IT201900002983A1

IT201900002983A1 - Sistema e procedimento di combustione per motori a combustione interna ad accensione comandata

Info

Publication number: IT201900002983A1
Application number: IT102019000002983A
Authority: IT
Inventors: Claudio Lombardi
Original assignee: Italtecnica S R L
Priority date: 2019-03-01
Filing date: 2019-03-01
Publication date: 2020-09-01

Description

TITOLO: SISTEMA E PROCEDIMENTO DI COMBUSTIONE PER MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA AD ACCENSIONE COMANDATA

DESCRIZIONE

CAMPO DELL'INVENZIONE

L'invenzione riguarda i motori a combustione interna ad accensione comandata e, più in particolare, un sistema di combustione con precamera per i suddetti motori dotato di un sistema di alimentazione di fluido combustibile separato dal sistema di alimentazione della camera principale.

STATO DELLA TECNICA

Nei motori ad accensione comandata la combustione di miscele aria/combustibile (A/C) in eccesso di aria, cioè con rapporto in peso aria/combustibile (nel seguito indicato con α) maggiore del valore stechiometrico α0 (circa 14,7 per la comune benzina) porta a vantaggi in termini di emissioni inquinanti allo scarico.

Anche l’efficienza aumenta e, all’aumentare del valore di α, si riducono le emissioni di CO2.

D’altro canto, superato un certo valore di α, dipendente da vari parametri progettuali e funzionali del motore, la qualità della combustione degrada; si manifestano fenomeni di mancata accensione (“misfiring”) e le emissioni inquinanti, in particolare di idrocarburi incombusti (HC), aumentano notevolmente.

In Figura 1 viene illustrato quanto detto sopra. Il grafico riproduce su scale differenti, rispettivamente nelle curve indicate con A, B, C, D, le emissioni di ossidi di azoto (NOx), il consumo di combustibile, le emissioni di idrocarburi incombusti (HC) e le emissioni di ossido di carbonio (CO) in funzione del rapporto aria/combustibile α della miscela combusta all’interno della camera di combustione principale di un motore a combustione interna alimentato a benzina. La riga tratteggiata verticale, indicante il rapporto stechiometrico α0, suddivide il grafico rispettivamente nelle condizioni di miscela grassa (sinistra della riga) e miscela magra (destra della riga). Il rapporto di equivalenza Φ rappresenta il quoziente tra il rapporto stechiometrico α0 ed il titolo della miscela α.

Il peggioramento della qualità della combustione, associato ai fenomeni di “misfiring”, è causato dal progressivo rallentamento della velocità di avanzamento del fronte di fiamma a sua volta determinato dal rallentamento della velocità di reazione (ossidazione) del combustibile con l’ossigeno dell’aria.

Con il progredire della tecnica, nell’ambito dei motori a combustione interna ad accensione comandata, sono stati sviluppati ed applicati numerosi sistemi e strategie volti, in particolare, ad aumentare la velocità di combustione in miscela magra (α > 14,7), al fine di superare, almeno parzialmente, i suddetti problemi, nonché di ottenere maggiori benefici in termini di efficienza termica ed emissioni inquinanti.

Particolarmente interessante risulta l’applicazione di una precamera di combustione alimentata con miscela ricca (α < 14,7) separatamente dalla camera di combustione principale, quest’ultima essendo alimentata con miscela avente un rapporto maggiore o uguale al valore stechiometrico α0. La combustione viene innescata dalla candela di accensione, alloggiata nella precamera, all’interno della quale la combustione, grazie alla ricchezza della miscela ed al ridotto volume del dispositivo, avviene rapidamente, con produzione di composti solo parzialmente ossidati (CO e HC) e quindi assai reattivi perché ricchi di radicali liberi. Tali composti, eiettati attraverso uno o più appositi orifizi che mettono in comunicazione la precamera con la camera di combustione principale, attivano la combustione della miscela carburata (magra) contenuta in quest’ultima, aumentandone la velocità di reazione.

Tale sistema di combustione fu inizialmente ideato e studiato nel corso degli anni ’60 del novecento dallo scienziato russo L.A. Gussak.

Dallo stato della tecnica sono noti differenti sistemi di combustione con precamera per motori alimentati sia a benzina, sia a gasolio, sia a gas.

US 8925518 B1 mostra una precamera di combustione nella quale sono alloggiati due o tre iniettori (combustibile in forma liquida, combustibile in forma gassosa e ossigeno), a seconda della forma di realizzazione, una candela di accensione o una candeletta. La precamera è messa in comunicazione con la camera di combustione principale attraverso appositi fori di ventilazione.

