IT201800010216A1 - Sistema di controllo di spillamento per un serbatoio di carburante - Google Patents

Sistema di controllo di spillamento per un serbatoio di carburante Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SISTEMA DI SPILLAMENTO PER UN SERBATOIO DI CARBURANTE”
CAMPO TECNICO
La presente invenzione riguarda un serbatoio di carburante, in particolare un sistema di controllo per controllare lo spillamento di carburante da un serbatoio di carburante in un veicolo a gas, in particolare per un serbatoio a gas naturale liquido.
BACKGROUND DELL’INVENZIONE
I veicoli a gas utilizzano un gas per alimentare il motore di combustione interna in modo da produrre potenza meccanica per l’uso del veicolo; un gas noto che è utilizzato in veicoli a gas è il gas naturale liquido (GNL), ad esempio metano, che è solitamente immagazzinato in un serbatoio in fase liquida.
All’interno di tale serbatoio è immagazzinato GNL sia in fase liquida, in una porzione inferiore del serbatoio, sia in una fase gassosa, sopra la fase liquida. Tale fase gassosa è generata mediante il fenomeno di ebollizione del gas in fase liquida. Infatti, per via di un ponte termico che è realizzato tra l’ambiente esterno e il gas liquido attraverso le pareti del serbatoio, il gas in fase liquida, che è a temperatura bassissima, tende a bollire e a generare tale gas in fase gassosa che è in equilibrio dinamico con il gas in fase liquida.
Il gas in fase gassosa per via dell’ebollizione aumenta la pressione all’interno del serbatoio e il gas in fase gassosa è utilizzato direttamente dal motore senza passare attraverso un evaporatore, ovvero un dispositivo configurato per consentire un cambiamento di fase da liquido a gassoso del gas liquido.
Lo spillamento di gas in fase gassosa è consentito fino a una soglia di pressione predefinita, infatti lo spillamento di gas in fase gassosa fa diminuire velocemente la pressione all’interno del serbatoio, poiché un grande volume di gas è richiesto per alimentare il motore. Sotto la soglia di pressione sopra menzionata il gas in fase liquida è spillato e la pressione nel serbatoio è mantenuta sostanzialmente costante poiché un ridotto volume di gas liquido è richiesto per alimentare il motore.
Al fine di ottenere il controllo sopra menzionato di spillamento di gas dal serbatoio, si utilizza un sistema di controllo comprendente due linee di carburante separate e una coppia di valvole di controllo. In particolare, una prima linea di carburante collega a livello di fluido il gas in fase gassosa all’interno del serbatoio con il motore del veicolo e una seconda linea di carburante collega a livello di fluido il gas in fase liquida all’interno del serbatoio a un evaporatore e quindi al motore del veicolo.
Una valvola di troppopieno è interposta a livello di fluido nella prima linea e consente il passaggio di un gas in fase gassosa soltanto al di sopra della soglia di pressione predefinita e una valvola di ritegno non consente il passaggio di gas in fase liquida quando è consentito al gas in fase gassosa di scorrere verso il motore; viceversa, quando la pressione del gas è inferiore alla pressione predefinita, la valvola di troppopieno non consente il passaggio di gas dal serbatoio al motore e pertanto il gas liquido può scorrere verso l’evaporatore e quindi verso il motore.
Tuttavia, la valvola di troppopieno funziona in un’area criogenica e pertanto è molto costosa o richiede un sistema di riscaldamento apposito per evitare il suo congelamento. Inoltre, tale valvola di troppopieno è difficilmente regolabile e la soglia di pressione impostata non può essere mantenuta stabile durante usi continui della valvola di troppopieno. Inoltre, è abbastanza comune che la valvola di troppopieno si guasti, impedendo pertanto l’uso del serbatoio di carburante.
Pertanto, si avverte la necessità di fornire un sistema di controllo di spillamento di gas liquido contenuto in un serbatoio idoneo che possa far fronte allo svantaggio sopra menzionato dei sistemi noti.
