IT202100022247A1 - “elettrolizzatore per motori a combustione interna” - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E
annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:
?ELETTROLIZZATORE PER MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA?
CAMPO DI APPLICAZIONE
La presente invenzione riguarda un elettrolizzatore, o cella elettrolitica, che consente di effettuare processi di elettrolisi non stechiometrica.
In particolare, l?elettrolizzatore secondo l?invenzione ? configurato per produrre ossigeno gassoso e idrogeno gassoso utilizzabili per la combustione diretta in motori endotermici in particolare di veicoli di qualsiasi genere, ad esempio motori di autoveicoli.
Il presente trovato ? vantaggiosamente applicato nel settore della produzione di gas idrogeno e ossigeno, da processi di elettrolisi utilizzabili nei motori endotermici.
STATO DELLA TECNICA
Attualmente, ? noto produrre idrogeno e/o ossigeno gassosi mediante processi di elettrolisi, scomponendo l?acqua, che ? un composto non infiammabile, stabile e sicuro, in idrogeno e ossigeno gassosi.
Tali gas sono instabili, altamente reattivi e, se combinati tra loro, potenzialmente esplosivi sotto determinate condizioni, di conseguenza l'utilizzo dell'idrogeno nelle applicazioni veicolari deve essere effettuato con una grande cura e una precisa progettazione delle apparecchiature di produzione e sfruttamento. Ad esempio, l?idrogeno e l?ossigeno prodotti e convogliati in un motore endotermico devono fluire attraverso il percorso pi? corto possibile e ad una pressione non superiore a circa 3 atmosfere per evitare detonazioni impreviste.
Il principio di funzionamento delle celle elettrolitiche consiste nell?inserimento di una coppia di elettrodi in un bagno a base di acqua e collegando un elettrodo ad un morsetto di un generatore elettrico e l?altro elettrodo all?altro morsetto.
La corrente circolante tra detti elettrodi immersi nel bagno produce la formazione di idrogeno al lato del polo negativo e ossigeno all?altro.
Tali processi, tuttavia, necessitano di un cospicuo impiego di energia che dipende anche dalla conducibilit? del bagno e che produce un innalzamento della temperatura a cui consegue un sensibile aumento della conducibilit? della cella, per l?aumentata mobilit? degli ioni.
Inoltre, l?aumento della conducibilit?, determina un aumento della corrente circolante con un ulteriore aumento di temperatura della cella dovuto all?aumento di energia dispersa nell?elettrolita.
Tutto questo rappresenta un problema dal punto di vista della sicurezza che ha limitato fortemente l?impiego delle celle elettrolitiche soprattutto nel settore dell?alimentazione di motori endotermici installati in veicoli in ambito terrestre o navale.
D?altro lato sarebbe auspicabile lo sfruttamento delle celle elettrolitiche per l?alimentazione di motori endotermici che risulta particolarmente vantaggioso in quanto ? stato provato che la miscelazione di idrogeno e ossigeno con l?aria aspirata dei motori termici, siano essi alimentati a gas, a gasolio o benzina, produrrebbe evidenti vantaggi in termini di consumi e di conseguenza l'abbattimento delle emissioni nocive.
Sono noti nella tecnica alcuni tentativi di impiego di celle elettrolitiche per l?alimentazione di motori termici quali utilizzano elettrodi piani o cilindrici avvolti come armatura di condensatore, ma questi tentativi hanno evidenziato i medesimi problemi:
? corrente di esercizio elevata;
? basso rendimento;
? surriscaldamento dell?elettrolita in quanto la maggior parte dell'energia consumata da una cella elettrolitica ? convertita in calore a discapito della produzione dei gas utili alla combustione del motore;
? aumento della corrente proporzionalmente alla temperatura dell?elettrolita;
? ebollizione della soluzione con l?interruzione del processo per guasto o malfunzionamento dell?elettrolita.
? pure noto che un ulteriore problematica di queste soluzioni note riguarda il fatto che la concentrazione dell?elettrolita varia in rapporto al consumo dell?acqua, per cui l?assorbimento della corrente da parte della cella dipende non solo dalla temperatura di esercizio, ma anche dalla concentrazione dell?elettrolita e dalla disposizione degli elettrodi, con la possibilit? di una instabilit? operativa dei processi di elettrolisi.