Uno dei difetti principali di tali sistemi, caratterizzati dal presentare un’iniezione separata di comburente e combustibile, consiste nell’impossibilità di ottenere una miscela carburata omogenea all’atto dell’accensione. Infatti, i due fluidi provenienti da linee di alimentazione distinte, a causa della geometria della precamera e delle pressioni in gioco, non riescono, al momento dell’ingresso in precamera, a mescolarsi rapidamente ed in modo omogeneo. L’effetto che ne deriva è una miscela stratificata e di titolo differente da quello voluto, con conseguenti ripercussioni sulle emissioni prodotte durante la combustione. Allo stesso modo, il posizionamento arretrato della candela di accensione, sullo stesso livello orizzontale dei getti degli iniettori o a monte di essi, promuoverà, a causa dell’aumento di pressione conseguente all’accensione, il trasferimento di prodotti non combusti nella camera di combustione principale con arricchimento incontrollato della miscela carburata ivi presente.

US 20120103302 A1 presenta un sistema d’iniezione per motori a combustione interna comprendente una precamera nella quale sono installati una candela di accensione ed un singolo iniettore di combustibile. La combustione viene innescata all’interno della precamera ed i prodotti parzialmente combusti vengono convogliati tramite specifici orifizi e dispersi nella camera di combustione principale, dove tali prodotti, grazie ad effetti chimici, termici e fenomeni di turbolenza, provocano l’accensione diffusa della miscela lì contenuta.

Un prodotto simile è illustrato in US 20160053668A1.

In entrambi i casi, nuovamente, per esigenze costruttive, la candela di accensione è collocata in posizione arretrata rispetto all’iniettore.

In alcune varianti, di più semplice progettazione, che hanno trovato applicazione in particolare in motori da competizione, la miscela carburata in precamera viene arricchita sfruttando i moti vorticosi dell’aria (in inglese swirl e tumble) immessa nel cilindro grazie ad un opportuno posizionamento dell’iniettore nella camera principale e/o alla particolare geometria del condotto di aspirazione.

Tali sistemi di combustione, tuttavia, sia nella versione con doppia iniezione, sia nella versione con sola candela d’accensione in precamera, presentano, in ragione della loro progettazione, alcune criticità che ne hanno ritardato lo sviluppo tecnico. In particolare tendono a verificarsi problemi di affidabilità nonché risultati insoddisfacenti in termini di riduzione dei componenti inquinanti allo scarico.

I problemi di affidabilità riguardano il surriscaldamento di parti o componenti della precamera (candela d’accensione, orifizi di comunicazione fra precamera e camera principale) e la formazione di depositi carboniosi sia sulla parete della precamera, sia sugli elettrodi della candela e sugli orifizi. Tali fenomeni possono dare luogo, nel breve periodo, a combustioni anomale, con conseguente incremento dei consumi e delle emissioni inquinanti, ed a fenomeni di preaccensione incontrollata che possono provocare danneggiamenti anche di rilevante gravità.

Inoltre, la riduzione delle emissioni di ossidi di azoto (NOx) e particolato (PM), ottenuta per mezzo di tali sistemi, potrebbe non essere sufficiente ad evitare, per ottemperare agli stringenti limiti di emissioni richiesti dalle normative sull’inquinamento, l’adozione di complicati e costosi dispositivi installati nell’impianto di scarico quali catalizzatori riducenti e filtri anti-particolato. Un ulteriore difetto dei dispositivi di pre-combustione tradizionali consiste nel fatto che, a causa dell’elevato titolo della miscela all’interno della precamera ed alla geometria della stessa, si viene a formare una carica stratificata di carburante, la quale provoca, in seguito all’innesco, un'eiezione in camera di combustione principale di prodotti incombusti, nonché un notevole aumento nell’emissione di ossidi di azoto dovuto alla transizione tra la miscela ricca della precamera e la miscela magra della camera di combustione principale (v. Fig. 1, curva A). Il tradizionale posizionamento della candela di accensione nella parte superiore della precamera è la causa principale delle suddette problematiche.

SCOPO DELL’INVENZIONE

Scopo della presente invenzione è pertanto quello di fornire un sistema ed un procedimento di combustione per motori a combustione interna ad accensione comandata che superino i principali difetti e le più gravi limitazioni dei sistemi e dei procedimenti appartenenti all’arte nota.

In particolare, un sistema secondo l’invenzione permette di ottenere un’ottimizzazione in termini di efficienza termica ed emissioni inquinanti. Inoltre, ulteriori benefici riguardano una riduzione del surriscaldamento del sistema e della formazione di depositi carboniosi.

PRESENTAZIONE DELL’INVENZIONE

Questo scopo è raggiunto con un sistema di combustione per motori a combustione interna ad accensione comandata come descritto nelle rivendicazioni annesse.