L’intento della presente invenzione è di soddisfare le necessità sopra menzionate in un modo ottimizzato e conveniente.
RIEPILOGO DELL’INVENZIONE
Lo scopo sopra menzionato è raggiunto da un serbatoio comprendente un sistema di controllo di spillamento e un metodo di controllo di spillamento correlato come rivendicato nel gruppo di rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Per una migliore comprensione della presente invenzione, nel seguito è descritta una forma di realizzazione preferita, a titolo di esempio non limitativo, con riferimento al disegno allegato in cui l’unica figura è una vista laterale in sezione schematica di un serbatoio comprendente un sistema di controllo di spillamento per spillare il gas contenuto in un serbatoio secondo l’invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
La figura 1 descrive un serbatoio 1 di tipologia nota per immagazzinare gas GNL per alimentare un motore a gas di un veicolo (non mostrato). Tale veicolo può comprendere inoltre un evaporatore o uno scambiatore di calore simile (non mostrato) per consentire il passaggio di fase da liquida a gassosa di un gas in fase liquida contenuto nel serbatoio 1 o per aumentare ulteriormente la temperatura del gas in fase gassosa per alimentare in modo idoneo il motore a gas.
Il serbatoio 1 può comprendere pertanto una parete interna 2 che definisce un volume interno chiuso 3 in cui è immagazzinato GNL e una parete esterna 4 che alloggia e racchiude la parete interna 2 e che definisce con quest’ultima un volume intermedio 5. In particolare, come è noto, un volume intermedio 5 è mantenuto a un basso valore di pressione noto in modo da ridurre lo scambio termico tra il volume interno 3 e l’ambiente esterno fuori dalla parete esterna 4.
Il GNL nel volume interno 3 comprende un gas in fase liquida 6 che è posizionato in una porzione di fondo del volume interno 3 e un gas in fase gassosa 7 che è posizionato in una porzione superiore del volume interno 3 sopra la fase liquida 6. Come già affermato sopra, il gas in fase gassosa 7 è in equilibrio dinamico con il gas in fase liquida 6 ed è generato mediante ebollizione del gas in fase liquida 6, il quale è a basse temperature, ad esempio comprese tra -112 e -127°C, preferibilmente -125°C, per via dell’energia termica che passa attraverso le pareti esterna e interna 2, 4 e il volume 5.
Il serbatoio 1 comprende inoltre una coppia di condotti 8, 9 configurati per consentire lo spillamento di gas rispettivamente in fase liquida e gassosa 6, 7 dal volume interno 3. In particolare, un primo condotto 8 collega a livello di fluido una porzione di fondo del volume interno 3, ovvero la porzione contenente gas in fase liquida 6, con il motore a gas/evaporatore e un secondo condotto 9 collega a livello di fluido una porzione superiore del volume interno 3, ovvero una porzione contenente il gas in fase gassosa 7, con il motore a gas/evaporatore.
Secondo l’invenzione, un sistema di controllo di spillamento 10 per serbatoio 1 è interposto a livello di fluido sui condotti 8 e 9 a valle rispetto al serbatoio 1 e a monte rispetto al motore a gas/evaporatore del veicolo. Il sistema di controllo 10 è configurato per rilevare un valore di pressione di gas in fase gassosa 7 e consentire il passaggio, in alternativa, di gas in fase gassosa 7 attraverso un condotto 8 o gas in fase liquida 6 attraverso un condotto 9 dal serbatoio 1 al motore/evaporatore attraverso un condotto di alimentazione comune 13.
Secondo la forma di realizzazione esemplificativa mostrata nella figura 1, il sistema di controllo 10 comprende mezzi sensore 11 configurati per rilevare un valore di una quantità fisica correlata alla pressione del gas in fase gassosa 7 e mezzi valvola 12 configurati per consentire in alternativa il passaggio sopra menzionato dal serbatoio 1 al motore/evaporatore di gas in fase gassosa 7 o gas in fase liquida 6 in base al valore della quantità fisica rilevata dai mezzi sensore 11.
