più in particolare quelli fra essi che utilizzano delle unità (generatori lineari e/o motori ad albero a gomito) nelle quali la combustione del carburante avviene secondo le modalità del procedimento, ideato dallo stesso inventore e descritto nella domanda di brevetto PCT/IB97/01362, che consente di ridurre la produzione di elementi inquinanti (UHC, CO, NOx) mantenendo la fiamma a temperature convenientemente basse e facendo avvenire la parte terminale della combustione in presenza di una quantità di aria notevolmente superiore al necessario quantitativo stechiometrico.

[0002] Per le ragioni sopraesposte, le unità a combustione interna che impiegano tale procedimento vengono definite "a fiamma fredda",

   e tale definizione verrà pertanto utilizzata anche nel prosieguo della presente descrizione.

[0003] Come è noto, il procedimento suddetto è basato sull'azione dinamica che l'espansione dell'aria contenuta nella parte posteriore di una precamera esercita sul fronte di fiamma generato dalla combustione, e l'intensità di tale azione, ovvero la velocità di arretramento del fronte di fiamma verso l'uscita della precamera, dipende dal volume della menzionata parte che contiene aria e dalla curva della velocità di arretramento del pistone o dei pistoni durante il periodo di tempo in cui avviene la combustione.

   Come conseguenza si ha che la velocità di arretramento del pistone non può variare oltre certi limiti senza provocare un arretramento del fronte di fiamma o troppo veloce, con una sua fuoriuscita dalla precamera e l'immissione di miscela ancora incombusta nel cilindro, o troppo lento, con un avanzamento eccessivo del fronte di fiamma medesimo verso la parte posteriore della precamera, e la dispersione della miscela ancora incombusta nell'aria ivi contenuta, che deve invece rimanere "pulita" perché il procedimento dia i risultati desiderati.

[0004] La potenza generata da un'unità a fiamma fredda può venire pertanto regolata solo entro ristretti limiti mediante la variazione del numero di cicli di funzionamento nell'unità di tempo, con velocità che, aumentando da un valore minimo fino ad un valore circa 1,5 volte superiore,

   comportano un corrispondente aumento della potenza (il rendimento rimanendo pressoché invariato) dal suo valore minimo a quello massimo insufficiente per coprire il campo di valori necessario ad un'unità a combustione interna ai fini di trazione meccanica.

[0005] Data la bassa energia per ciclo sviluppata in un'unità con combustione a fiamma fredda, non si può neppure ridurre oltre certi limiti la quantità di carburante bruciato in un ciclo senza comportare degli effetti negativi non ammissibili sia sul rendimento globale, sia sulle temperature all'interno del cilindro, che possono diventare eccessivamente basse comportando la produzione di ossido di carbonio (CO) e di idrocarburi incombusti (UHC).

[0006] Questo insieme di fattori comportano la difficoltà di utilizzare per potenze medie o medio-alte un'unità con combustione a fiamma fredda,

   agendo sul numero dei cicli e sulla variazione del carico potendosi solo variare il valore della potenza fra un valore minimo ed un valore 4 / 6 volte maggiore.

[0007] L'inventore del presente trovato ha pensato che, per evitare tutti i problemi descritti prima, occorre frazionare la potenza che si deve generare, ripartendola fra più unità con combustione a fiamma fredda fra loro associate in modo da formare un idoneo sistema di propulsione per un autoveicolo.

[0008] Per la gestione di un autoveicolo necessariamente si deve generare, oltre all'energia meccanica di trazione, anche una quota di energia elettrica per lo svolgimento di servizi necessari quali l'iniezione del carburante, la sua accensione,

   l'illuminazione e per servizi accessori di vario tipo.

[0009] L'inventore ha pertanto valutato che i problemi di cui sopra si possono evitare dotando un autoveicolo di uno o più generatori di corrente a fiamma fredda (del tipo descritto nella domanda PCT/EP95/02 054 dello stesso inventore) che producano sotto forma di energia elettrica una appropriata frazione della potenza totale necessaria ad un autoveicolo, tale energia coprendo il fabbisogno elettrico ed alimentando inoltre uno o più motori elettrici destinati alla trazione, nonché di un motore a fiamma fredda ad albero a gomiti che produca energia meccanica con una potenza che varia da un valore minimo, sostanzialmente coincidente con il valore massimo della potenza emessa dal/dai generatore/i,

   ed un valore massimo 4 / 5 volte maggiore.

