IT202000030116A1

IT202000030116A1 - Processo integrato di raffreddamento di un motore alternativo a combustione interna mediante un fluido di lavoro utilizzato per il recupero exergetico a partire dal calore di scarto del ciclo termodinamico

Info

Publication number: IT202000030116A1
Application number: IT102020000030116A
Authority: IT
Inventors: Alfredo Gimelli; Massimiliano Muccillo; Giovanni Giardiello
Original assignee: Protodesign Srl
Priority date: 2020-12-15
Filing date: 2020-12-15
Publication date: 2021-03-15

Description

PROCESSO INTEGRATO DI RAFFREDDAMENTO DI UN MOTORE

ALTERNATIVO A COMBUSTIONE INTERNA MEDIANTE UN FLUIDO DI LAVORO UTILIZZATO PER IL RECUPERO EXERGETICO A PARTIRE

DAL CALORE DI SCARTO DEL CICLO TERMODINAMICO

CAMPO DI APPLICAZIONE

Forma oggetto del presente trovato una configurazione che integra un impianto per il recupero dell?exergia associata al calore di scarto del ciclo termodinamico di un motore alternativo con il circuito di raffreddamento del motore stesso. ? noto come, in un motore alternativo a combustione interna, mediamente solo un?aliquota quantificabile in circa il 30% circa dell?energia del combustibile viene convertita in energia meccanica utile, circa il 35% viene rilasciato in atmosfera attraverso i gas di scarico a temperatura relativamente elevata, il 25% circa costituisce calore scambiato con l?ambiente attraverso l?impianto di lubrificazione e l?impianto di raffreddamento , mentre il restante 10% ? trasferito in ambiente a causa a causa degli attriti meccanici o utilizzato per l?azionamento degli ausiliari motore. Da qui l?idea di abbinare un impianto ORC sottoposto che permetta di incrementare l?aliquota di energia del combustibile convertita in lavoro meccanico.

STATO DELLA TECNICA

Sono note applicazioni di un impianto ORC come impianto sottoposto utilizzato per il recupero dell?exergia dal calore di scarto del motore alternativo. In particolare, tali impianti ORC fanno uso di un fluido bassobollente quale fluido motore al quale viene addotta energia termica proveniente dall?intercooler e da un ulteriore scambiatore di calore attraversato dai gas di scarico. Sono anche noti impianti che in aggiunta recuperano l?exergia dal calore scambiato nel radiatore dell?olio e nel radiatore del fluido refrigerante del blocco motore.

Esempi di questo tipo sono i brevetti US6986251B2 e WO2005049975B1, rispettivamente ?Organic rankine cycle system for use with a reciprocating engine? e ?Organic rankine cycle system with shared heat exchanger for use with a reciprocating engine?, nei quali si fa riferimento a configurazioni che prevedono l?accoppiamento termico di un motore alternativo a combustione interna con un impianto ORC sottoposto tramite degli scambiatori di calore interposti.

Pertanto, questi impianti si presentano come dei classici motori alternativi con l?aggiunta degli elementi tipici di un impianto ORC, come la pompa di alimento, l?espansore e il condensatore, oltre agli scambiatori di calore attraverso i quali i due impianti interagiscono termicamente scambiandosi calore di scarto e realizzando il recupero exergetico. Oltretutto, il recupero di calore dal blocco cilindri avviene attraverso l?interposizione di un fluido refrigerante, determinando un abbassando della quantit? di calore recuperabile a causa dell?interposizione di un ulteriore scambiatore.

Per ovviare al maggior ingombro di tali impianti e mitigarne i costi aggiuntivi, nonch? per ridurre le inefficienze di conversione termica, i Richiedenti hanno studiato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato ? esposto e caratterizzato nella rivendicazione principale.

Altre caratteristiche sono presenti nelle rivendicazioni secondarie.

L?innovativit? del trovato consiste nello schema proposto per l?asportazione di energia termica dal motore alternativo a combustione interna, il quale prevede il recupero di energia termica da tutti gli elementi che hanno una componente di calore di scarto o che necessitano di raffreddamento senza l?interposizione di ulteriori fluidi, laddove possibile.

In particolare, il trovato si caratterizza in quanto l?asportazione di calore dal blocco cilindri del motore, pratica vitale al fine di scongiurare la fusione delle sue parti, avviene ad opera del fluido organico bassobollente preposto al compimento del ciclo Rankine; tale calore, insieme a quello precedentemente asportato a temperatura pi? bassa e al calore recuperato a temperatura pi? alta da altre sorgenti termiche del motore, contribuisce ad incrementare l?energia a disposizione del fluido prima dell?espansione nell?espansore dell?impianto ORC sottoposto.