In particolare, i mezzi sensore 11 comprendono un sensore di pressione elettrico noto 14 che può essere posizionato almeno o sul condotto di alimentazione comune 13 a valle rispetto ai mezzi valvola 12, all’interno del volume 3, o sul secondo condotto 9 a monte rispetto ai mezzi valvola 12. Nella forma di realizzazione descritta, il sensore di pressione 14 è posizionato sul condotto di alimentazione comune a valle rispetto ai mezzi valvola 12.
I mezzi valvola 12 possono comprendere una prima e una seconda valvola di accensione/spegnimento a due vie - due posizioni 15, 15’ rispettivamente interposte sul primo e sul secondo condotto 8, 9. In particolare, la prima e la seconda valvola 15, 15’ e 1 possono essere attivate meccanicamente grazie ai rispettivi motorini 16, 16’ configurati per impartire uno spostamento alla bobina delle valvole 15, 15’ in modo che possano consentire o meno il passaggio di fluido dal rispettivo condotto 8, 9 al condotto di alimentazione comune 13. Le valvole 15, 15’ possono essere opzionalmente riscaldate, per impedire qualsiasi ostruzione per congelamento, ad esempio elettricamente o utilizzando l’acqua di raffreddamento del motore.
Secondo la configurazione descritta sopra, il sistema di controllo 10 comprende inoltre un’unità di controllo elettronico 17 collegata elettricamente, ad esempio attraverso filo o in modo elettromagnetico, a mezzi sensore 11 e ai motorini 16, 16’ e comprendente mezzi di elaborazione configurati per ricevere dati correlati alla pressione del gas in fase gassosa 7, elaborare quest’ultima e confrontarla con il valore soglia di pressione predefinito e controllare i motorini 16, 16’ per consentire il passaggio di, in alternativa, gas in fase gassosa o liquida dal condotto 8 o 9 all’interno del condotto di alimentazione 13.
Il valore soglia di pressione può essere impostato in modo diverso per ciascuna tipologia di veicoli a motore; in particolare, l’unità di controllo 17 può memorizzare una mappa di controllo comprendente valori soglia di pressione memorizzati variabili che possono essere ottimizzati secondo la tipologia del motore a gas.
L’unità di controllo elettronico 17 può essere collegata elettricamente in modo vantaggioso al motore/evaporatore del veicolo e tale valore di pressione può essere impostato direttamente dall’unità di controllo motore/evaporatore secondo la richiesta del motore. Preferibilmente, tale unità di controllo elettronico 17 è l’ECU del veicolo.
Il funzionamento del serbatoio 1 comprendente un sistema di controllo 10 secondo l’invenzione è il seguente.
In una prima condizione di non lavoro operativa come mostrato nella figura 1, l’unità elettronica 17 controlla i motorini 16, 16’ in modo che entrambe le valvole siano in una prima posizione chiusa e quindi nessun gas in fase gassosa o liquida possa scorrere dal serbatoio 1 al motore/evaporatore del veicolo. In particolare, quando il motore è spento, un elemento elastico, quale una molla, può essere anche previsto per impedire l’apertura di tali valvole.
Quando il motore/evaporatore richiede gas, l’unità di controllo elettronico 17 controlla il motore 16’ in modo che la valvola 15’ consenta il passaggio di gas in fase gassosa 7 e consenta al gas di scorrere attraverso il condotto 9 verso il condotto di alimentazione comune 13. Pertanto, il sensore di pressione 14 può misurare il valore di pressione di tale gas in fase gassosa 7, tale dato è acquisito da un’unità di controllo elettronico 17. Quest’ultima confronterà tale valore acquisito con il valore soglia di pressione e se tale valore è maggiore, il flusso di gas in fase gassosa 7 continua; altrimenti, o in modo analogo, poiché il sensore di pressione 14 rileva continuamente e immediatamente il valore di pressione quando detto valore acquisito diminuisce al di sotto del valore soglia di pressione, l’unità di controllo elettronico controllerà il motorino 16’ in modo che la valvola 15’ cambi la sua posizione e impedisca il passaggio di gas in fase gassosa 7 e il motorino 16 in modo che la valvola 15 cambi posizione e consenta il passaggio di gas in fase liquida 7 affinché scorra attraverso il condotto 8 verso il condotto di alimentazione comune 13.