Si propone, secondo la presente invenzione un sistema di combustione per motori a combustione interna ad accensione comandata, con uno o più cilindri, comprendente almeno: una precamera di combustione per ogni cilindro, collocata a monte di una camera di combustione principale del rispettivo cilindro ed in comunicazione con quest’ultima per mezzo di orifizi distribuiti su una superficie laterale della precamera in prossimità del fondo della stessa; un sistema di alimentazione dedicato, associato alla precamera o alle precamere e separato dal sistema di alimentazione della camera principale o delle camere principali; una candela di accensione alloggiata nella precamera o in ciascuna precamera; e un iniettore associato alla precamera o a ciascuna precamera per l’immissione di un fluido combustibile all’interno della precamera. La candela di accensione è disposta nella rispettiva precamera in posizione avanzata rispetto all’iniettore, tale che gli elettrodi della candela di accensione si trovino in prossimità degli orifizi di comunicazione. Tale disposizione della candela di accensione provoca l’eiezione, nella camera di combustione principale, dei prodotti di combustione e dei radicali liberi generati nella precamera o in ciascuna precamera ed inibisce la fuoriuscita di fluido combustibile incombusto dalla precamera o da ciascuna precamera.

Il fluido combustibile, immesso all’interno della precamera può consistere, ad esempio, in un combustibile naturale, liquido o gassoso, in un combustibile artificiale, liquido o gassoso o, in una forma preferita di realizzazione, in una miscela pre-carburata aria/combustibile con rapporto aria/combustibile α inferiore al rapporto stechiometrico α0.

Preferibilmente, il sistema comprende, in aggiunta, un iniettore supplementare per l’immissione, all’interno della precamera, di gas combusti provenienti da un collettore di scarico del rispettivo cilindro o di un gas inerte o, ancora, di un liquido inerte.

La candela di accensione associata a ciascuna precamera può essere di tipo convenzionale, ossia dotata di elettrodo centrale ed elettrodo di massa, o a solo elettrodo centrale, l’elettrodo di massa essendo costituito da una barretta di materiale conduttore inserita all’interno della precamera e disposta in prossimità degli orifizi di comunicazione con la camera principale.

L’invenzione riguarda anche un procedimento di combustione di un fluido combustibile per motori a combustione interna ad accensione comandata attuato da un sistema di combustione secondo l’invenzione.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiare dalla seguente descrizione di forme preferite di realizzazione fatta a titolo di esempio non limitativo con riferimento ai disegni allegati, in cui:

- la FIG. 1 è un grafico raffigurante le emissioni di inquinanti ed il consumo di carburante in funzione del rapporto aria/benzina α combusto all’interno della camera di combustione principale di un motore a combustione interna alimentato a benzina.

- la FIG. 2 è una rappresentazione schematica di un sistema di combustione secondo l’invenzione in cui nella precamera si iniettano miscela pre-carburata e gas di scarico;

- la FIG. 3 è una rappresentazione schematica di un sistema di combustione secondo l’invenzione in cui nella precamera si iniettano carburante e gas di scarico;

- la FIG. 4 è una rappresentazione schematica parziale di un sistema di combustione secondo l’invenzione in cui nella precamera si iniettano fluido combustibile e fluido inerte;

- la FIG. 5 è un diagramma raffigurante le fasi del ciclo termodinamico di un sistema di combustione con precamera secondo l’invenzione;

- le FIGG. 6A e 6B sono due differenti rappresentazioni in sezione parziale frontale di una precamera del tipo rappresentato nelle figure 2 - 4, con una candela di accensione convenzionale;

- le FIGG. 7A e 7B sono due viste analoghe alle FIGG. 6A e 6B, relative ad una con una candela di accensione a solo elettrodo centrale.

In tutte le figure, numeri di riferimento uguali o simili indicano componenti aventi funzioni uguali o simili. DESCRIZIONE DETTAGLIATA DI FORME PREFERITE DI REALIZZAZIONE

Con riferimento alla Figura 2, si è indicato con 100' un sistema di combustione per motori a combustione interna ad accensione comandata secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione. In Figura è mostrato, per semplicità, un solo cilindro 35. Il sistema 100' trova applicazione, naturalmente, anche su motori a più cilindri.

Il sistema 100' comprende una precamera di combustione 10 associata al cilindro 35 e collocata a monte della camera di combustione principale 12 di questo. La precamera di combustione 10 presenta, su una parete laterale, in particolare in prossimità del fondo, una serie di orifizi 11 che la mettono in comunicazione con la camera di combustione principale 12 permettendo lo scambio di fluidi, in particolare di gas combusti, tra le due camere.

Inoltre, il sistema 100' comprende, alloggiati in apposite sedi della precamera 10, una candela di accensione 13 ed un iniettore 14' per l’immissione di fluido combustibile all’interno della precamera 10.

Come illustrato maggiormente nel dettaglio nelle figure 6A - 7B, la candela di accensione 13 è collocata, all’interno della precamera 10, in posizione avanzata rispetto all’iniettore di fluido combustibile 14', ossia in modo tale che gli elettrodi 13a, 13b della candela di accensione 13 vengano a trovarsi in prossimità degli orifizi di comunicazione 11 con la camera di combustione principale 12. Detta disposizione provoca l’eiezione di radicali liberi e dei prodotti di combustione nella camera di combustione principale 12, inibendo, allo stesso tempo, la fuoriuscita di fluido combustibile incombusto dalla precamera 10. Più in particolare, in ragione di tale disposizione della candela di accensione 13, il fronte di fiamma prodotto dall’innesco del fluido combustibile da parte della candela d’accensione 13, trovando ostacolo a fluire verso il basso per via della ridotta sezione degli orifizi 11, si svilupperà verso l’alto, all’interno della precamera di combustione 10. In questo modo, solo i prodotti di combustione verranno eiettati, attraverso gli orifizi 11, nella camera principale 12.

