IT201900001213A1 - Gruppo propulsore con motore endotermico, con uno stadio di compressione all’alimentazione e un turboespansore allo scarico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di BREVETTO PER INVENZIONE dal titolo: GRUPPO PROPULSORE CON MOTORE ENDOTERMICO, CON UNO STADIO DI COMPRESSIONE ALL’ALIMENTAZIONE E UN TURBOESPANSORE ALLO SCARICO

Campo tecnico

La presente invenzione appartiene al settore dei motori per la generazione di energia meccanica a partire da combustibili di vario genere e natura.

In particolare appartiene al settore dei motori che combinano un motore endotermico a pistoni, alimentato con un compressore azionato dal suo stesso albero motore, con una turbina azionata dai gas di scarico del motore endotermico. Più in dettaglio l’invenzione appartiene al settore dei gruppi motore per autotrazione e, più in generale, per l’impiego su veicoli terresti o marini.

Stato della tecnica

Le crescenti difficoltà di approvvigionamento delle tradizionali fonti derivate dai prodotti petroliferi, unite all’aumento del fabbisogno, conferiscono alle problematiche energetiche un ruolo di primaria importanza.

Nei moderni sistemi di propulsione per veicoli la gestione e l’uso razionale dell’energia sono basilari per ottenere dispositivi leggeri ed economici ed è interesse comune trovare nuove soluzioni che consentano di sviluppare la stessa potenza meccanica utilizzando minori quantità di energia primaria, con soluzioni tecnologiche volte a risparmiare energia. Risparmio energetico non significa necessariamente minor consumo di energia, ma anche minor spreco, cioè maggiore efficienza nelle trasformazioni e nei recuperi tra le diverse forme di energia.

La turboespansione, tecnologia innovativa, recupera quella parte di energia che normalmente viene dissipata nei sistemi tradizionali, il turboespansore è una macchina che recupera l’energia potenziale e cinetica dissipata dal fenomeno della riduzione di pressione del gas. Tale energia può essere recuperata facendo espandere il suddetto gas in una turbina capace di generare potenza meccanica, preferibilmente del tipo ad entrata radiale ed uscita assiale, ma anche in turbomacchine di altro tipo, quale ad esempio un motore pneumatico. L’impatto ambientale è minimizzato, dato che non è richiesto un consumo di combustibili pregiati per la produzione di elevate temperature.

Nel presente testo brevettuale con il termine turboespansore viene inteso in senso ampio un qualunque motore capace di rendere disponibile al proprio albero, sotto forma di energia meccanica, l’energia termodinamica posseduta da un fluido in movimento, quale, ad esempio, un motore pneumatico a turbina.

È noto che per estrarre da un gas ad alta pressione tutta la sua energia occorre eseguire un'espansione del gas a temperatura costante, ma il fluido gassoso si raffredda durante l'espansione e quindi occorre prelevare calore dall'ambiente per fare rimanere costante la temperatura ed evitare abbassamenti eccessivi, che potrebbero portare alla formazioni di ghiaccio.

Scopi e sommario dell’invenzione

Un primo scopo della presente invenzione è dunque quello di fornire un gruppo propulsore che sia in grado produrre energia meccanica per mezzo di un turboespansore azionato dai gas di scarico di un motore endotermico alternativo, la cui aria comburente è alimentata ad alta pressione in virtù dell’azione di compressione esercitata da un compressore, assiale, centrifugo o anche alternativo, azionato dallo stesso motore alternativo.

Ancora uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un gruppo propulsore con una elevata resa termica, in guisa del fatto che esso sfrutta l’energia chimica del combustibile lungo un arco di temperature molto più ampio di quello dei sistemi noti. Si noti che il combustibile può essere fossile o meno.

Scopo non meno importante della presente invenzione è quello di fornire un gruppo propulsore rispettoso dell’ambiente e con un basso livello di inquinamento.

Questi ed altri scopi, che verranno chiari all’esperto del settore dalla lettura del testo che segue, sono raggiunti con un gruppo propulsore che comprende un motore endotermico alternativo, preferibilmente a due tempi, che aziona un compressore tramite il quale lo stesso motore viene alimentato di aria comburente a pressione superiore a quella atmosferica; ad eccezione di quella che serve per azionare il compressore il motore endotermico non produce energia meccanica, ma trasferisce l’energia della combustione ai suoi gas di scarico i quali, ormai esausti, vengono sfruttati per produrre energia meccanica tramite un turboespansore o un motore pneumatico.