[0010] Con un tale sistema di propulsione è possibile muovere un autoveicolo dapprima con la sola potenza prodotta dai generatori a fini di trazione, poi con il solo motore ad albero a gomiti con potenze crescenti entro la frazione (maggiore) di potenza da esso generato, aggiungendo nuovamente poi in un'ultima fase la potenza prodotta dai generatori, che vengono di nuovo gradualmente azionati fino al massimo della loro potenza.

[0011] Il generatore, o uno dei generatori, deve comunque sempre continuare a funzionare a regimi appropriati onde produrre l'energia elettrica necessaria all'autoveicolo nel suo insieme.

[0012] Utilizzando questo sistema di propulsione, come si vedrà meglio in seguito, si possono conseguire dei risultati di rendimento e di consumo specifico straordinariamente vantaggiosi,

   in modo ancora più sensibile durante i percorsi cittadini, per i quali la potenza totale necessaria è limitata a pochi Kw, producendo oltretutto un inquinamento ambientale trascurabile.

[0013] Ciò è dovuto al fatto che ciascuna unità viene sempre impiegata, singolarmente o in combinazione con le altre, ad un regime di potenza corrispondente ad un rendimento di valore ottimale.

[0014] Verrà ora descritto un esempio realizzativo di un sistema di propulsione secondo l'invenzione, con l'indicazione di alcuni valori numerici che metteranno in evidenza l'importanza dei risultati raggiunti.

[0015] Nell'eseguire la detta descrizione si farà anche riferimento alle figure allegate, che rappresentano:
<tb>1. nella fig. 1<sep>lo schema a blocchi di un esempio realizzativo del sistema di propulsione dell'invenzione applicato su di un autoveicolo con quattro ruote;


  <tb>2. nella fig. 2<sep>un diagramma che evidenzia le curve dei rendimenti globali di una singola unità a fiamma fredda e di un'unità a combustione interna di tipo convenzionale al crescere della potenza percentuale utilizzata;


  <tb>3. nella fig. 3<sep>un diagramma che mostra le curve dei rendimenti globali di un sistema di propulsione a fiamma fredda secondo l'invenzione e di un sistema di propulsione di tipo tradizionale in funzione della potenza utilizzata.

[0016] Nel caso particolare qui descritto si è assunta che la potenza massima del sistema di propulsione sia 50 CV.

[0017] Se si utilizzasse una sola unità a fiamma fredda per generare tale potenza, si otterrebbe un andamento dei rendimenti come indicato dalla curva Y posta più in alto nel diagramma della fig. 2, con un valore del rendimento globale che varia da ca.

   0,186 ad una potenza di 10 CV fino a 0,419 alla potenza massima di 50 CV.

[0018] I rendimenti risulterebbero notevolmente superiori ad ogni regime rispetto a quelli, indicati dalla curva Y<1> di un propulsore di tipo convenzionale, ma la potenza minima utilizzabile con un buon rendimento sarebbe di 10 CV, ossia avrebbe un valore troppo elevato per poter iniziare senza strappi il moto di un autoveicolo.

[0019] Un'unità a fiamma fredda di questa potenza, specie nel caso di generatori lineari, avrebbe inoltre un ingombro eccessivo.

[0020] Se si utilizza il sistema di propulsione dell'invenzione, indicato con il numero di riferimento 10 nella fig. 1, si può invece ottenere la curva dei rendimenti K della fig.

   3, con dei valori sempre superiori a qualsiasi regime rispetto a quelli, indicati dalla curva K<1> nella stessa figura, di un propulsore tradizionale, e migliori in modo inusualmente notevole rispetto a quest'ultimi, nell'arco di potenza compreso fra 1 e 10 CV normalmente utilizzato nell'uso cittadino di un autoveicolo.

[0021] I tratti orizzontali W, W<1> indicanti il rendimento medio entro tale arco di potenza dei due sistemi di propulsione mostrano (fra parentesi sono indicati gli aumenti percentuali del rendimento) che il sistema secondo l'invenzione ha un rendimento medio uguale a 2,34 volte quello di un sistema di tipo convenzionale.

