IT201800010218A1 - Sistema di riscaldamento per un serbatoio di carburante - Google Patents

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Jahn Schmidt
Marc Ruedel
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Iveco Magirus
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“SISTEMA DI RISCALDAMENTO PER UN SERBATOIO DI CARBURANTE”
CAMPO TECNICO
La presente invenzione riguarda un serbatoio di carburante, in particolare un sistema di riscaldamento per riscaldare 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 a 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 bassissima temperatura, 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 è richiesta una grande massa di gas 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 è richiesta una ridotta massa di gas liquido per alimentare il motore. Tuttavia, l’uso del gas in fase liquida richiede l’uso di un evaporatore per far evaporare tale gas in fase liquida prima di essere iniettato nel motore a gas.
Inoltre, in alcune condizioni di lavoro del veicolo a gas, ad esempio una guida in salita prolungata o un grande carico da trasportare, è richiesta una grande massa di GNL dal motore a gas e pertanto il ponte termico tra l’ambiente e il liquido non può essere sufficiente per garantire un riscaldamento sufficiente per mantenere un livello di pressione costante; infatti, il serbatoio può diventare troppo freddo e di conseguenza la pressione può crollare, causando pertanto lo stallo del motore.
Al fine di aumentare la pressione di GNL all’interno del serbatoio, è noto prevedere uno scambiatore di calore idraulico per aumentare l’energia termica fornita per l’ambiente esterno al GNL. Di conseguenza, è noto prevedere acqua o aria di raffreddamento del motore per riscaldare il GNL all’interno del serbatoio.
Tuttavia, tutti i tubi, lo scambiatore di calore e le valvole sono pesanti, voluminosi e costosi. Inoltre, solitamente, un serbatoio a GNL comprende una struttura a doppia parete che definisce un volume interno in cui è immagazzinato GNL e un volume intermedio, mantenuto a bassa pressione per impedire uno scambio termico eccessivo con l’ambiente. Pertanto, se lo scambiatore di calore è dotato della parete esterna del serbatoio, è presente una grande resistenza termica, mentre se lo scambiatore di calore è previsto all’interno del volume intermedio, l’alloggiamento di tutti i componenti idraulici è davvero complesso e costoso.
In alternativa, è noto prevedere una pompa configurata per spillare GNL dal serbatoio quando la pressione diminuisce fino a una determinata pressione. Tuttavia tali pompe sono ingombranti e costose e pertanto non ne viene incentivato l’uso.
Alla luce di quanto sopra, si avverte la necessità di fornire un sistema di riscaldamento per un serbatoio a GNL che possa far fronte allo svantaggio sopra menzionato dei sistemi noti.
Un intento della presente invenzione è di soddisfare le necessità sopra menzionate in un modo ottimizzato e economico.
RIEPILOGO DELL’INVENZIONE
L’intento sopra menzionato è ottenuto da un serbatoio comprendente un sistema di riscaldamento e un metodo di controllo di pressione correlato come rivendicato nel nell'insieme 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 ai disegni allegati in cui:
• La figura 1 è una vista posteriore schematica di un veicolo con parti rimosse per motivi di chiarezza e comprendente un serbatoio a GNL che comprende un sistema di riscaldamento secondo l’invenzione;
• La figura 2 è una vista in sezione trasversale di un serbatoio comprendente un sistema di riscaldamento secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione; e
• La figura 3 è una vista in sezione trasversale di un serbatoio comprendente un sistema di riscaldamento secondo una seconda forma di realizzazione dell’invenzione.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE
La figura 1 descrive un serbatoio 1 configurato per immagazzinare gas naturale liquido, GNL, come descritto nel seguito e portato da un veicolo a gas 2 in modo noto. 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 del gas in fase liquida contenuto nel serbatoio 1 per alimentare in modo idoneo un motore a gas (non mostrato) del veicolo 2.
Secondo entrambe le figure 2 e 3, il serbatoio 1 è di tipo noto e comprende una parete interna 2 che definisce un volume interno chiuso 4 in cui è immagazzinato GNL e una parete esterna 5 che alloggia e racchiude la parete interna 3 e che definisce con quest’ultima un volume intermedio 6. In particolare, come è noto, un volume intermedio 6 è mantenuto a un basso valore di pressione noto, in modo da ridurre lo scambio termico tra il volume interno 4 e l’ambiente esterno fuori dalla parete esterna 5.