Questa soluzione, oltre ad aumentare l?energia termica disponibile per la conversione in energia meccanica, a parit? di raffreddamento del blocco cilindri, permette di sostituire il classico circuito di raffreddamento del motore alternativo a combustione interna con una sezione dell?impianto ORC sottoposto.

Come diretta conseguenza, l?introduzione dell?impianto sottoposto a fluido organico, utilizzato per il recupero dell?exergia a partire dal calore di scarto del motore a combustione interna, comporta una minore complicazione complessiva rispetto alle configurazioni gi? brevettate, garantendo minore ingombro, costi inferiori, maggiore facilit? di manutenzione a parit? di affidabilit? dell?impianto.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Con riferimento alla figura allegata, l?apparato ? costituito dagli elementi: 1) intercooler, 2) scambiatore dell?olio lubrificante, 3) blocco cilindri, che comprende gli elementi afferenti al motore alternativo a combustione interna che interagiscono con l?impianto sottoposto tramite il processo di raffreddamento di tali componenti e il simultaneo recupero del calore di scarto. Compongono l?impianto anche gli elementi: 4) scambiatore di calore per il recupero dell?exergia dal calore di scarto dei fumi di scarico, 5) espansore, 6) condensatore, 7) pompa, afferenti esclusivamente all?impianto ORC.

Inoltre, completano la logica dell?apparato anche il motore elettrico 8), l?inverter 10), e le valvole 11), 12), 13) e 14).

Il turbocompressore elettrificato, adibito alla sovralimentazione del motore a combustione interna, costituito dalla turbina 9), dal motogeneratore elettrico 15) e dal compressore 16), ? calettato sullo stesso asse dell?espansore 5).

MODO MIGLIORE PER ATTUARE L?INVENZIONE

Con riferimento alla figura allegata, 1) intercooler, 2) scambiatore dell?olio lubrificante, 3) blocco cilindri potrebbero essere realizzati come ben noto dalla tecnica. Per quanto riguarda l?impianto ORC sottoposto, esso ? costituito da 4) scambiatore di calore per il recupero dell?exergia dal calore di scarto dei fumi di scarico, 5) espansore, 6) condensatore, 7) pompa, e le valvole 11), 12), 13) e 14).

L?elemento 3) il blocco cilindri, caratterizzato dal fatto che le camicie dei pistoni che lo costituiscono, sono attraversate dal fluido refrigerante, pertanto ? come se fosse uno scambiatore a superficie.

Secondo questo schema di impianto, il motore alternativo ? un motore alternativo generico, in quanto il presente trovato ? applicabile ad ogni motore alternativo a combustione intera.

Per l?impianto sottoposto, in particolare, l?espansore 5) pu? essere collegato ad un generatore elettrico calettato sull?albero per produrre energia elettrica utilizzata direttamente oppure immagazzinata in un accumulatore elettrochimico. Nel caso il veicolo sia dotato di una propulsione ibrida elettrica, l?energia elettrica pu? poi essere direttamente utilizzata dai motori elettrici del veicolo. In particolare, ? auspicabile una configurazione del veicolo che possa usufruire delle potenzialit? offerte dal complesso di interazioni V2G/G2V/V2V consentite dalle smart grid, in modo da gestire in maniera efficiente i flussi bidirezionali di energia elettrica.

Il miglior modo per attuare l?invenzione sarebbe quello di calettare l?espansore 5) sullo stesso albero di un turbocompressore elettrificato. In particolare, tale espansore ? collegato alla turbina 9) del gruppo di sovralimentazione elettrificato, a sua volta collegato al motogeneratore 15). Il motogeneratore 15) aziona il compressore 16) per raggiungere il grado di sovralimentazione richiesto.

Per quanto riguarda il funzionamento del motore alternativo la logica ? la classica nota dalla tecnica.

Per quanto riguarda l?impianto sottoposto la portata di fluido organico elaborata dalla pompa 7), segue il verso delle frecce piene indicate nell?immagine allegata. Nella condizione di regime il fluido imbocca due percorsi in parallelo: nel primo il fluido attraversa il blocco cilindri 3); nel secondo attraversa dapprima l?intercooler 1), poi lo scambiatore dell?olio lubrificante 2). In seguito, i due flussi confluiscono nello scambiatore dei gas di scarico 4), passano poi attraverso la turbina 5), e quindi il ciclo del fluido termina con il passaggio nel condensatore 6).