Un problema che affligge le celle elettrolitiche tradizionali riguarda il fatto che la loro produzione ? per lo pi? artigianale e progettata per un montaggio manuale. Questo, inoltre, impone che tali macchine, di per s? molto semplici, risultino costose e progettualmente complesse.
Un ulteriore disguido ? dato dalla mancanza di compattezza (sia in termini di larghezza che di altezza) che rende difficile, se non impossibile, l'installazione di un sistema di celle elettrolitiche all'interno dei compartimenti motore dei veicoli attuali.
Si tenga anche presente che i motori endotermici producono una notevole quantit? di gas nocivi, in particolare, tra questi gas, vi sono gli ossidi di azoto definiti come NOx, che si formano durante le reazioni di combustione a particolari temperature.
La riduzione del componente NOx nella combustione dei motori endotermici ? un obbiettivo comune delle normative ed il livello EURO 6 non ? compiutamente raggiunto se non con l?aggiunta di urea (AdBlue) nel catalizzatore, che rappresenta un sistema poco pratico ed oltremodo costoso.
DESCRIZIONE DELL?INVENZIONE
La presente invenzione si propone di mettere a disposizione una cella elettrolitica, per la generazione di gas immediatamente utilizzabili per una combustione diretta in motori endotermici, creando cos? una condizione in grado di eliminare o quantomeno ridurre gli inconvenienti sopra evidenziati.
Secondo una possibile forma realizzativa, la tecnologia utilizzata dalla cella elettrolitica secondo l?invenzione si avvale di un generatore di idrogeno e ossigeno comprendente mezzi adatti ad arricchire di ossigeno la combustione potendo cos? ridurre la quantit? di azoto durante i processi endotermici, riducendo di conseguenza gli NOx a parit? di combustibile bruciato: per ogni parte di ossigeno introdotto si possono evitare quattro parti di azoto che rappresenta l'80% dell'aria. Preferibilmente, tale cella elettrolitica o elettrolizzatore ? collegato al collettore di aspirazione del motore a combustione interna.
Il sistema a celle elettrolitiche secondo l?invenzione consente di eliminare il problema della scarsa efficienza dei dispositivi noti, potendo tarare la produzione della cella sul singolo tipo di veicolo sia in funzione della potenza elettrica che delle dimensioni.
I vantaggi ottenuti dal sistema di elettrolisi secondo l?invenzione sono dunque i seguenti:
- economico: meno costoso di un sistema AdBlue;
- semplice: meno elementi e componenti ed in generale ? un impianto semplificato;
- pratico: si pu? recuperare a costo zero l?acqua distillata del condizionatore del mezzo;
- modulare: l?elemento pu? essere duplicato all?infinito;
- modulabile: allungando o riducendo l?altezza si hanno potenze maggiori o minori;
- installabile ovunque, la forma cilindrica consente un facile adattamento meccanico;
- riduzione dell?azoto e di conseguenza dei NOx attraverso la riduzione di immissione di aria nei cilindri come comburente;
- adattabile a condizioni ove non sia utilizzabile l?Ad-blue (come nel caso di mezzi euro 3 e precedenti);
- la cella elettrolitica ha una durata superiore ad un catalizzatore.
ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI
Altre caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno evidenti, alla lettura della descrizione seguente di una forma di realizzazione dell?invenzione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio dei disegni illustrati nelle tavole allegate, in cui:
- Le figure 1 e 1a sono viste schematiche in sezione verticale di un elettrolizzatore secondo l?invenzione rispettivamente secondo le linee B-B e C-C di figura 1c;
- Le figure 1b e 1c sono viste schematiche di un elettrolizzatore secondo l?invenzione rispettivamente in prospetto frontale ed in pianta; - La figura 2 ? una vista schematica in sezione secondo la linea A-A di figura 1b;
- Le figure 2a e 2b sono viste schematiche di un elettrolizzatore rappresentato in prospettiva rispettivamente dall?alto e dal basso;
- Le figure 3 e 4 rappresentano viste schematiche in sezione prospettica ed in sezione, secondo due diverse linee di taglio verticali, dell?elettrolizzatore secondo l?invenzione nel suo complesso;
- Le figure 5 e 6 illustrano viste schematiche dell?elettrolizzatore secondo l?invenzione rappresentato nei particolari rispettivamente D ed E di figura 3.
DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL?INVENZIONE Facendo riferimento alle figure allegate, ed inizialmente in particolare alle figure da 1a a 1c, con 10 si indica generalmente una cella elettrolitica, o elettrolizzatore, secondo l?invenzione nel suo complesso, adatto a generare un?opportuna miscela gassosa, preferibilmente gas idrogeno H2 e gas ossigeno O2 tra loro separati, che vengono convogliati in sistema di alimentazione di un motore a combustione interna che, durante la combustione con il carburante, ne migliora l'efficienza.
Secondo una forma preferita di realizzazione la cella elettrolitica 10 secondo l?invenzione presenta una conformazione sostanzialmente cilindrica comprendente una serie di cilindri concentrici 11 o camicie, separati da intercapedini 11? (Fig. 4), aventi dimensioni in lunghezza calcolate per avere una superficie di scambio sostanzialmente uguale tra tutti i cilindri.
Di conseguenza i cilindri o camicie pi? esterni, aventi diametro maggiore presentano lunghezze inferiori rispetto a quelli pi? interni, di lunghezze maggiori, formando estremit? aventi una disposizione sostanzialmente scalare ad entrambe le loro estremit?.
Detti cilindri concentrici 11 sono chiusi alle loro due estremit? da un primo tappo 12 posto ad una estremit? ed un secondo tappo 13 posto all?estremit? opposta, detti tappi essendo dotati di opportune canalizzazioni per consentire la raccolta dei gas in detto primo tappo 12 e l?immissione della soluzione liquida proveniente da detto secondo tappo 13, che ? dotato di apposite camere di raccolta.
Pi? in particolare il primo tappo 12, che ? internamente sagomato con cavit? a disposizione scalare corrispondente alla sagomatura scalare della rispettiva estremit? cilindrica formando la sua contro-sagoma, ? dotato di almeno due camere anulari, una prima camera anulare 14 ed una seconda camera anulare 15 disposte concentricamente tra loro.
Secondo una forma di realizzazione dell?invenzione la prima camera anulare 14, che raccoglie l?ossigeno ? disposta esternamente, mentre la seconda camera anulare 15, che raccoglie l?ossidrogeno, ? disposta concentricamente alla precedente ma internamente.
Il secondo tappo 13 comprende una camera anulare 16, contenente una certa quantit? di soluzione liquida, ad esempio acqua, che viene immessa attraverso il condotto d?ingresso 17.
Secondo la forma di realizzazione rappresentata in figura 3 e nei particolari di figure 5 e 6, la porzione interna a disposizione scalare dei tappi 12 e 13, ossia quella che viene posta come contro-sagoma a contatto con le estremit? a disposizione scalare del corpo cilindrico, ? dotata di canali 18, 19 (Fig. 2 e 5) che mettono in comunicazione le intercapedini 11? che pongono in comunicazione il gas idrogeno ed il gas ossigeno con le rispettive camere anulari 15 e 14 e quelle indicate con 20 in cui defluisce la soluzione liquida proveniente dalla camera 16 del tappo 13.
Pi? in dettaglio, secondo una forma preferita dell?invenzione rappresentata nelle figure 5 e 6, l?intercapedine fra i cilindri 11 ? calcolata preferibilmente circa a 2,5 millimetri per quelle che producono ossidrogeno, preferibilmente circa a 5 millimetri per quelle che producono ossigeno ed idrogeno separati.
Il numero delle intercapedini di volume maggiore pu? essere maggiore di uno, aumentando cos? la quantit? di ossigeno che si invia alla combustione.
? pure previsto che tutte le intercapedini siano da volume maggiore ed in questo caso la cella ? adibita per la produzione di gas separati.
Le intercapedini che producono gas separati comprendono una rete 21, che impedisce il mescolamento dei gas, la quale ? posta preferibilmente a 2,5 mm dalle superfici dei due cilindri. Tale rete di separazione 21 ? rappresentata da un cilindro che forma due intercapedini ove dal lato del polo positivo si genera ossigeno, dall?altro idrogeno.
Secondo la forma di realizzazione rappresentata in figura 4, i poli positivo e negativo dell?elettrolita sono ottenuti dalla polarit? e dalla disposizione di cavi elettrici collegati rispettivamente in corrispondenza di una cavit? 22 posta in comunicazione con la camicia pi? interna 24 dei cilindri 11 per un polo, mentre l?altro polo ? ottenuto da un collegamento con la camicia pi? esterna 23 degli stessi cilindri 11.
