IT9020164A1 - Sistema per la riduzione dell'inquinamento atmosferico nei motori a c. i. ad alto rendimento a mezzo di arricchimento di ossigeno all' aspirazione e di controllo della massa del fluido operante in camera di combustione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

E noto che i motori a combustione interna alimentati da benzina, gasolio o altro idrocarburo sono una fonte di inquinamento atmosferico e che notevoli sforzi vengono compiuti per ridurre sempre di più il tasso di inquinanti presenti nei gas di scarico.

Questi sono costituiti da tre tipi di composti chimici che vengo= no convenzionalmente indicati come HC, per indicare gli incombusti, CO per indicare il monossido di carbonio ed NOX per indicare gli ossidi d'azoto.

Questi composti hanno una genesi diversa in quanto i primi due, HC e CO ovvero incombusti e monossido di carbonio, possono attribuirsi ad una cattiva combustione del carburante dovuta ad una carenza di ossigeno, anche se alcuni autori attribuiscono a fenomeni di dissociazione della C02 la pre senza di monossido di carbonio, mentre l'ossido di Azoto NOX

dipende quasi esclusivamente dalle alte temperature di combustione.

I sistemi proposti per ridurre, o almeno contenere, la produzione di emissioni inquinanti si basano principalmente su due concetti diversi: sistemi cioè che operano sulle postcombustioni dei gas di scarico, e precisamente le Marmitte Catalitiche, e la ricircolazione dei gas di scarico al1'apirazione, ovvero sistema E G R (Exhaust Gas Recirculation) . lì primo sistema viene impiegato per ridurre l'emissione di 00 ed HO mentre il secondo ha la funzione di ridurre la formazione di NOx attraverso un controllo della temperatura di combustione. Entrambe i sistemi hanno lo svantaggio di ridurre la potenza erogata dal motore sui cui sono impiegati ed in particolare il secondo, l'EGR, crea problemi di instabilità nel corso del funzionamento, principalmente nei transitori ed in regime di carico massimo.

Fra i tanti sistemi proposti, per controllare la temperatura di combustione, incluso l'uso di miscele di carburante emulsionate stabilmente con acqua e l'iniezione di acqua pura, il famoso "più cento" degli aerei, nessuno è ancora riuscito a risolvere totalmente il problema delle emissioni.

D'altra parte è noto che si possono ottenere combustioni complete in ossigeno puro, ovvero in miscele di aria arricchita di ossigeno, così come si può controllare la temperatura di combustione mediante l'iniezione di acqua nella camera di combustione stessa, secondo una tecnica usata nelle motrici termiche dei siluri.

il fenomeno dell’inquinamento è ulteriormente aggravato nel traffico urbano dai cosiddetti '‘transitori", dalla necessità cioè di variare continuamente il regime del motore in funzione delle esigenze esterne. E' nota a tutti la cosiddetta "fumata", provocata da un autobus che riparte improvvisamente al semaforo verde, dopo aver mantenuto il motore al minimo in attesa della via libera.

in queste condizioni i sistemi correnti, marmitte catalitiche e sistema EGR, non hanno alcun effetto dovendosi addirittura escludere quest'ultimo nelle condizioni di minimo e di pieno carico.

Il lavoro sperimentale dell'Autore ha invece dimostrato che un opportuno dosaggio di ossigeno in camera di combustione ha come conseguenza l'eliminazione totale del monossido di carbonio contrariamente alla teoria che vuole quest'ultimo prodotto dalla dissociaiione della C02.

L'oggetto della presente invenzione è appunto un impianto che consenta l'applicazione di questi principi ad un motore a combustione interna, vuoi a ciclo otto vuoi a ciclo Diesel, in modo da ottenere una combustione perfetta del carburante, eliminando così la produzione di incombusti e di monossido di carbonio, ed un controllo della temperatura stessa di combustione al fine di ridurre, sino ad eliminare, la produzione di ossidi d'azoto NOX anche durante i transitori.