Il GNL nel volume interno 4 comprende un gas in fase liquida 7 che è posizionato in una porzione di fondo del volume interno 4 e un gas in fase gassosa 8 che è posizionato in una porzione superiore del volume interno 4 sopra la fase liquida 7. Come già affermato sopra, il gas in fase gassosa 8 è in equilibrio dinamico con il gas in fase liquida 7 ed è generato mediante ebollizione del gas in fase liquida 7, il quale è a basse temperature, ad esempio -125°C, per via dell’energia termica che passa attraverso le pareti esterna e interna 3, 5 e il volume 6.
Secondo l’invenzione, il serbatoio 1 è dotato di un sistema di riscaldamento 9 comprendente mezzi sensore 12 configurati per rilevare una quantità fisica correlata alla pressione del gas in fase gassosa 8 e mezzi di riscaldamento elettrico 10 configurati per fornire energia termica direttamente alla parete interna 3 e/o direttamente al gas in fase liquida 7 secondo il valore della quantità fisica sopra menzionata.
In particolare, i mezzi di riscaldamento elettrico 10 possono comprendere un dispositivo termoelettrico 11 configurato per sfruttare l’effetto Joule per trasformare energia elettrica in energia termica.
Vantaggiosamente, i mezzi sensore 12 comprendono un sensore di pressione elettrico 13 configurato per rilevare direttamente un valore di pressione del gas in fase gassosa 8 all’interno del volume 4.
Sempre secondo l’invenzione, il sistema di riscaldamento 9 comprende inoltre un’unità di controllo elettronico 14 collegata elettricamente, ad esempio mediante filo o in modo elettromagnetico, a mezzi sensore 12 e a mezzi di riscaldamento elettrico 10 e comprendente mezzi di memorizzazione e di elaborazione configurati per ricevere i dati correlati alla pressione del gas in fase gassosa 8, elaborare tali dati per confrontare quest’ultima con un predeterminato valore soglia di pressione memorizzato e controllare i mezzi di riscaldamento elettrico 10 per fornire energia termica sufficiente in modo da raggiungere tale valore di pressione richiesto. Preferibilmente, tale unità di controllo elettronico 14 è l’ECU del veicolo.
L’unità di controllo elettronico 14 può inoltre essere collegata a un sensore di livello di carburante (non mostrato) configurato per rilevare il livello del gas in fase liquida 7 all’interno del volume 4, che è sempre presente su un serbatoio di carburante per un veicolo a gas. Di conseguenza, l’energia termica che deve essere fornita al serbatoio per raggiungere il valore di pressione di gas in fase gassosa 8 richiesto può essere calcolata dall’unità di controllo elettronico 14 secondo le leggi note della termodinamica memorizzate conoscendo almeno la geometria del serbatoio 1, la massa del gas in fase liquida 7 e il valore di pressione richiesto del gas in fase gassosa 8.
Secondo una prima forma di realizzazione dell’invenzione, descritta nella figura 2, il dispositivo termoelettrico 11 comprende almeno una camicia di riscaldamento elettrico 16 alloggiata all’interno del volume intermedio 6 e direttamente fissata a una superficie esterna della parete interna 3. La camicia 16 è collegata elettricamente a una sorgente di energia elettrica, esterna rispetto al serbatoio 1, grazie a un filo 17 che passa attraverso un’apertura chiusa a tenuta 18 realizzata nella parete esterna 5.
In particolare, la camicia 16 si estende secondo un angolo α inferiore a 180°, preferibilmente 120°, circonferenzialmente intorno a un asse longitudinale A del serbatoio 1 e può avere una lunghezza continua lungo l’asse longitudinale A al massimo uguale alla lunghezza del serbatoio 1.
Secondo una seconda forma di realizzazione dell’invenzione, descritta nella figura 3, il serbatoio 1 comprende un elemento cavo 21 che passa attraverso le pareti 3 e 5; preferibilmente, l’elemento cavo 21 è sostanzialmente un elemento tubolare in cui le sue pareti laterali sono realizzate monopezzo con le pareti 3 e 5.
L’elemento cavo 21 comprende una porzione terminale interna 21a che è cieca e si estende all’interno del volume interno 4 e una porzione terminale esterna 21b che si estende dalla parete interna 3 al di fuori della parete esterna 5 e definisce un’apertura 22.
Secondo quanto sopra, l’elemento cavo 21 definisce un volume interno 23 che è lateralmente delimitato dalle pareti laterali dell’elemento cavo 21, assialmente delimitato su un lato dalla parete cieca della porzione terminale interna 21a e aperto in corrispondenza del lato opposto.