L’invenzione è inoltre relativa a un metodo per controllare lo spillamento di GNL da un serbatoio 1 per alimentare un motore a gas in un veicolo a gas come descritto sopra e comprendente le seguenti fasi:
- acquisire un valore di quantità fisica correlato alla pressione del gas in fase gassosa 7;
- confrontare il valore sopra menzionato con un valore soglia; e
- controllare lo stato di apertura dei mezzi valvola 12 in modo da consentire il flusso di GNL o dal primo condotto 8 o in alternativa dal secondo condotto 9 al condotto di alimentazione 13.
Come affermato sopra, la quantità fisica può essere direttamente la pressione del gas in fase gassosa 7. Il valore soglia può essere predeterminato, fisso o variabile.
L’unità di controllo elettronico 17 può essere configurata per eseguire il metodo sopra menzionato in modo automatico grazie ai suoi mezzi di elaborazione, che includono preferibilmente mezzi di memorizzazione.
Alla luce di quanto precede, i vantaggi di un serbatoio 1 comprendente un sistema di controllo di spillamento 10 secondo l’invenzione sono evidenti.
Innanzitutto, la soluzione proposta consente di mantenere costante la soglia di pressione impostata durante i funzionamenti continui dello spillamento di gas dal serbatoio 1; inoltre, tale soglia di pressione può essere regolata facilmente grazie all’unità elettronica 17 e può essere variabile secondo l’implementazione di una mappa di controllo a seconda della tipologia del motore a gas.
L’attivazione delle valvole 15, 15’ attraverso i motorini 16, 16’ secondo il controllo dell’unità elettronica 17 è veloce e precisa.
Inoltre, le valvole proposte sono più economiche rispetto alle valvole di troppopieno e hanno una migliore durata e un controllo più semplice.
In aggiunta, poiché la pressione è controllata continuamente dai mezzi sensore 11, tale valore può essere letto dal veicolo di un utilizzatore, ad esempio utilizzando mezzi di visualizzazione noti e la soglia di pressione può essere regolata di conseguenza durante la guida dell’utilizzatore, se necessario.
Inoltre, nella condizione di non lavoro del veicolo, ad esempio a motore spento, tutte le valvole sono chiuse e non possono, neanche accidentalmente, consentire il passaggio di gas. È evidente che possono essere apportate modifiche al serbatoio descritto 1, comprendente un sistema di controllo di spillamento 10, che non si allontanano dall’ambito della protezione definito dalle rivendicazioni.
Ad esempio, i mezzi sensore 11 possono comprendere un sensore meccanico che può controllare i mezzi valvola 12 in modo diverso.
Inoltre, i mezzi valvola 12 possono comprendere una diversa tipologia di valvole 15, 15’ o anche una singola valvola a quattro vie - due posizioni o altra tipologia di valvole, quali valvole proporzionali di accensione/spegnimento. Come affermato, il loro controllo può essere direttamente elettrico o realizzato, ad esempio in modo idraulico o pneumatico.
Ovviamente, il serbatoio 1 può essere realizzato secondo qualsiasi tipo, forma e comprendente qualsiasi numero di pareti interposte tra l’ambiente esterno e un volume chiuso contenente gas GNL.