   Ciò significa, in altre parole, che un auto con propulsore tradizionale che percorre in città in media 10 km con un litro di carburante ne può percorrere ben 23,4 impiegando il sistema di propulsione della presente invenzione.

[0022] Anche nell'arco di potenza compreso fra 10 e 28 CV, destinato all'uso misto strada-città, il rendimento medio di un sistema di propulsione a fiamma fredda secondo l'invenzione (indicato dalla linea Z) è 1,72 volte maggiore di quello (indicato dalla linea Z<1>) di un sistema di propulsione tradizionale.

[0023] Infine, globalmente, il rendimento medio nell'arco di potenza 1-50 CV (indicato dalla linea X a tratti e punti) risulta 1,82 volte maggiore di quello (analoga linea X<1>) di un propulsore di tipo convenzionale, con il risultato di aumentare 1,

  82 volte la percorrenza media in chilometri per litro di carburante.

[0024] Questo risultato è ottenuto utilizzando ciascuna unità a fiamma fredda entro un campo di rendimenti ottimale, nel quale il rendimento passa da ca. 0,186 a minima potenza a 0,419 a potenza massima, e combinando l'azione di più unità in modo da generare la potenza necessaria in tutte le condizioni d'uso.

[0025] Secondo una soluzione preferita dall'inventore, il sistema di propulsione 10 dell'invenzione, rappresentato schematicamente nella fig.

   1, è composto da due generatori 1, 2 lineari a fiamma fredda, azionabili separatamente od in coppia, associati ad un motore 3 a fiamma fredda a 2 tempi con albero a gomiti.

[0026] I detti generatori 1, 2, che funzionano comunque in modo da produrre tutta l'energia elettrica necessaria al veicolo, alimentano con la loro potenza residua uno o più motori elettrici 4i, collegati meccanicamente all'asse di una o più coppie 8, 9 di ruote motrici.

[0027] Nella fig.

   1 sono disegnati anche due motori elettrici 4i collegati all'asse delle ruote posteriori, ma anche la soluzione di applicare solo un motore elettrico sull'albero di uscita del motore 3 ad albero a gomiti può venire adottata senza problemi, a seconda delle caratteristiche (a due o a quattro ruote motrici) e delle prestazioni che si vogliono conferire ad un autoveicolo.

[0028] Per quanto riguarda la gestione delle varie unità 1, 2, 3 componenti un sistema di propulsione 10 secondo l'invenzione ne verrà ora descritto un esempio, facendo riferimento anche a quanto rappresentato nella fig. 3.

[0029] Per i motivi già illustrati in precedenza, in un'unità a fiamma fredda, per conseguire un rendimento globale compreso fra 0,186 e 0,419, si può variare la frequenza dei cicli di ca. il 40 / 50%, ad esempio fra 1400 giri/min.

   a 2000 giri/min., e la quantità di miscela combusta fra un valore minimo ed un valore ca. doppio rispetto ad esso.

[0030] A causa della diminuzione del rendimento con quantitativi descrescenti di miscela (cioè con la riduzione del carico), di conseguenza, sommando fra loro gli effetti delle due variazioni, si ottiene una potenza in uscita per una singola unità compresa fra il 20% ed il 100% della potenza massima.

[0031] Nel caso preso in esame, i due detti generatori 1, 2, di tipo lineare sviluppano ciascuno una potenza compresa fra 1 CV e 5 CV.

[0032] L'inizio del moto dell'autoveicolo lo si effettua pertanto mediante un solo generatore (settore A di fig.

   3), che opera a velocità pressoché costante con un carico che cresce da un valore minimo iniziale ad un valore doppio, e con una potenza sviluppata compresa come detto fra 1 e 5 CV.

[0033] Volendo aumentare la potenza si aziona anche il secondo generatore a metà della sua potenza massima e diminuendo al contempo della metà la potenza generata dal primo generatore, in modo da non causare salti di potenza durante tale passaggio.

   I due generatori, aumentando il loro carico fino al valore massimo, producono quindi insieme una potenza complessiva che varia fra 5 e 10 CV (settore B).

[0034] Volendo ancora aumentare la potenza, si aziona a potenza minima (10 CV) al 65% del carico, il motore a pistoni, escludendo dalla trazione i due generatori (dei quali uno continua ad operare ad un regime adatto per fornire corrente elettrica al sistema ed all'autoveicolo in generale).

