IT202100030977A1 - Sistema di alimentazione di un motore ad accensione comandata - Google Patents

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Nicola Rapetto
Davide Barbati
Andrea Bizzarri
Massimo Ferrera
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Landi Renzo Spa
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
?SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DI UN MOTORE AD ACCENSIONE COMANDATA?
Campo di applicazione dell?invenzione
La presente invenzione ? relativa al campo dei motori ad accensione comandata ed in particolare ai sistemi di alimentazione.
Stato della tecnica
L'idrometano ? una miscela gassosa composta dal 10%?30% in volume di idrogeno e dal 70%?90% in volume di metano, utilizzata principalmente nel settore automobilistico, come combustibile. La presenza di idrogeno contribuisce a migliorare la resa di combustione del motore e a ridurre le emissioni di CO2 equivalente e NOx in atmosfera, essendo l'idrogeno una fonte di energia pulita.
Sia il gas metano che il gas idrogeno costituenti l?idrometano possono essere prodotti per via biologica o attraverso processi di sintesi, accrescendo l?utilizzo di fonti di energia rinnovabili e contribuendo ulteriormente agli obiettivi di decarbonizzazione del settore trasporti. Viste le propriet? dell?idrometano, si ? pensato in passato di distribuire del metano addizionato di idrogeno a circa il 10% in volume, per sfruttare i vantaggi della miscela.
Questo idrometano, generato artificialmente ? generalmente appellato come ?idrometano industriale?.
Tuttavia, la diffusione del idrometano ? scarsa e le percentuali di idrogeno non sono costanti.
In vista di una maggiore diffusione del vettore idrogeno nel sistema energetico, il sistema di distribuzione del gas prevede un parziale utilizzo delle reti del gas metano per iniettare idrogeno e poterlo in questo modo veicolare dal punto di produzione al punto di utilizzo. Recenti studi hanno dimostrato la compatibilit? delle reti di distribuzione del gas metano a bassa pressione fino a percentuali di idrogeno dell?ordine del 10-15% (in volume). E? quindi possibile che in futuro il sistema di distribuzione del gas contenta tale tipo di miscela.
Tale approccio, pero?, risulta ancora non chiaro a livello europeo, n? in termini di tempistiche n? in termini di ubicazione dei punti di iniezione dell?idrogeno.
Dal punto di vista dell?utilizzo attraverso il sistema trasporti, questo approccio risulta quindi ancora fortemente aleatorio.
Inoltre, considerando il caso di utilizzo del metano in forma liquida (LNG), non risulta possibile miscelare idrogeno nel metano liquefatto a causa delle differenti temperature di liquefazione. Pertanto, attualmente, non risulta possibile prevedere una diffusione capillare dell?idrometano.
Se non specificatamente escluso nella descrizione di dettaglio che segue, quanto descritto nel presente capitolo ? da considerarsi come parte integrante della descrizione di dettaglio.
Sommario dell?invenzione
Scopo della presente invenzione ? quello di proporre una soluzione alle problematiche inerenti l?impiego di idrometano.
L?idea di base della presente invenzione ? quella di proporre un sistema di iniezione del metano e dell?idrogeno in modo che la miscela di idrometano sia realizzata direttamente a bordo del veicolo durante la combustione della stessa.
Pi? in particolare, secondo la presente invenzione, ad ogni cilindro sono associati due iniettori, di cui un primo iniettore disposto per iniettare metano in forma gassosa ed un secondo iniettore disposto per iniettare idrogeno in forma gassosa.
Secondo la presente invenzione, i due iniettori sono associati assieme in modo da iniettare le rispettive specie in un canale comune di iniezione, atto ad essere operativamente associato al collettore di aspirazione del relativo cilindro.
Il canale comune di iniezione ? un componente distinto e separato dal collettore di aspirazione.
Ciascun iniettore del dispositivo di iniezione multi-specie definisce un asse di sviluppo, cosicch? l?asse di sviluppo di un iniettore ? incidente con l?asse di sviluppo dell?altro iniettore definendo una configurazione a Y in combinazione con il canale comune di iniezione.
Secondo una variante preferita dell?invenzione, il canale comune di iniezione ? realizzato in una scocca che ? in un sol pezzo con gli involucri dei due iniettori definendo un dispositivo di iniezione multi-specie a forma di Y.
Il dispositivo di iniezione multi-specie pu? essere associato direttamente al relativo collettore di aspirazione oppure per il tramite di una prolunga opzionalmente flessibile.