Per ottenere i vantaggi soprarichiamati ai fluidi gassosi è aggiunta acqua nebulizzata in diversi punti del ciclo, in particolare nel flusso di aria in ingresso al compressore al fine di facilitare la combustione e di raffreddare la camera di combustione del motore per ridurre o eliminare la necessità di raffreddarla ulteriormente.

Si precisa che nel presente testo brevettuale con il termine acqua si intende qualunque liquido in grado di assorbire calore durante la vaporizzazione, anche opportunamente additivato.

Acqua nebulizzata può essere aggiunta anche che nel flusso dei gas di scarico in uscita dal motore, in quantità tale da ottenere il miglior rapporto temperatura volume, allo scopo di ottenere la maggior quantità di energia meccanica dallo sfruttamento degli esausti.

In altre parole l’acqua nebulizzata ha lo scopo di sottrarre ai gas il calore che altrimenti andrebbe dissipato in atmosfera, creando invece del vapore acqueo da sfruttare in un turboespansore.

Il vantaggio nasce dal fatto che la temperatura raggiunta dai gas durante una combustione con aria comburente pressurizzata è dell’ordine dei 2400 °C e detta temperatura diminuisce progressivamente fino a circa 200 °C in uscita dal turboespansore, questo senza che il calore debba essere disperso con sistemi di smaltimento del calore quali alette radianti, camicie raffreddate ad acqua o simili; anzi ulteriori vantaggi sono ritraibili coibentando completamente il motore, per ridurre il più possibile le dispersioni di calore.

Anche il calore residuo dei gas in uscita dal turboespansore può essere usato per preriscaldare l’acqua nebulizzata ed aumentare così la produzione di vapore acqueo.

Un ulteriore vantaggio è insito nel fatto che l’energia passa dal motore al turboespansore con il flusso di gas caldi e dunque senza la necessità di trasmissioni di tipo meccanico.

Secondo una forma realizzativa particolarmente efficace il motore può essere realizzato con una configurazione comprendente uno statore cilindrico che accoglie al proprio interno un rotore, anch’esso cilindrico, dalla superficie laterale esterna di quest’ultimo sporgono scorrevolmente delle palette le cui estremità distali, sotto l’azione di mezzi elastici di contrasto, toccano la superficie laterale interna dello statore lungo la quale strisciano.

Il rotore rototrasla rispetto allo statore perché il centro del rotore si muove lungo una circonferenza coassiale con l’asse dello statore; le luci di immissione e di scarico dei gas si trovano sulle pareti di base dello statore e vengono aperte e chiuse dalle pareti di base del rotore durante il moto rototraslativo di quest’ultimo.

Preferibilmente il ciclo del motore è a due tempi, sia otto che diesel; a seconda delle forma realizzativa prescelta lungo la superficie laterale interna dello statore possono trovarsi dei dispositivi a scintilla per l’accensione della miscela e/o degli iniettori.

Il numero di palette e di altri dispositivi può variare in funzione della soluzione costruttiva adottata.

Breve descrizione dei disegni

La Fig. 1 mostra uno schema generale del gruppo propulsore oggetto della presente invenzione, il motore (1) è alimentato dal compressore (2) di aria comburente (A), alla quale può essere aggiunta acqua nebulizzata (B) per raffreddare il compressore; all’interno del motore (1) alla miscela di aria (A) e acqua (B) si aggiunge il combustibile (C); infine i gas esausti (E) vengono trasferiti al turboespansore (3), eventualmente previa aggiunta di una ulteriore quantità di acqua nebulizzata (B) che vaporizza grazie al calore residuo dei gas di scarico, aumentando così il volume di gas che aziona il turboespansore.

Le Fig. 2, 3, 4 e 5 mostrano delle viste in sezione del motore (1), con il rotore (12) in diverse posizioni. In ogni configurazione è mostrato lo statore (11) che accoglie al proprio interno il rotore (12) dalla cui superficie laterale esterna sporgono scorrevolmente quattro palette (13) sotto l’azione di mezzi elastici di contrasto (14), rappresentati come molle cilindriche schematizzate, che ne mantengono le estremità distali a contatto con la superficie laterale interna dello statore (11); sono anche mostrate, a titolo esemplificativo, una luce di scarico (15), tratteggiata poiché ricavata sulla base non visibile del cilindro statorico, e una luce di ammissione (16), sulla base visibile del cilindro statorico. Inoltre, sulla superficie laterale interna del cilindro statorico, sono schematizzati dei dispositivi (17) che, a seconda della forma realizzativa, simboleggiano mezzi di accensione e/o di iniezione del carburante.

Nelle figure è sempre visibile il centro del rotore (12) e la circonferenza che ne mostra la traiettoria.