Come rappresentato nella figura 5, ogni intercapedine sbocca superiormente con dei fori 25 di uscita rappresentati in figura 4, che si immettono in due camere distinte di raccolta: una per ossidrogeno ed ossigeno, indicata con 14, ed una dove si produce idrogeno da solo, indicata con 15.
? previsto che, come rappresentato nelle figure 1 e 2, i tappi 12 e 13 siano tenuti saldamente in contatto con i cilindri 11 attraverso una vite centrale 26 che serra con tenuta a pressione di almeno 4 bar i cilindri di acciaio.
Le camere anulari 14 e 15 sono collegate con l?esterno della cella elettrolitica attraverso rispettivi manicotti di uscita 28 e 27 rispettivamente per l?idrogeno che viene disperso nell?ambiente e solo per l?ossidrogeno o per l?ossidrogeno e l?ossigeno, solo relativamente all?ossigeno della prima camicia.
L?idrogeno prodotto indipendentemente viene rilasciato in atmosfera e perduto, mentre il gas prodotto restante viene inviato alla combustione del motore endotermico essendo pi? ricco di ossigeno.
Questo tipo di cella elettrolitica secondo l?invenzione consente l?immissione di quantit? di ossigeno gassoso durante la combustione del carburante, ottenendo un netto miglioramento della stessa combustione e, al contempo, una riduzione della produzione di sottoprodotti inquinanti.
La cella elettrolitica secondo l?invenzione ? in grado di produrre gas idrogeno, ossidrogeno ed ossigeno in modalit? non stechiometrica. Questo risulta particolarmente utile per la riduzione del NOx a seguito della possibile riduzione della presenza di aria nella combustione.
Infatti l'aria secca ? composta da circa il 78% di azoto, il 21% di ossigeno e l'1% di argon e fatto 100 la necessit? di ossigeno alla combustione, essendo la parte stechiometrica irrilevante, in quanto stechiometrica la parte di ossigeno prodotto dalla cella, si aggiunge al 21% potendo ridurre pertanto una corrispondente parte di azoto per un fattore di 3,71 volte (78/21).
Dal punto di vista operativo, la camicia pi? esterna 23 ? configurata per agire da polo negativo, mentre la camicia pi? interna 24 ? atta a fungere da polo positivo. Tale disposizione ? solo esemplificativa e, pertanto, le polarit? possono essere indifferentemente invertite tra loro a seconda delle esigenze.
Secondo un aspetto dell?invenzione, i cilindri concentrici 11 o camicie sono realizzati in materiale metallico ed a conducibilit? elettrica, al fine di poter essere collegati a poli positivi e negativi di sorgenti di alimentazione elettrica.
Preferibilmente, i cilindri concentrici 11 o camicie sono realizzati in acciaio inossidabile in modo da resistere alle tensioni elettriche applicate senza degradarsi. Inoltre, essendo a contatto costante con l?acqua e sotto tensione, l?utilizzo dell?acciaio inossidabile impedisce la formazione di corrosioni e ruggine che possono alterare l?elettrolita.
Secondo ulteriori forme di realizzazione la cella elettrolitica secondo l?invenzione ? utilizzabile in qualsiasi dimensione scalabile sia come numero di componenti sia come dimensione di ciascun componente, ovvero il diametro e l?altezza dei cilindri pu? essere qualsiasi a seconda delle esigenze.
L?invenzione ? stata precedentemente descritta con riferimento ad una sua forma di realizzazione preferenziale. Tuttavia, ? chiaro che l?invenzione ? suscettibile di numerose varianti che rientrano nel proprio ambito, nel quadro delle equivalenze tecniche.
Claims (14)
1. Cella elettrolitica per l?elettrolisi di un elettrolita, preferibilmente acqua, comprendente: a) un corpo sostanzialmente cilindrico comprendente una serie di cilindri concentrici (11) o camicie, separati da intercapedini (11?), aventi dimensioni in lunghezza diverse, ovvero inversamente proporzionali al diametro, calcolate per avere intercapedini 11? con una superficie di scambio sostanzialmente uguale tra tutti i cilindri o camicie;
b) il pi? esterno (23) ed il pi? interno (24) di detti cilindri o camicie essendo collegati ad una sorgente elettrica per costituire rispettivi poli negativi e positivi dell?elettrolita;
in cui detti cilindri concentrici (11) o camicie sono chiusi alle loro due estremit? da un primo tappo (12) posto ad una estremit? ed un secondo tappo (13) posto all?estremit? opposta, detti primo e secondo tappo (12, 13) sono internamente sagomati con cavit? a disposizione scalare corrispondente alla sagomatura scalare delle estremit? dei cilindri concentrici (11) formando la loro contro-sagoma e dotati di canali (18, 19, 20) che consentono il passaggio di una soluzione liquida proveniente da una camera interna (16) del secondo tappo (13), la trasformazione della soluzione liquida in gas mediante elettrolisi all?interno di dette intercapedini e la raccolta di detti gas all?interno di camere (14, 15) poste nel primo tappo (12).