Secondo una implementazione preferita dell?invenzione, un motore a combustione interna comprende almeno un dispositivo di iniezione multi-specie. Pi? in particolare, il dispositivo di iniezione multi-specie individua un piano di contenimento ed in cui il piano di contenimento risulta perpendicolare o incidente con un albero motore del motore a combustione interna quando operativamente associato con il motore a combustione interna.
Vantaggiosamente il sistema di iniezione multi-specie permette non solo di semplificare l?assemblaggio del motore a combustione interna, ma permette anche di limitare gli ingombri del sistema di iniezione.
Quando il motore a combustione interna comprende due o pi? cilindri disposti in linea, i corrispondenti due o pi? sistemi di iniezione multi-specie condividono due condotti (rail) di distribuzione dei due combustibili, preferibilmente disposti parallelamente all?albero motore del motore a combustione interna.
Secondo un ulteriore aspetto preferito dell?invenzione, il rapporto tra metano e idrogeno ? variato in funzione di alcuni fattori:
- Punto di funzionamento del motore,
- Temperatura ambiente e/o temperatura del liquido di raffreddamento del motore,
- Caratteristiche del metano,
- Livelli di combustibile nei serbatoi di metano e idrogeno.
Le rivendicazioni dipendenti descrivono varianti preferite dell?invenzione, formando parte integrante della presente descrizione.
Breve descrizione delle figure
Ulteriori scopi e vantaggi della presente invenzione risulteranno chiari dalla descrizione particolareggiata che segue di un esempio di realizzazione della stessa (e di sue varianti) e dai disegni annessi dati a puro titolo esplicativo e non limitativo, in cui:
nelle figure 1 e 2 ? mostrato un esempio realizzativo di un dispositivo di iniezione multi-specie rispettivamente secondo una vista laterale e secondo una corrispondente sezione longitudinale;
nella figura 3 ? mostrata una vista prospettica di un gruppo di iniettori multi-specie secondo le figure precedenti di un motore a combustione interna.
Gli stessi numeri e le stesse lettere di riferimento nelle figure identificano gli stessi elementi o componenti o funzioni.
Si dovrebbe anche notare che i termini "primo", "secondo", "terzo", "superiore", "inferiore" e simili possono essere usati qui per distinguere vari elementi. Questi termini non implicano un ordine spaziale, sequenziale o gerarchico per gli elementi modificati a meno che non sia specificatamente indicato o desumibile dal testo.
Gli elementi e le caratteristiche illustrate nelle diverse forme di realizzazione preferite, inclusi i disegni, possono essere combinati tra loro senza peraltro uscire dall?ambito di protezione della presente domanda come descritta di seguito.
Descrizione di dettaglio di esempi di realizzazione
La figura 1 mostra un esempio di dispositivo MJ di iniezione multi-specie secondo la presente invenzione. In particolare, esso ? configurato per l?iniezione di due specie gassose differenti.
Esso comprende una coppia di iniettori J1, J2 associati assieme in modo da produrre una miscela di idrometano direttamente a bordo del veicolo durante la combustione della stessa.
In altre parole, la miscela prodotta non viene in alcun modo immagazzinata per un uso successivo. La miscela prodotta viene direttamente iniettata nel collettore di aspirazione di un cilindro durante il suo funzionamento, in modo da bruciarla.
Il primo iniettore J1 ? disposto per iniettare metano in forma gassosa, mentre il secondo iniettore J2 ? disposto per iniettare idrogeno in forma gassosa.
Secondo la presente invenzione, i due iniettori sono associati assieme in modo da iniettare le rispettive specie in un canale comune di iniezione CMC, atto ad essere operativamente collegato con il collettore di aspirazione del relativo cilindro.
Come visibile nelle figure 1 e 2, ciascun iniettore J1 e J2 definisce un asse di sviluppo, rispettivamente X e Y, cosicch? l?asse di sviluppo del primo iniettore J1 ? incidente con l?asse di sviluppo del secondo iniettore J2, definendo una configurazione a V. Pi? in particolare, secondo una variante preferita dell?invenzione, gli iniettori definiscono con il canale comune di iniezione CMC una configurazione a Y.
Preferibilmente, l?angolo tra l?asse X e l?asse Y ? compreso tra 10? e 90?.