Descrizione dettagliata delle forme di attuazione dell’invenzione

La soluzione innovativa oggetto della presente domanda di brevetto prevede di sfruttare i gas di scarico (E) di un motore a combustione interna (1) per alimentare una turbomacchina (3) destinata a produrre energia meccanica.

Per massimizzare il rendimento e le prestazioni il motore (1) viene alimentato con aria comburente (A) pressurizzata da un compressore (2), preferibilmente un compressore rotativo, azionato dall’albero dello stesso motore (1) tramite opportuni sistemi di trasmissione del moto di tipo noto. Per ridurre le perdite di energia insite nei sistemi di raffreddamento a dissipazione o ad asportazione del calore, tutto il gruppo motore è finalizzato a sfruttare l’energia termica in eccesso per la produzione di vapor d’acqua; per assorbire il calore generato dalla compressione durante la fase di compressione preliminare all’aria comburente viene aggiunta dell’acqua (B), quest’ultima ha anche l’importante funzione di raffreddare la camera di combustione.

Una forma realizzativa particolarmente efficace prevede che il motore (1) sia completamente coibentato, in modo che la maggior quantità possibile del calore sviluppato dalla combustione sia trasferito ai gas di scarico e all’acqua vaporizzata immessa nel circuito.

La turbomacchina (3) azionata dalla miscela di gas combusti e di vapor d’acqua può essere di vario tipo, ad esempio può essere un motore pneumatico.

Risultati particolarmente interessanti si ottengono usando un motore a combustione interna di tipo particolare, con uno statore (11) all’interno del quale è accolto un rotore cilindrico (12) che rototrasla, poiché l’asse di simmetria del rotore (12) si muove descrivendo una superficie cilindrica, in modo che le diverse direttrici della superficie laterale esterna del rotore (12) sfiorino progressivamente le direttrici della superficie laterale interna dello statore (11).

Al rotore (12) sono scorrevolmente accoppiate delle palette (13) che protrudono dalla sua superficie laterale esterna; le palette (13) sono spinte verso l’esterno dall’azione di opportuni mezzi elastici di contrasto (14), in modo che le loro estremità distali tocchino la superficie laterale interna dello statore (11); secondo una preferita forma realizzativa le palette (13) scorrono radialmente.

Claims (9)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo propulsore comprendente un motore endotermico (1), alimentato di aria comburente (A) per mezzo di un compressore (2) azionato da detto motore (1), i cui gas di scarico (E) alimentano un turboespansore (3) che produce energia meccanica caratterizzato dal fatto che nel corso della fase di compressione dell’aria comburente (A) a quest’ultima viene aggiunta dell’acqua (B).
2. 2. Gruppo propulsore come da rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che a detti gas di scarico (E) è aggiunta dell’acqua (B).
3. 3. Gruppo propulsore come da rivendicazione 1 o 2 caratterizzato dal fatto che detta acqua (B) è acqua nebulizzata.
4. 4. Gruppo propulsore come da una delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto che detto motore (1) comprende uno statore (11) con una camera cilindrica che accoglie al proprio interno un rotore cilindrico (12) che rototrasla, di talché l’asse longitudinale di simmetria di detto rotore (12) si muove descrivendo la superficie laterale di un cilindro e le direttrici della superficie laterale esterna del rotore (12) sfiorano le direttrici della superficie laterale interna di detto statore (11); da detto rotore (12) protrudendo scorrevolmente almeno due palette (13) la cui estremità distale è spinta contro la superficie laterale interna di detto statore (11) dall’azione di opportuni mezzi elastici di contrasto (14).
5. 5. Gruppo propulsore come da rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che dette palette (13) scorrono radialmente da detto rotore (12).
6. 6. Gruppo propulsore come da rivendicazione 4 o 5 caratterizzato dal fatto che sulle pareti di base di detto statore (11) sono definite le luci di scarico (15) e di ammissione (16) che vengono aperte e chiuse dal passaggio di detto rotore (12).
7. 7. Gruppo propulsore come da una delle rivendicazioni da 4 a 6 caratterizzato dal fatto che sulle pareti interne di detto statore (11) sono presenti dei dispositivi di accensione della miscela di combustibile e di aria comburente.
8. 8. Gruppo propulsore come da una delle rivendicazioni da 4 a 7 caratterizzato dal fatto che sulle pareti interne di detto statore (11) sono presenti dei dispositivi di iniezione del combustibile.
9. 9. Gruppo propulsore come da una qualsiasi delle rivendicazioni che precedono caratterizzato dal fatto che detto motore (1) è coibentato.