I prodotti di combustione, ricchi di radicali liberi, si diffonderanno nella camera di combustione principale 12 senza alterare il rapporto α della miscela ivi contenuta (si tratta, infatti, di prodotti di combustione con concentrazione di O2 quasi nulla), promuovendone la combustione altrimenti impossibile.

Risulta chiaro che tanto più la distanza tra l’elettrodo 13a e gli orifizi 11 della precamera 10 sarà ridotta, tanto più i benefici derivanti da tale disposizione saranno accentuati.

La minima distanza realizzabile tra i due componenti sarà legata esclusivamente a vincoli di progettazione.

Il sistema di combustione 100' comprende, infine, un sistema di alimentazione dedicato 20', atto a rifornire di fluido combustibile la precamera 10 attraverso il suddetto iniettore 14'.

Nella forma di realizzazione rappresentata in Fig. 2, il fluido combustibile consiste in una miscela aria/combustibile pre-carburata, in cui il combustibile può essere un combustibile naturale, liquido o gassoso oppure un combustibile artificiale, liquido o gassoso. Nel seguito della descrizione si farà riferimento, per comodità ed a titolo di esempio non limitativo, ad una miscela aria/benzina.

L’iniezione di miscela aria/combustibile permette di superare, almeno in parte, i principali difetti dei sistemi di combustione a precamera tradizionali, soprattutto per quanto riguarda il surriscaldamento di parti della precamera 10 (e dei componenti ivi alloggiati) e la formazione di depositi carboniosi. La miscela aria/combustibile, infatti, opera un lavaggio dei gas combusti residui in precamera 10, favorendo il raffreddamento delle pareti della stessa e riducendo l’insorgere di fenomeni di carbonizzazione.

La pre-carburazione viene ottenuta tramite il sistema di alimentazione dedicato 20'.

Il combustibile atto ad alimentare il sistema 100', contenuto in un apposito serbatoio 18, viene immesso, tramite una pompa di alimentazione 19, nel sistema di alimentazione dedicato 20'. Il serbatoio 18, nel caso in cui precamera 10 e camera principale 12 siano alimentati dallo stesso combustibile, può essere comune (come illustrato in figura); altrimenti, potranno essere previsti due distinti serbatoi. La pompa 19, allo stesso modo, preferibilmente, assicurerà l’alimentazione sia del suddetto iniettore 14' associato alla precamera, sia dell’iniettore 26 atto ad alimentare la camera di combustione principale 12 tramite il condotto d’aspirazione 16.

Il combustibile, la cui pressione viene controllata da un apposito regolatore 21a, perviene ad un iniettore 22; il combustibile iniettato da questo si miscela, quindi, ad aria debitamente filtrata, proveniente da una presa d’aria 23a ed aspirata da un compressore 23 collocato a valle dell’iniettore.

Un flussimetro 24, posizionato a valle del compressore 23, misura la portata d’aria all’interno del sistema di alimentazione 20' della precamera 10 ed invia ad un’unità di controllo elettronica (ECU - Electronic Control Unit) 30 del motore un segnale rappresentativo di tale portata, il quale, elaborato tramite opportuno algoritmo, permette di comandare l’iniettore 22. All’interno di un serbatoietto 25 si formerà quindi una miscela aria/benzina nel rapporto relativo voluto. Un opportuno regolatore di pressione 21b assicura un valore costante di pressione a monte dell’iniettore 14' alloggiato nella precamera 10. In questo modo si ottiene una miscela nel voluto rapporto aria/benzina α.

Nel caso specifico, tale rapporto α risulterà inferiore al rapporto stechiometrico α0 (14,7 nel caso della benzina), nonché inferiore al rapporto aria/combustibile α della miscela immessa all’interno della camera di combustione principale 12. In particolare, nella forma preferita di realizzazione, il rapporto α sarà compreso nell’intervallo 4-12. Una tale miscela, definita in gergo “ricca” o “grassa”, perché in eccesso di combustibile rispetto al rapporto stechiometrico α0, andrà incontro ad una combustione molto rapida con associata una rilevante produzione di composti parzialmente ossidati ed agenti reattivi (radicali liberi) che potranno essere eiettati, attraverso gli appositi orifizi 11 disposti in prossimità del fondo della precamera 10, verso la camera di combustione principale 12.

In questo modo, l’accensione della miscela contenuta all’interno della camera di combustione principale 12 viene innescata in modo diffuso dai prodotti di combustione eiettati dalla precamera 10.