2. Cella elettrolitica secondo la rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che detto primo tappo (12) ? dotato di canalizzazioni (18, 19) adibite alla raccolta di gas separati immessi in rispettive camere anulari (14, 15).
3. Cella elettrolitica secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto secondo tappo (13) ? dotato di una camera anulare contenente una soluzione liquida raccolta attraverso un condotto d?ingresso (17) ed immessa in dette intercapedini (11?) attraverso canalizzazioni (20) ricavate in detto tappo (13).
4. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detto primo tappo (12), che ? internamente sagomato con cavit? a disposizione scalare corrispondente alla sagomatura scalare della rispettiva estremit? cilindrica formando la sua contro-sagoma, ? dotato di almeno due camere anulari, una prima camera anulare (14) ed una seconda camera anulare (15), per la raccolta di gas prodotti dall?elettrolisi.
5. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che le canalizzazioni (18, 19) del primo tappo (12) mettono in comunicazione dette intercapedini (11?) con le rispettive camere anulari (15, 14) che raccolgono il gas idrogeno ed il gas ossigeno prodotto dall?elettrolisi.
6. Cella elettrolitica secondo la rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che le canalizzazioni (20) mettono in comunicazione la soluzione liquida proveniente dalla camera (16) del tappo (13) con le intercapedini (11?).
7. Cella elettrolitica per l?elettrolisi di un elettrolita secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che le intercapedini (11?) che producono gas separati comprendono una rete (21) che mantiene separati i gas prodotti dall?elettrolisi.
8. Cella elettrolitica secondo la rivendicazione 7, caratterizzata dal fatto che detta rete di separazione (21) comprende un cilindro che forma due intercapedini ove dal lato del polo positivo si genera idrogeno, dall?altro ossigeno.
9. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che i poli positivo e negativo sono ottenuti dalla polarit? e dalla disposizione di cavi elettrici collegati rispettivamente con la camicia pi? interna (24) dei cilindri (11) e con la camicia pi? esterna (23) degli stessi cilindri (11).
10. Cella elettrolitica per l?elettrolisi di un elettrolita secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che ogni intercapedine fa defluire i gas prodotti dall?elettrolisi all?interno delle camere (14, 15) dei tappi (12, 13) attraverso fori (25) di uscita che si immettono nelle due camere distinte di raccolta dei gas.
11. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che i tappi 12 e 13 sono fissati ai cilindri (11) attraverso una vite centrale (26).
12. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che dette camere anulari (14, 15) sono collegate con l?esterno della cella elettrolitica attraverso rispettivi manicotti di uscita (27, 28).
13. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che detti cilindri concentrici (11) o camicie sono realizzati in materiale metallico ed a conducibilit? elettrica, e sono collegati a poli positivi e negativi di sorgenti di alimentazione elettrica.
14. Cella elettrolitica secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzata dal fatto che essa ? in grado di produrre gas idrogeno, ossidrogeno ed ossigeno in modalit? non stechiometrica.
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| GB454915A (en) * | 1935-08-24 | 1936-10-09 | Siemens Ag | Improvements in apparatus for electrolytically decomposing water |
| US3990962A (en) * | 1973-10-01 | 1976-11-09 | Goetz Friedrich | Electrolytic cell device |
| US5858185A (en) * | 1994-03-08 | 1999-01-12 | Aquagas New Zealand Limited | Electrolytic apparatus |
| DE102009025887B3 (de) * | 2009-05-29 | 2011-01-13 | Helmut Dr. Fackler | Elektrolysegerät |
| US11008661B2 (en) * | 2016-03-14 | 2021-05-18 | Frimann Innoswiss | Portable electrolyzer and its use |
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-
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- 2022-08-22 WO PCT/IB2022/057834 patent/WO2023026164A1/en active Application Filing
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Publication date |
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