IT202100030989A1 - Sistema di alimentazione di un motore ad accensione comandata - Google Patents

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hydrogen
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IT102021000030989A
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Sergio Giordana
Marco Micellone
Stefano Brunetti
Marco Verrocchio
Andrea Costa
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 trasporti, 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 di idrometano industriale ? ancora scarsa e le percentuali di idrogeno non sono costanti e difficilmente prevedibili.
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, per?, 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 immediatamente prima della loro combustione.
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 nel collettore di aspirazione del relativo cilindro.
Un?unit? di elaborazione controlla selettivamente ed indipendentemente il funzionamento dei due iniettori in funzione di alcuni parametri.
Secondo la presente invenzione, il rapporto metano/idrogeno ? calcolato almeno in funzione delle qualit? del metano. Con l?espressione ?qualit? del metano? si intende la sua resistenza alla detonazione, fortemente dipendente dalla sua composizione chimica. Pi? in generale risulta possibile conoscere diverse propriet? del combustibile, tra cui il potere calorifico e la sua resistenza alla detonazione.
Sono noti dispositivi e metodi per stimare le propriet? di un combustibile. Esempi sono in WO2020223441, EP3161469 e EP0997627 qui integrati per riferimento.
Mentre nel primo caso si prevede di eseguire un?analisi spettroscopica del combustibile, negli altri casi si prevede di ricavare indirettamente alcune propriet? del combustibile variando alcuni parametri di funzionamento del motore e monitorando gli effetti di tale variazione mediante un sensore di ossigeno disposto sulla linea di scarico.
Implementando la soluzione di WO2020223441 risulta possibile stimare le propriet? del combustibile senza interrompere la contemporanea iniezione di idrogeno.
Implementando la soluzione descritta in EP0997627 risulta necessario inibire l?iniezione di idrogeno fintanto che non ? terminata la fase di analisi del metano.
L?analisi delle propriet? del metano possono essere causate dall?operazione di rifornimento di metano o, nel caso dell?LNG, secondo intervalli di tempo prestabiliti. Per esempio, in funzione dalla possibile evoluzione temporale della composizione del combustibile nel serbatoio del veicolo.
Secondo la presente invenzione, dunque, la miscelazione dell?idrogeno dipende dalle specifiche propriet? del metano imbarcato a bordo.
Evidentemente, tali propriet? sono variabili con la composizione del metano.
Secondo una forma di realizzazione preferita dell?invenzione, la composizione della miscela metano/idrogeno ? variata dinamicamente, in funzione di alcuni parametri misurati allo scarico, quali O2, NOx, CO, etc..
Vantaggiosamente, grazie alla presente invenzione risulta possibile migliorare la combustione del motore a combustione interna minimizzando il consumo complessivo di combustibile e contestualmente mantenendo la quantit? degli inquinanti emessi entro predeterminati limiti.
Secondo una variante preferita ma non essenziale dell?invenzione, un iniettore di metano ? accoppiato ad un iniettore di idrogeno a definire un singolo iniettore multi-specie. Ciascun iniettore conserva la propria autonomia nel senso che pu? essere controllato in modo indipendente dall?altro.
Preferibilmente, 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.
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.
Vantaggiosamente il sistema di iniezione multi-specie secondo le presenti varianti preferite, 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 sezione longitudinale secondo un piano di giacenza;
nella figura 3 ? mostrato un gruppo di dispositivi di iniezione multi-specie associati assieme per essere collegati ad un motore a combustione interna ad accensione comandata;
nella figura 4 ? mostrato un esempio di metodo oggetto della presente invenzione.
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.
Evidentemente, il motore aspira anche aria come comburente. 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, la miscela di idrometano viene variata in relazione alle condizioni operative del motore e preferibilmente in funzione delle caratteristiche del metano.
E? noto che il metano ha un numero di ottano equivalente strettamente collegato alla composizione del metano distribuito.
Pertanto, secondo un aspetto preferito della presente invenzione, l?unit? di elaborazione predisposta a controllare il funzionamento dell?iniettore multi-specie ed in generale del motore a combustione interna, ? configurata per miscelare le due specie in funzione di una qualit? del metano.
Essa pertanto ? configurata per eseguire una procedura di analisi A della qualit? del metano e successivamente per determinare R un rapporto tra le due specie in funzione almeno della qualit? del metano, vedi figura 4.
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. Pi? preferibilmente, essa ? ulteriormente configurata per determinare un rapporto tra le due specie anche in funzione delle condizioni operative del motore a combustione interna.
Ad esempio, 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.
La procedura di analisi della qualit? del metano pu? prevedere l?inibizione dell?iniezione dell?idrogeno fino al termine della procedura di analisi stessa.
Preferibilmente, la procedura di analisi ? innescata a seguito di un rifornimento di gas metano.
La figura 4 mostra un blocco CK di verifica dell?evento di rifornimento di metano. La verifica cicla su se stessa fintanto che non si verifica una procedura di rifornimento. Al termine della determinazione della qualit? A del metano, il diagramma torna a ciclare sul blocco CK e contestualmente calcola, passo R, il rapporto tra le specie.
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 l?unit? di elaborazione ECU che controlla il motore a combustione interna e i relativi sottosistemi.
Preferibilmente, il rapporto tra le specie ? funzione non soltanto della qualit? del metano, ma anche di almeno un parametro di funzionamento del motore quale ad esempio, temperatura dell?acqua di refrigerazione e velocit? di rotazione del motore.
Secondo una variante preferita dell?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 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 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 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 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.
Sono possibili varianti realizzative all'esempio non limitativo descritto, 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.
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. Metodo di alimentazione di un motore a combustione interna ad accensione comandata comprendendo una procedura di miscelazione (R), a bordo veicolo, di metano e idrogeno ed in cui un rapporto tra il metano e l?idrogeno ? determinato almeno in funzione di una qualit? del metano.
2. Metodo secondo la rivendicazione 1, ulteriormente comprendente una procedura di analisi (A) preliminare della qualit? del metano.
3. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detta analisi ? realizzata mediante un sensore.
4. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detta analisi ? realizzata mediante una procedura di variazione dei parametri di alimentazione del motore a combustione interna ed una conseguente analisi di specie gassose contenute in gas esausti prodotti in conseguenza a detta procedura di variazione.
5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detta procedura di analisi comprende un passo di inibire una iniezione di idrogeno per un?intera durata della procedura di analisi.
6, Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detta procedura di miscelazione (R) ? funzione anche di almeno un parametro di funzionamento del motore.
7. Metodo secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, in cui detto rapporto tra il metano e l?idrogeno ? arricchito in 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 acqua motore al di sotto di una predeterminata soglia di temperatura.
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 operativamente collegato con il collettore di aspirazione ed un?unit? di elaborazione configurata per controllare detto dispositivo di iniezione in modo da miscelare, a bordo veicolo, metano e idrogeno secondo un rapporto tra il metano e l?idrogeno determinato almeno in funzione di una qualit? del metano.
9. Motore secondo la rivendicazione 8, ulteriormente comprendente mezzi di analisi preliminare di una qualit? del metano.
10. Motore secondo la rivendicazione 9, in cui detti mezzi di analisi preliminare comprendono
- un sensore di analisi della qualit? del metano, oppure - sono integrati in detta unit? di elaborazione, la quale ? configurata per variare almeno un primo parametro di funzionamento del motore e per osservare almeno un secondo parametro di funzionamento del motore per stimare detta qualit? del metano.
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