All’interno della camera di combustione principale 12, al contrario, l’aria introdotta attraverso il condotto di aspirazione 16 e la benzina immessa attraverso l’iniettore 26, in seguito al passaggio in un regolatore di pressione 27, formano una miscela aria/combustibile che può essere “magra”, cioè con un eccesso di aria rispetto al rapporto stechiometrico α0 oppure stechiometrica. Preferibilmente, nel caso della benzina, il rapporto aria/benzina α all’interno della camera di combustione principale 12 risulterà compreso nell’intervallo 14,7 – 40. Nel caso di combustibili diversi, il rapporto di equivalenza Φ sarà compreso, preferibilmente, tra 0,4 e 1. Una miscela magra all’interno della camera di combustione principale 12, come già illustrato, permette di ottenere vantaggi in termini di emissioni inquinanti allo scarico e, più in particolare, di ossidi di azoto (NOx) ed idrocarburi incombusti (HC), nonché un incremento dell’efficienza termodinamica del motore, con conseguente riduzione nell’emissione di anidride carbonica (CO2), una delle principali sostanze climalteranti.

Valori tipici di pressione sono compresi nell’intervallo 2 - 40 bar. L’unità di controllo 30, tenendo conto del rapporto aria/benzina α della camera di combustione principale 12 e della quantità di miscela carburata che passa attraverso gli orifizi 11 che mettono in comunicazione la precamera 10 con la camera principale 12, controlla e definisce, tramite un impulso elettrico, la durata di attivazione (apertura) dell’iniettore 14' che spruzza una quantità di miscela carburata tale da ottenere, al momento dell’accensione, il valore aria/benzina α desiderato.

In una forma alternativa di realizzazione, la precamera di combustione 10 viene alimentata dal solo combustibile. Tra i combustibili liquidi o gassosi utilizzabili, oltre alla comune benzina, si possono citare, a titolo esemplificativo, il gas naturale e l’idrogeno.

Un sistema di combustione 100" secondo questa forma alternativa di realizzazione è illustrato in Figura 3 e si differenzia dal sistema 100' essenzialmente per quanto riguarda il sistema di alimentazione dedicato 20", il quale presenta solamente i componenti atti ad addurre il combustibile all’iniettore 14".

Nel caso di specie, il sistema di alimentazione dedicato 20" associato alla precamera 10 comprenderà, nella sua forma minima, il regolatore di pressione 21a per controllare il flusso di combustibile proveniente dal serbatoio 18 attraverso la pompa di alimentazione 19. Anche in questo caso si è rappresentato un solo serbatoio 19, supponendo che precamera 10 e camera principale 12 siano alimentati dallo stesso combustibile.

Nel caso in cui, attraverso l’iniettore 14", la precamera 10 venga alimentata con gas naturale o idrogeno, il combustibile verrà fornito da uno specifico serbatoietto (non illustrato in figura) ad alta pressione, allacciato al sistema 100' tramite un riduttore di pressione, anch’esso non raffigurato.

Nelle figure 2 e 3, per completezza, si sono illustrati schematicamente i collegamenti dei sistemi 100' e 100" con gli altri eventuali cilindri del motore e, più in particolare, si sono indicate, rispettivamente con 40a e 40b, le linee di alimentazione di carburante o, rispettivamente, di miscela pre-carburata dirette verso gli altri eventuali cilindri.

Come accennato sopra, al sistema di combustione 100 (nel seguito, per il sistema di combustione, si userà per semplicità il riferimento 100 ove non sia necessario distinguere tra le due varianti 100' e 100") è associata un’unità di controllo elettronico 30, atta a dialogare con il suddetto sistema 100 e con i sensori / attuatori annessi, per il controllo e la regolazione dei parametri fisici necessari al funzionamento del motore e, in particolare, alla combustione.

L’unità di controllo elettronico 30 è configurata per ricevere in ingresso i segnali dei principali sensori associati al sistema di combustione 100 e/o agli altri componenti del motore. Tali segnali, una volta elaborati dall’unità di controllo 30 ed appositamente convertiti, verranno inviati ai rispettivi componenti per il loro controllo e la loro gestione.

Nelle Figure 2 e 3 i collegamenti elettronici tra l’unità di controllo 30 ed i componenti / sensori non direttamente rappresentati sono stati indicati dalla freccia bidirezionale 50.

Nella forme di realizzazione illustrate, alla precamera 10 è associato, in aggiunta all’iniettore 14 (anche in questo caso, nel seguito, si userà per semplicità il riferimento senza apici ove non sia necessario distinguere tra le due varianti 14' o 14'), un iniettore supplementare 15, configurato per immettere, all’interno della precamera 10, gas combusti provenienti dal collettore di scarico 17 attraverso un sistema di recupero di tali gas, ben noto nella tecnica e quindi non rappresentato.