Claims (13)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Serbatoio (1) che definisce un volume chiuso (3) configurato per alloggiare un gas naturale liquido, GNL, detto GNL definendo in detto volume chiuso (3) un gas in fase liquida (6) e un gas in fase gassosa (7) sopra detto gas in fase liquida (6), detto serbatoio (1) comprendendo inoltre un primo condotto (8) configurato per collegare a livello di fluido detto gas in fase liquida (6) con un condotto di alimentazione (13), e un secondo condotto (9) configurato per collegare a livello di fluido detto gas in fase gassosa (7) con detto condotto di alimentazione (13), quest’ultimo essendo esterno rispetto a detto serbatoio (1) e collegando a livello di fluido detti condotti (8, 9) a un motore a gas/evaporatore di un veicolo, detto serbatoio (1) comprendendo inoltre un sistema di controllo di spillamento (10) comprendente mezzi sensore (11) e mezzi valvola (12), detti mezzi sensore (11) essendo configurati per rilevare un valore fisico correlato alla pressione di detto gas in fase gassosa (7) e detti mezzi valvola (13) essendo interposti a livello di fluido tra detti condotti (8, 9) e detto condotto di alimentazione (13) ed essendo configurati per consentire il flusso di detto GNL o da detto primo condotto (8) o in alternativa da detto secondo condotto (9) a detto condotto di alimentazione (13) secondo il valore di detto valore fisico acquisito da detti mezzi di pressione (11).
  2. 2. Serbatoio secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi sensore (11) comprendono un sensore di pressione (14).
  3. 3. Serbatoio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detti mezzi valvola (12) comprendono una prima valvola (15) interposta a livello di fluido sul primo condotto (8) e una seconda valvola (15’) interposta a livello di fluido sul secondo condotto (9), dette valvole (15, 15’) essendo valvole a due vie-due posizioni.
  4. 4. Serbatoio secondo la rivendicazione 3, in cui dette valvole (15, 15’) sono valvole di accensione/spegnimento.
  5. 5. Serbatoio secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui dette valvole (15, 15’) sono valvole attivate meccanicamente.
  6. 6. Serbatoio secondo la rivendicazione 5, in cui detta attivazione meccanica è fornita da un motorino elettrico (16, 16’).
  7. 7. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre un’unità di controllo elettronico (17), quest’ultima essendo collegata elettricamente ad almeno detti mezzi sensore e detti mezzi valvola (12), detta unità di controllo (17) comprendendo mezzi di elaborazione configurati per acquisire detto valore fisico acquisito da detti mezzi sensore (11), confrontare detto valore con un valore soglia predeterminato e controllare detti mezzi valvola (12) secondo il confronto sopra menzionato.
  8. 8. Serbatoio secondo la rivendicazione 7 quando dipendente dalla rivendicazione 6, in cui detta unità di controllo elettrico (17) è collegata elettricamente a detto motorino elettrico (16, 16’), detta unità di controllo (17) controllando lo spostamento di detta valvola (15, 15’) attraverso detti motorini elettrici (16, 16’).
  9. 9. Serbatoio secondo le rivendicazioni 7 o 8, in cui detto valore soglia è impostato da detta unità di controllo elettronico (17).
  10. 10. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, in cui detto valore soglia è variabile secondo una mappa di controllo prestabilita memorizzata in detta unità di controllo elettronico.
  11. 11. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 10, in cui detta unità di controllo (17) è l’ECU di detto veicolo.
  12. 12. Veicolo a gas comprendente un motore a gas e un serbatoio (1) configurato per contenere il gas naturale liquido, GNL per alimentare detto motore a gas secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  13. 13. Metodo per controllare lo spillamento di GNL da un serbatoio (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti per alimentare un motore a gas in un veicolo a gas, detto metodo comprendendo le seguenti fasi: - acquisire una quantità fisica correlata alla pressione di detto gas in fase gassosa (7); - confrontare il valore sopra menzionato con un valore soglia; e - controllare lo stato di apertura di detti mezzi valvola (12) in modo da consentire il flusso di detto GNL o da detto primo condotto (8) o in alternativa da detto secondo condotto (9) a detto condotto di alimentazione (13).
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