Inoltre, l’elemento cavo 21 può essere dotato di un cappuccio 24 configurato per cooperare con l’apertura 23 per chiudere il volume interno 23.
Secondo tale seconda forma di realizzazione, i mezzi di riscaldamento elettrico 10 sono alloggiati all’interno del volume interno 23 e possono pertanto trasmettere l’energia termica direttamente al gas in fase liquida 7 attraverso le pareti della porzione terminale interna 21a dell’elemento cavo 21. In modo esemplificativo, il dispositivo termoelettrico 11 è una barra di riscaldamento elettrico 25 avente una forma idonea a essere inserita all’interno del volume interno 23.
La barra 25 è collegata elettricamente a una sorgente di energia elettrica, esterna rispetto al serbatoio 1, grazie a un filo 26 che passa attraverso il cappuccio 24. Il funzionamento di un serbatoio 1 comprendente i mezzi di riscaldamento elettrico 10 secondo l’invenzione è il seguente.
Il funzionamento di un serbatoio 1 comprendente un sistema di riscaldamento 9 secondo l’invenzione è il seguente.
Secondo la richiesta di pressione del motore a gas, l’unità di controllo elettronico 14 confronterà tale valore di pressione richiesto con il valore di pressione acquisito dal sensore di pressione 13; se la pressione acquisita è al di sopra di tale valore di pressione richiesto, i mezzi di riscaldamento 10 non saranno attivati, al contrario se la pressione acquisita è al di sotto di tale valore di pressione richiesto, i mezzi di riscaldamento 10 saranno attivati e l’unità di controllo elettronico regolerà il flusso della corrente elettrica o la tensione da applicare al dispositivo termoelettrico 11 secondo la geometria e la tipologia del dispositivo sia della prima forma di realizzazione sia della seconda forma di realizzazione descritte. Quando il valore di pressione acquisito raggiunge il valore di pressione richiesto, i mezzi di riscaldamento 10 saranno di conseguenza disattivati in attesa di una successiva attivazione quando il valore di pressione acquisito diminuirà nuovamente al di sotto del valore di pressione richiesto.
L’invenzione è anche relativa al metodo per controllare la pressione del gas in fase gassosa 8 contenuto nel serbatoio GNL come descritto sopra; il metodo comprende le seguenti fasi:
- acquisire un valore di una quantità fisica correlato alla pressione del gas in fase gassosa 8 contenuto nel serbatoio 1;
- confrontare il valore acquisito con un valore soglia di pressione;
- calcolare l’energia termica da fornire al GNL contenuto dal serbatoio 1 per ottenere il valore soglia di pressione; e
- controllare la corrente elettrica e/o la tensione dei mezzi di riscaldamento elettrico (10) per ottenere l’energia termica calcolata.
Come affermato sopra, la quantità fisica può essere direttamente la pressione del gas in fase gassosa 8. Il valore soglia può essere predeterminato, fisso o variabile come descritto sopra.
L’unità di controllo elettronico 14 può essere configurata per eseguire il metodo sopra menzionato in modo automatico grazie ai suoi mezzi di memorizzazione e di elaborazione.
Alla luce di quanto precede, i vantaggi di un serbatoio 1 comprendente un sistema di riscaldamento 9 secondo l’invenzione sono evidenti.
Innanzitutto, l’uso dei mezzi di riscaldamento elettrico 10 è più semplice, più veloce e più economico rispetto all’uso di sistemi idraulici di riscaldamento noti.
Inoltre, l’uso dei mezzi di riscaldamento elettrico 10 direttamente sulla superficie esterna della parete interna 3 e/o all’interno del volume chiuso 4, consente un riscaldamento più efficace del gas in fase liquida 7.
L’uso di una camicia 16 avente le caratteristiche sopra descritte consente un riscaldamento uniforme e veloce del gas in fase liquida 7 su tutta la lunghezza del serbatoio 1.
L’uso dei mezzi di riscaldamento elettrico 10 all’interno di un elemento cavo 22 che si estende all’interno del volume chiuso 4 consente un controllo più veloce e più semplice e/o una sottostazione dei mezzi di riscaldamento elettrico 10.
È evidente che possono essere apportate modifiche al serbatoio descritto 1 comprendente un sistema di riscaldamento 9, che non si allontanano dall’ambito di protezione definito dalle rivendicazioni.
Innanzitutto, è evidente che la prima e la seconda forma di realizzazione possono essere combinate insieme per definire un serbatoio 1 comprendente entrambe le tipologie dei mezzi di riscaldamento elettrico 10, ovvero posizionati all’interno del volume 4 e intorno alla superficie esterna della parete interna 3.