Il ricircolo dei gas combusti (EGR – Exhaust Gas Recirculation) è una tecnica di riduzione dei gas inquinanti prodotti durante la combustione ed eiettati attraverso lo scarico del veicolo. Esso consiste, sostanzialmente, nel mettere in ricircolo una percentuale dei gas di scarico facendoli transitare dal collettore di scarico 17 al collettore di aspirazione 16.

In un’ulteriore forma preferita di realizzazione, rappresentata in Fig. 4, l’iniettore supplementare 15 è configurato per immettere, all’interno della precamera 10, un gas o un liquido inerte (per esempio azoto, o preferibilmente anidride carbonica nel caso di un gas, o preferibilmente acqua nel caso di un liquido).

Un sistema 120 di alimentazione di gas o liquido inerte fornisce tale gas o liquido all’iniettore 15. Il sistema di alimentazione 120 comprende, in una sua forma minima, un serbatoio di fluido inerte 118, una pompa di alimentazione 119 ed un regolatore di pressione del fluido 121. Con il numero di riferimento 15a si è indicato il getto di fluido inerte immesso in precamera 10 dall’iniettore 15.

In entrambi i casi considerati, tale iniezione supplementare riveste una duplice funzione. In primo luogo contribuisce a ridurre la temperatura di combustione, limitando in tal modo drasticamente la formazione di NOx. D’altro canto concorre al “lavaggio” e alla pulizia della precamera 10, della candela d’accensione 13 e degli iniettori 14, 15, riducendo l’insorgenza di residui carboniosi. Tali inconvenienti, frequenti nei sistemi di combustione a precamera tradizionali, in cui quest’ultima viene alimentata dal solo combustibile, possono essere in larga parte ridotti da un’iniezione associata di gas di scarico o di fluidi inerti.

L’iniettore supplementare 15 sarà anch’esso gestito attraverso l’unità di controllo 30 per quanto riguarda durata e fase di apertura dei getti.

Per semplicità, nella Fig. 4 non si sono rappresentati né l'alimentazione di miscela aria/combustibile o di combustibile per l'iniettore 14, né l'unità di controllo e i suoi collegamenti agli iniettori 14, 15 e agli elementi del blocco 120.

La Fig. 5 raffigura schematicamente, per mezzo di una spirale, le fasi del ciclo termodinamico di un sistema di combustione 100 con precamera 10 secondo l’invenzione. Detta spirale viene percorsa in senso orario, dall’estremo più esterno a quello più interno. Naturalmente, ciascuna delle due estremità si dovrà intendere idealmente unità alla rispettiva estremità del ciclo precedente / successivo.

Con riferimento alle configurazioni descritte sopra, in fase di aspirazione, segmento "a" della spirale, avviene l’attivazione dell’iniettore supplementare 15, con conseguente immissione di gas di scarico / fluido inerte in precamera 10. La durata di tale iniezione, indicata con 1→2 dipenderà direttamente dalla quantità di miscela carburata contenuta all’interno della precamera 10. Indicativamente, il quantitativo di gas combusto / fluido inerte sarà compreso tra il 10 % ed il 40 % della massa di miscela carburata, mentre la loro pressione a monte dell’iniettore supplementare 15 sarà controllata da un apposito regolatore di pressione (non rappresentato nelle figure).

In fase di compressione, segmento "c", ha luogo, preferibilmente, l’iniezione di fluido combustibile (combustibile puro o miscela pre-carburata) all’interno della precamera 10. Si fa qui notare che, come è noto al tecnico del settore, l’iniezione di fluido combustibile potrà anche avvenire, almeno in parte, in fase di aspirazione del motore. Detta iniezione, a seconda della forma di realizzazione, può avvenire, per ogni ciclo termodinamico del motore, in una singola fase o, rispettivamente, in più fasi. Nella figura 5, a puro titolo esemplificativo ed in modo non limitante, si sono indicate con I1, I2, I3 e I4 quattro fasi di iniezione di fluido combustibile.

Un’iniezione in più fasi di fluido combustibile all’interno della precamera 10 consente di ottenere numerosi vantaggi e di migliorare la qualità della combustione. In primo luogo, il fluido immesso all’interno della precamera 10 potrà essere ben omogeneizzato con la miscela carburata proveniente dalla camera di combustione principale 12 e spinta ad entrare in precamera 10 dal pistone nella sua corsa di compressione. Inoltre, d’altro canto, tale tecnica applicativa permette anche di minimizzare la quantità di fluido combustibile che fuoriesce dalla precamera 10 verso la camera principale 12. Questa, infatti, come già accennato sopra, porterebbe alla formazione di una zona di transizione attorno al valore stechiometrico α0 tra la miscela aria/benzina magra, contenuta nella camera di combustione principale 12, e la miscela ricca iniettata in precamera 10.

Come illustrato in Fig. 1, all’intervallo attorno al valore stechiometrico α0 corrisponde un picco di formazione degli ossidi di azoto (NOx).