[0035] Poiché la potenza nomina del motore a pistoni è sostanzialmente identica a quella massima complessiva dei due generatori, non si verifica nessun salto di potenza, ed è possibile aumentare la sua potenza (settore C) da 10 a 28 CV agendo sulla quantità di carburante con sempre la stessa frequenza di funzionamento (ad esempio 1400 giri/min.).

[0036] Per aumentare ulteriormente la potenza (settore D)

   si può a questo punto aumentare la velocità di funzionamento del motore da 1400 a 2000 giri senza modificare il carico, che rimane costantemente al suo valore massimo, facendo salire la potenza da 28 a 40 CV.

[0037] Per aumentare ancora la potenza si possono poi nuovamente inserire in successione (settori E, F) i due generatori che, aggiungendo le loro frazioni di potenza a quella massima del motore, portano la potenza sviluppata al suo valore massimo di 50 CV.

[0038] Per diminuire la potenza, ovviamente, basta eseguire le stesse operazioni fin qui descritte in modo e con sequenza speculari.

[0039] Il procedimento esposto sopra non è l'unico possibile,

   potendosi agire anche in modi diversi e/o secondo sequenze diverse sulle variabili carico/velocità di funzionamento delle diverse unità del sistema.

[0040] Attingendo limitate quantità di energia da un volano che può essere costituito da batterie, sistemi di condensatori ecc. si può ulteriormente migliorare la curva dei rendimenti "smussando" gli angoli di raccordo fra i settori A, B e C come indicato dalle linee tratteggiate O, U.

[0041] Al fine di ottenere una regolazione opportuna e continua della coppia o delle coppie motrici con il variare della velocità di un autoveicolo è preferibile prevedere l'inserimento di un cambio automatico (5 fig.

   1) fra le unità preposte alla trazione, o parte di esse, e le ruote motrici.

[0042] Si noti che i rendimenti globali del sistema di propulsione 10 in questione indicati nella descrizione e nelle figure vengono ottenuti con ciascuna unità a fiamma fredda 1, 2, 3 operante con un rapporto di compressione 8,8 / 1. Aumentando entro certi limiti opportuni tale rapporto si possono conseguire dei rendimenti ancora più elevati.

Claims (4)

1. Sistema di propulsione (10) per un autoveicolo, atto a generare anche l'energia elettrica necessaria all'autoveicolo stesso, caratterizzato dal fatto di comprendere: a) uno o più generatori (1, 2) a fiamma fredda di corrente atti a produrre sotto forma di energia elettrica una frazione della potenza totale necessaria all'autoveicolo, tale frazione di potenza comprendendo anche il fabbisogno elettrico dell'autoveicolo stesso, e la potenza rimanente venendo inviata ad uno o più motori elettrici (4i) usati ai fini della trazione; b) un motore (3) a fiamma fredda ad albero a gomiti atto a produrre una potenza meccanica per la trazione variabile da un valore minimo, sostanzialmente coincidente con il valore massimo della potenza generata ai fini di trazione dai detti uno o più generatori (1, 2), ad un valore massimo ca. 4 a 5 volte maggiore.

2. Sistema di propulsione (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal comprendere - uno o più generatori (1, 2) a fiamma fredda di corrente sviluppanti in tutto una potenza pari a ca. 1/6 a 1/5 della potenza totale del sistema di propulsione; - un motore (3) a combustione interna a fiamma fredda a due tempi atto a generare energia meccanica per una potenza che può variare da circa 1/6 a 1/5 a circa 5/6 a 4/5 della potenza totale del sistema di propulsione; - uno o più motori elettrici (4i) collegati ad una o più coppie di ruote motrice (A, B) dell'autoveicolo ed alimentati dai detti generatori (1, 2).

3. Sistema di propulsione secondo una delle rivendicazioni precedenti, nel quale i detti generatori (1, 2) di corrente sono in numero di due, ciascuno di essi generando quindi una potenza pari a ca. 1/12 a 1/10 della potenza totale del sistema di propulsione.

4. Sistema di propulsione secondo una delle rivendicazioni precedenti, integrato da un cambio automatico (5) interposto fra il sistema di propulsione stesso ed una o più coppie di ruote motrici.