Le valvole 11), 12), 13) e 14), insieme alla pompa 7) sono gli elementi fondamentali per la regolazione dell?impianto sottoposto. Essi consentono di regolare la portata e di direzionare i flussi in maniera tale da garantire il corretto regime termico al blocco cilindri e all?olio lubrificante, evitando cos? surriscaldamenti che potrebbero compromettere l?integrit? del motore.

Il motore elettrico 8), e l?inverter 10) consentono di regolare la pompa in maniera da erogare la portata determinata dal sistema di controllo.

Pertanto, nel caso la sensoristica rilevi un aumento eccessivo della temperatura del motore alternativo a combustione interna, il sistema di controllo comanda le valvole 11), 12) e 14), e la pompa 7) in modo da incrementare la portata di fluido al motore termico 3), sufficiente a riportare la temperatura in un intervallo accettabile.

Nel caso in cui la sensoristica rilevi un aumento eccessivo della temperatura del lubrificante, il sistema di controllo comanda la valvola 13) e la pompa 7), in maniera che il fluido refrigerante pervenga al componente 2), scambiatore dell?olio lubrificante, con una portata maggiore e temperatura pi? bassa.

Nelle fasi iniziali di avvio, per consentire un rapido raggiungimento delle temperature ottimali di esercizio per il lubrificante e il motore alternativo a combustione interna, il sistema di controllo comanda le valvole 11), 12), 13) e 14), e la pompa 7), in maniera da realizzare un unico flusso che in serie attraversa in ordine 1) intercooler, 2) scambiatore dell?olio lubrificante, 3) blocco cilindri, per poi proseguire attraverso i restanti componenti dell?impianto.

Il vantaggio di questa idea brevettuale ? quella di proporre una configurazione caratterizzata da ingombro e peso limitati: infatti, al motore a combustione interna, come ben noto nella tecnica, vengono aggiunti soltanto quattro elementi: lo scambiatore 4, l?espansore 5, il motore elettrico 8, e l?inverter 10. Il condensatore 6 ? utilizzato in sostituzione del convenzionale radiatore per l?acqua di raffreddamento del monoblocco cos? come la pompa 7 sostituisce la pompa dell?acqua del sistema di raffreddamento nella configurazione classica. L?intercooler 1, e lo scambiatore di calore dell?olio 2 saranno caratterizzati da dimensioni ridotte rispetto ad i sistemi di raffreddamento ad aria. Gli altri elementi dell?impianto sottoposto sono gi? presenti in un Motore a Combustione Interna Alternativo.

Claims

PROCESSO INTEGRATO DI RAFFREDDAMENTO DI UN MOTORE ALTERNATIVO A COMBUSTIONE INTERNA MEDIANTE UN FLUIDO DI LAVORO UTILIZZATO PER IL RECUPERO EXERGETICO A PARTIRE DAL CALORE DI SCARTO DEL CICLO TERMODINAMICO RIVENDICAZIONI

1. Un processo per il raffreddamento del blocco motore ed il contemporaneo recupero dell?exergia del calore di scarto di un motore alternativo a combustione interna comprendente una fase in cui un fluido entra nel motore alternativo; una fase in cui detto fluido attraversa il motore atta al raffreddamento del monoblocco; una fase in cui detto fluido fuoriesce dal motore; caratterizzato dal fatto che ? presente una fase in cui detto fluido entra in un ulteriore sistema per il recupero dell?exergia di scarto.

2. Un sistema di raffreddamento e recupero dell?exergia del calore di scarto di un motore alternativo a combustione interna comprendente un impianto sottoposto che realizza un ciclo termodinamico per la conversione del calore recuperato con il processo di cui alla rivendicazione 1 in energia meccanica e se utile in elettrica, caratterizzato dal fatto che il liquido refrigerante del motore alternativo ? il fluido motore che compie un ciclo termodinamico. Il fluido motore pu? essere anche un fluido organico e l?impianto che realizza il ciclo termodinamico potrebbe essere un ciclo ORC.

3. Un sistema come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che l?impianto sottoposto comprende il monoblocco del motore a combustione interna atto al trasferimento del calore di scarto al fluido motore dell?Impianto sottoposto.

4. Un sistema come da rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il fluido motore dell?impianto sottoposto recupera energia termica dal blocco cilindri del motore alternativo a combustione interna e da tutti gli elementi che hanno una componente di calore di scarto o che necessitano di raffreddamento, quali intercooler, radiatore dell?olio lubrificante, scambiatore di calore ai gas di scarico, senza l?interposizione di ulteriori fluidi, laddove possibile.

5. Un sistema, come da rivendicazione 2, che vede l?espansore dell?impianto sottoposto calettato sullo stesso albero di un turbocompressore elettrificato adibito alla sovralimentazione del motore a combustione interna.