L’iniezione di liquido inerte all’interno della precamera 10, qualora fosse prevista, potrà avvenire sia in fase di aspirazione, sia in fase di compressione. Detta iniezione è indicata in figura 5 dal segmento "i" che si estende dall’inizio della fase di aspirazione fino al termine della fase di compressione.

Alle fasi di aspirazione e compressione seguono le fasi di espansione e scarico, indicate, rispettivamente con il segmento "e" ed il segmento "s".

Con 3 si è indicato l’istante di accensione del fluido combustibile per mezzo della rispettiva candela di accensione 13, mentre con PMS e PMI si sono indicati, rispettivamente, il “punto morto superiore” ed il “punto morto inferiore” della corsa del pistone all’interno del cilindro.

Come già anticipato, l’obiettivo primario che si vuole ottenere, per mezzo di un sistema di combustione 100 dotato di precamera 10, è avere, all’atto dell’accensione, una miscela omogenea e ricca all’interno della precamera 10 e, al contrario, nella camera principale 12, una miscela omogenea magra o stechiometrica. In tal modo la combustione della miscela nella camera principale 12 potrà essere totalmente attivata dai radicali liberi prodotti della combustione in difetto di ossigeno della precamera 10, pur mantenendo gli standard di emissioni e consumi propri di una miscela magra. La combustione nella camera principale 12 non sarà così “a fronte di fiamma”, con i derivanti benefici in termini di efficienza ed emissioni inquinanti. Come già in parte anticipato, la precamera di combustione 10 secondo l’invenzione può essere configurata in differenti forme di realizzazione. Oltre alle tipologie ed alle modalità di iniezione utilizzabili, già illustrate in precedenza, le principali varianti costruttive riguardano la configurazione ed il posizionamento della candela di accensione 13 alloggiata all’interno della precamera 10.

Nelle figure 6A e 6B si è raffigurata una precamera 10 secondo l’invenzione comprendente un iniettore di fluido combustibile 14, un iniettore di gas di scarico o gas/liquido inerte 15 e una candela di accensione convenzionale 13 (cioè con elettrodo centrale 13a ed elettrodo di massa 13b) disposta in posizione avanzata rispetto agli iniettori 14, 15.

L’iniettore 14, in una forma preferita di realizzazione, è disposto in modo che il fluido combustibile sia iniettato sugli elettrodi 13a, 13b della candela di accensione 13 o sia diretto verso questi.

Grazie a questa configurazione, il fluido combustibile, colpendo l’elettrodo centrale 13a, sarà indotto ad una polverizzazione e ad una vaporizzazione più rapide rispetto ad un’iniezione tradizionale. Ciò andrà a favorire, come già descritto in precedenza, l’eiezione di particelle molto reattive di miscela combusta verso la camera di combustione principale 12, andando ad incrementare l’efficienza della combustione e riducendo la formazione di emissioni inquinanti. Allo stesso tempo, il fluido combustibile andrà ad operare un continuo raffreddamento dell’elettrodo centrale 13a della candela di accensione 13, limitando i succitati fenomeni di surriscaldamento.

Invece di una candela di accensione 13 di tipo tradizionale, il sistema di combustione 100 può presentare, in una forma di realizzazione alternativa, una candela di accensione 13 assemblata con il solo elettrodo centrale 13a. L’elettrodo di massa potrà essere costituito da una barretta di materiale conduttore, ancora indicata con 13b, inserita all’interno della precamera, come illustrato nelle figure 7A e 7B.

Una simile candela di accensione 13 potrà essere sistemata maggiormente a ridosso degli orifizi 11, andando ad ottimizzare i risultati menzionati sopra.

In questo caso, il fluido combustibile potrà essere iniettato sulla barretta di materiale conduttore 13b o in direzione di questa.

E' evidente, dalla descrizione che precede, che l'invenzione permette effettivamente di raggiungere gli scopi voluti.

Sarà chiaro che quanto descritto è dato unicamente a titolo di esempio non limitativo e che varianti e modifiche saranno possibili al tecnico del ramo, senza per questo uscire dal campo di protezione dell'invenzione, come definito dalle rivendicazioni che seguono.