Agli estremi liberi della configurazione a V sono disposti dei connettori elettrici CN1 e CN2 che consentono di controllare in modo indipendente il funzionamento dei rispettivi iniettori J1 e J2.
Il canale comune CMC pu? avere forma qualunque. Esso ? collegato agli iniettori J1 e J2 nel vertice definito dal punto di incidenza delle rette X e Y. Esso pu? avere forma rettilinea o curva. Preferibilmente, esso ha forma rettilinea ed il relativo asse di sviluppo risulta essere bisettrice dell?angolo individuato dall?intersezione degli assi X e Y.
Tuttavia, l?asse di sviluppo Z del canale comune CMC pu? coincidere con l?asse X oppure con l?asse Y.
Se si considera un piano di contenimento in cui giacciono gli assi X e Y, l?asse Z del canale comune pu? anch?esso appartenere allo stesso piano oppure pu? essere incidente con esso.
Secondo una variante preferita dell?invenzione, il canale comune di iniezione ? realizzato in una scocca che ? in un sol pezzo con gli involucri dei due iniettori.
Il canale comune di iniezione del dispositivo di iniezione multi-specie pu? essere associato direttamente al relativo collettore di aspirazione oppure per il tramite di una prolunga opzionalmente flessibile.
Con riferimento alla figura 1, il corpo del dispositivo MJ comprende una prima porta R1 ed una seconda porta R2 destinate ad essere collegate a rispettivi rail di distribuzione delle due specie. Le porte sono perpendicolari al piano di contenimento individuato dagli assi X e Y.
Secondo una implementazione preferita dell?invenzione, un motore a combustione interna comprende almeno un dispositivo di iniezione multi-specie. Pi? in particolare, gli assi X e Y del dispositivo di iniezione multi-specie individuano un piano di contenimento che pu? risultare perpendicolare o incidente con l?albero motore del motore a combustione interna quando operativamente associato con il motore stesso.
Vantaggiosamente il sistema di iniezione multi-specie permette non solo di semplificare l?assemblaggio del motore a combustione interna, ma permette anche di limitare gli ingombri del sistema di iniezione.
Quando il motore a combustione interna comprende due o pi? cilindri disposti in linea, i corrispondenti due o pi? sistemi di iniezione multi-specie sono disposti in modo che i relativi piani individuati dagli assi X e Y risultano paralleli tra loro.
Questo fatto permette di adottare due condotti (rail) di distribuzione dei due combustibili perfettamente rettilinei e disposti parallelamente tra loro e con l?albero motore del motore a combustione interna.
Secondo un altro aspetto della presente invenzione, la miscela di idrometano viene variata in relazione alle condizioni operative del veicolo.
E? noto che l?idrogeno ha una resistenza alla detonazione molto inferiore al metano; quest?ultimo ha un numero di ottano equivalente strettamente collegato alla composizione del metano distribuito.
In virt? di tali differenze delle propriet? di combustione delle due specie si pu? prevedere di operare il motore a combustione interna con una miscela ricca di idrogeno:
1) al minimo (idle)
2) in condizioni di crociera con erogazione di coppia inferiore ad una prefissata percentuale (es. 35%) della massima coppia erogabile,
3) in condizioni di aria aspirata molto fredda e/o acqua motore ancora fredda.
Al contrario, quando la temperatura del motore e/o dell?aria ambientale e/o la velocit? di rotazione del motore eccede una predeterminata soglia, risulta vantaggioso limitare la percentuale di idrogeno in modo da garantire un numero medio di ottano adeguato.
Secondo un altro aspetto preferito dell?invenzione, l?addizione di idrogeno dipende dalla qualit? del metano. E? noto che l?idrogeno aiuta a migliorare la combustione. E? anche noto che il metano puro non esiste e che la presenza di idrocarburi pi? pesanti (e.g. etano, propano) e/o di gas inerti (e.g. N2, CO2) possono portare a delle variazioni della resistenza alla detonazione dello stesso. Pertanto secondo un aspetto dell?invenzione, la percentuale di idrogeno iniettata nel motore pu? variare in relazione alla disponibilit? delle due specie.
Infatti, in caso la quantit? residua di metano fosse limitata, per estendere l?autonomia del veicolo ? possibile incrementare la percentuale di idrogeno iniettato fino al limite massimo di progetto. Viceversa, quando la quantit? residua di idrogeno fosse limitata, la percentuale di idrogeno iniettata pu? essere ridotta o annullata.