Inoltre, è evidente che è possibile variare la dimensione e la tipologia del serbatoio 1, come anche la forma e il numero di elementi cavi 22 e/o camicie 16 o barre 25.
Inoltre, i mezzi sensore 12 possono comprendere diversi sensori e i mezzi di riscaldamento elettrico 10 possono comprendere altre tipologie di dispositivi termoelettrici 11 aventi diverse forme e/o posizionamenti all’interno del serbatoio 1.

Claims (12)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Serbatoio (1) per immagazzinare gas naturale liquido, GNL, per alimentare un motore a gas di un veicolo, detto serbatoio (1) definendo un volume chiuso (4) configurato per alloggiare detto GNL, quest’ultimo definendo in detto volume chiuso (4) un gas in fase liquida (7) e un gas in fase gassosa (8), detto serbatoio (1) essendo dotato di un sistema di riscaldamento (9) comprendente mezzi sensore (12) configurati per acquisire un valore di una quantità fisica correlata alla pressione di detto gas in fase gassosa (8) e mezzi di riscaldamento elettrico (10) configurati per fornire energia termica a detto gas in fase liquida (7) in funzione di detto valore acquisito.
  2. 2. Serbatoio secondo la rivendicazione 1, in cui detti mezzi sensore (12) comprendono un sensore di pressione (12).
  3. 3. Serbatoio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto serbatoio (1) comprende una parete interna (3) che definisce detto volume chiuso (4) e una parete esterna (5) che alloggia e racchiude detta parete interna (3) e che definisce rispetto a quest’ultima un volume intermedio (6), detto volume intermedio (6) essendo mantenuto a un livello di pressione inferiore alla pressione ambiente, detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) essendo alloggiati all’interno di detto volume intermedio (6).
  4. 4. Serbatoio secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto serbatoio (1) comprende una parete interna (3) che definisce detto volume chiuso (4) e una parete esterna (5) che alloggia e racchiude detta parete interna (3) e che definisce rispetto a quest’ultima un volume intermedio (6), detto volume intermedio (6) essendo mantenuto a un livello di pressione inferiore alla pressione ambiente, detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) essendo alloggiati, almeno parzialmente, in detto volume intermedio (6).
  5. 5. Serbatoio secondo la rivendicazione 3, in cui detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) sono inoltre alloggiati, almeno parzialmente, all’interno di detto volume chiuso (4).
  6. 6. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 5, in cui detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) comprendono una camicia di riscaldamento elettrico (16).
  7. 7. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 3 a 6, in cui detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) comprendono una barra di riscaldamento elettrico (25).
  8. 8. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sistema di riscaldamento (9) comprende inoltre un’unità di controllo elettronico (14), quest’ultima essendo collegata elettricamente a detti mezzi sensore (12) e a detti mezzi di riscaldamento elettrico (10), detta unità di controllo (14) comprendendo mezzi di memorizzazione e di elaborazione configurati per acquisire detto valore correlato alla pressione del gas in fase gassosa (8), confrontare detto valore con un valore soglia predeterminato e controllare detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) secondo il confronto sopra menzionato.
  9. 9. Serbatoio secondo la rivendicazione 8, in cui detta unità di controllo elettronico (14) è inoltre collegata elettricamente a un sensore di livello di carburante di detto serbatoio (1), detta unità di controllo elettronico (14) essendo configurata per calcolare un’energia termica da fornire a detto gas in fase liquida (7) attraverso detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) in modo da aumentare la pressione di detto gas in fase gassosa (8) per raggiungere detto valore soglia predeterminato.
  10. 10. Serbatoio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 8 o 9, in cui detta unità di controllo elettronico (14) è l’ECU di detto veicolo.
  11. 11. Veicolo a gas comprendente un motore a gas e un serbatoio (1) configurato per contenere GNL secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
  12. 12. Metodo per controllare la pressione di un gas in fase gassosa (8) contenuto in un serbatoio di GNL (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, detto metodo comprendendo le seguenti fasi: - acquisire un valore di una quantità fisica correlata alla pressione di detto gas in fase gassosa (8) contenuto in detto serbatoio (1); - confrontare detto valore acquisito con un valore soglia di pressione; - calcolare l’energia termica da fornire a detto GNL contenuto da detto serbatoio (1) per ottenere detto valore soglia di pressione; e - controllare la corrente elettrica e/o la tensione di detti mezzi di riscaldamento elettrico (10) per ottenere detta energia termica calcolata.
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