Claims

TITOLO: SISTEMA E PROCEDIMENTO DI COMBUSTIONE PER MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA AD ACCENSIONE COMANDATA RIVENDICAZIONI 1. Sistema (100'; 100") di combustione per motori a combustione interna ad accensione comandata con uno o più cilindri (35), comprendente almeno: - una precamera di combustione (10) per ogni cilindro (35), collocata a monte di una camera di combustione principale (12) del rispettivo cilindro (35) ed in comunicazione con quest’ultima per mezzo di orifizi (11) distribuiti su una superficie laterale della precamera (10) in prossimità del fondo della stessa; - un sistema di alimentazione dedicato (20', 20"), associato alla precamera o alle precamere (10) e separato da un sistema di alimentazione della camera principale o delle camere principali (12); - una candela di accensione (13) alloggiata nella precamera o in ciascuna precamera (10); e - un iniettore (14'; 14") associato alla precamera o a ciascuna precamera (10) per l’immissione di fluido combustibile all’interno della precamera (10); caratterizzato dal fatto che la candela di accensione (13) è disposta nella rispettiva precamera (10) in posizione avanzata rispetto all’iniettore (14'; 14"), tale che gli elettrodi (13a, 13b) della candela di accensione (13) si trovino in prossimità degli orifizi di comunicazione (11) con la camera di combustione principale (12); detta disposizione producendo l’eiezione, nella camera di combustione principale (12), dei prodotti di combustione e dei radicali liberi generati nella precamera o in ciascuna precamera (10) ed inibendo la fuoriuscita di fluido combustibile incombusto dalla precamera o da ciascuna precamera (10).
2. Sistema (100'; 100") secondo la rivendicazione 1, in cui il fluido combustibile fornito dall’iniettore (14'; 14") è scelto nel gruppo composto da: una miscela precarburata aria/combustibile, in particolare una miscela con rapporto aria/combustibile α inferiore al rapporto stechiometrico α0; un combustibile naturale, liquido o gassoso; un combustibile artificiale, liquido o gassoso.
3. Sistema (100'; 100") secondo una delle rivendicazioni precedenti, in cui alla precamera o a ciascuna precamera (10) è associato inoltre un iniettore supplementare (15) per l’immissione, all’interno della precamera (10), di gas combusti provenienti da un collettore di scarico (17) del rispettivo cilindro (35) o di un fluido inerte, liquido o gassoso.
4. Sistema (100'; 100") secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la candela di accensione (13) alloggiata nella precamera o in ciascuna precamera (10) presenta il solo elettrodo centrale (13a), un elettrodo di massa (13b) della candela essendo costituito da una barretta di materiale conduttore inserita all’interno della precamera (10) e disposta in prossimità degli orifizi di comunicazione (11) con la camera principale (12).
5. Sistema (100'; 100") secondo la rivendicazione 4, in cui l'iniettore (14'; 14") per l’immissione di fluido combustibile è disposto nella precamera in modo da iniettare il fluido combustibile sugli elettrodi (13a, 13b) della candela di accensione (13) o in direzione di essi; oppure, in caso di candela del tipo a solo elettrodo centrale, sulla barretta di materiale conduttore (13b) o in direzione della stessa.
6. Procedimento di combustione di un fluido combustibile per motori a combustione interna ad accensione comandata aventi uno o più cilindri (35) comprendenti ognuno una precamera di combustione (10) collocata a monte di una camera di combustione principale (12) ed in comunicazione con quest’ultima per mezzo di orifizi (11) distribuiti su una superficie laterale della precamera (10) in prossimità del fondo della stessa, il procedimento comprendendo almeno i seguenti passi: - preparazione del fluido combustibile in un sistema di alimentazione dedicato (20', 20") associato alla precamera o alle precamere (10); - iniezione del fluido combustibile all’interno della precamera o di ciascuna precamera (10) attraverso un rispettivo iniettore (14'; 14"); - innesco per mezzo di una candela di accensione (13) del fluido combustibile all’interno della precamera o di ciascuna precamera (10); - eiezione nella camera di combustione principale (12) dei prodotti di combustione e dei radicali liberi, generati nella precamera o in ciascuna precamera (10), attraverso i suddetti orifizi (11); caratterizzato dal fatto che l’innesco e la combustione del fluido combustibile all’interno della precamera o di ciascuna precamera (10) avvengono in posizione avanzata rispetto all’iniettore (14'; 14"), in prossimità degli orifizi di comunicazione (11) con la camera principale (12), per produrre l’eiezione, nella camera di combustione principale (12), dei prodotti di combustione e dei radicali liberi generati nella precamera o in ciascuna precamera (10) ed inibire la fuoriuscita di fluido combustibile incombusto dalla precamera o da ciascuna precamera (10).
7. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, comprendente, inoltre, un’iniezione all’interno della precamera o di ciascuna precamera (10) di gas combusti provenienti da un collettore di scarico (17) del rispettivo cilindro, o di un gas o un liquido inerte.
8. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 7 in cui l’iniezione di fluido combustibile all’interno della precamera o di ciascuna precamera (10) avviene, per ogni ciclo termodinamico del motore, in più fasi (I1 – I4) durante una fase di aspirazione e/o una fase di compressione di un ciclo di funzionamento del motore.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 8, in cui l’innesco del fluido combustibile contenuto all’interno della precamera o di ciascuna precamera (10) è provocato da una candela di accensione (13) del tipo a solo elettrodo centrale.
10. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, in cui il fluido combustibile immesso nella precamera o in ciascuna precamera (10) è iniettato sugli elettrodi (13a, 13b) della candela di accensione (13) o in direzione degli stessi, oppure, in caso di candela del tipo a solo elettrodo centrale, su una barretta di materiale conduttore (13b) agente da elettrodo di massa o in direzione della stessa.