Evidentemente, in relazione alla percentuale di idrogeno iniettata, i tempi di accensione possono essere opportunamente variati tenendo conto della diversa composizione della miscela in ingresso al motore.
La gestione delle specie iniettate nel motore ? realizzata mediante un?unit? di elaborazione ECU che controlla il motore a combustione interna e i relativi sottosistemi.
L?unit? di elaborazione ? disposta e collegata con ciascun iniettore multi-specie in modo da poter controllare selettivamente ed indipendentemente il funzionamento dell?iniettore di metano e dell?iniettore di idrogeno.
La figura 3 mostra un gruppo di iniettori multi-specie secondo la presente invenzione interconnessi mediante il condotto R, generalmente denominato rail. In realt?, in esso sono alloggiati due condotti separati e paralleli per convogliare idrogeno e metano. Due sensori TS1 e TS2 di temperatura sono associati al rail per misurare la temperatura delle due specie di combustibile ai fini della regolazione dei parametri di combustione e di miscelazione delle stesse specie immediatamente prima della relativa combustione.
Sono possibili varianti realizzative agli esempi non limitativi descritti, senza per altro uscire dall?ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti, per un tecnico del ramo, al contenuto delle rivendicazioni allegate.
Dalla descrizione sopra riportata il tecnico del ramo ? in grado di realizzare l?oggetto dell?invenzione senza introdurre ulteriori dettagli costruttivi.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo (MJ) di iniezione di metano e idrogeno comprendente
- un primo iniettore (J1) di metano,
- un secondo iniettore (J2) di idrogeno,
- un unico condotto comune di iniezione (CMC),
in cui gli iniettori sono associati assieme in modo da produrre una miscela di metano e idrogeno con un rapporto tra la concentrazione di idrogeno e metano variabile nel tempo, ed in cui detto condotto comune di iniezione ? conformato per essere operativamente collegato con un collettore di aspirazione di un motore a combustione interna ad accensione comandata.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun iniettore (J1, J2) definisce un asse di sviluppo (X, Y), cosicch? l?asse di sviluppo del primo iniettore (J1) ? incidente con l?asse di sviluppo del secondo iniettore (J2), definendo una configurazione a V.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, in cui detto condotto comune di iniezione ? collegato con il vertice di detta configurazione a V.
4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui detto condotto comune di iniezione ? rettilineo ed un relativo asse di sviluppo (Z) risulta giacente o incidente con un piano individuato dagli assi di sviluppo di detti primo e secondo iniettore.
5. Dispositivo secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui in ciascuno degli estremi liberi della configurazione a V ? associato un connettore elettrico (CN1, CN2) per collegare un cablaggio elettrico di controllo indipendente del primo e del secondo iniettore.
6. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni 1 - 5, in cui il canale comune di iniezione ? realizzato in una scocca che ? in un unico pezzo con gli involucri del primo e secondo iniettore.
7. Dispositivo secondo una qualunque delle rivendicazioni 3 ? 6, ulteriormente comprendente una prima porta (R1) ed una seconda porta (R2) destinate ad essere collegate a rispettivi condotti di distribuzione rispettivamente del metano e dell?idrogeno ed in cui dette prima e seconda porta sono perpendicolari al piano individuato dagli assi di sviluppo (X, Y) di detti primo e secondo iniettore.
8. Motore a combustione interna ad accensione comandata comprendente almeno un cilindro avente un collettore di aspirazione ed almeno un dispositivo (MJ) di iniezione di metano e idrogeno secondo una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 7 operativamente collegato con il collettore di aspirazione.
9. Motore secondo la rivendicazione 8, ulteriormente comprendente mezzi di elaborazione configurati per controllare detti primo e secondo iniettore variando una composizione della miscela introdotta in detto cilindro in funzione di almeno un parametro di funzionamento del motore.
10. Motore secondo la rivendicazione 9, in cui detti mezzi di elaborazione sono configurati per alimentare il motore a combustione interna con una miscela pi? ricca di idrogeno almeno in una delle seguenti condizioni operative:
1) al minimo (idle)
2) in condizioni di crociera con erogazione di coppia inferiore ad una prefissata percentuale (es. 35%) della massima coppia erogabile,
3) in condizioni di temperatura dell?aria aspirata e/o dell?acqua motore al di sotto di una predeterminata soglia di temperatura,
4) quando una quantit? residua di metano ? sotto una predeterminata soglia.
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