Descrizione_ degli_ schemi_ funzionali_ della invenzione e dei sistemi preferiti.

Nella prima configurazione che ora descriviamo, illustrata in figura la, un motore a combustione interna AC schematizzato da 12, aspira aria ambiente dal collettore di aspirazione 5. L'aria entra nella camera di combustione 18 attraverso la valvola di aspirazione 6 aperta mentre la valvola di scarico 7 è chiusa. L'aria entra nel collettore di aspirazione 5 dopo aver attraversato il filtro di aspirazione 1, la camera di iniezione ossigeno 2, la camera di miscelazione dinamica 3 e la camera di miscelazione a turbolenza 4. La camera di iniezione ossigeno 2 è un semplice cilindro di lamiera su cui sono applicate una o più valvole dosatrici 8, la camera di miscelazione dinamica 3 è costituita da un ugello convergente divergente mentre la camera di miscelazione e turbolenza è costituita da un cilindro di lamiera munita di alettature elicoidali, non indicate in figura, per garantire la perfetta miscelazione fra l'aria di aspirazione e l'ossigeno gassoso di cui parleremo di seguito.

Il sistema è completato da uno o più serbatoi d'ossigeno 11, ossigeno che può essere gassoso o liquido, in figura 1 si è indicato un serbatoio coibentato di ossigeno liquido con coibentazione criogenica 44, una valvola riduttrice di pressione io, con incorporato un evaporatore di ossigeno liquido se necessario, un condotto 9 che collega il serbatoio alla valvola riduttrice evaporatore 10, e quindi la stessa valvola riduttrice 10 alla valvola, o alle valvole, dosatrici 8.

La valvola dosatrice 8 è comandata da una centralina elettronica 19 che pilota la sua apertura in funzione dei segnali che le provengono dal sensore di temperatura 15, montato sul collettore di scarico 14, dal sensore della percentuale di ossigeno 16, montato sullo stesso collettore di scarico e che provvede a misurare la percentuale di ossigeno nei gas di scarico, dal sensore di portata del carburante che viene iniettato attraverso l'iniettore 13, nel caso di un motore Diesel, o da un sensore analogo nel caso di un motore a scoppio, e dal sensore del numero dei giri.

Questi due ultimi sensori, sensore di portata del carburante e sensore del numero dei giri non sono -indicati in figura 1.

In figura 1 si sono indicati un motore ad accensione a compressione figura la ed ib ed un motore ad accensione a scintilla figura 1C equipaggiati con il trovato,

In figura 2 si è indicato un tipo della valvola dosatrice di ossigeno 8. L'ossigeno gassoso, proveniente dal serbatoio 11 dove è contenuto allo stato gassoso ad alta pressione, oppure allo stato liquido a bassa pressione, dopo aver subito una riduzione di pressione ed una eventuale vaporizzazione entra nel corpo 20 della valvola dosatrice 8 attraverso il condotto ?. Il naso 25a della valvola dosatrice è chiuso dallo spillo 21 che è tenuto in posizione chiusa dalla molla elicoidale 23 registrata attraverso lo spingi molla registrabile 25. L'ancoretta magnetica 22 viene attirata dall'equipaggio magnetico 24 che può provocare sia un movimento completo di apertura, secondo il sistema "tutto-niente" sia un movimento proporzionale alla corrente di eccitazione, creando in tal caso un flusso variabile di gas in funzione dell'apertura dello spillo 21.

Il sistema pertanto, secondo quando indicato in figura 1a, è costituito essenzialmente da un motore a combustione interna, da un serbatoio di ossigeno liquido o gassoso, una camera di miscelazione, una o più valvole dosatrici di ossigeno comandate da una centralina elettronica che interpreta i segnali di temperatura e percentuale di ossigeno nei gas di scarico legandoli al numero di giri del motore stesso ed alla mandata del carburante in camera di combustione, il tutto con la funzione di creare in camera di combustione una miscela di aria arricchita di ossigeno in una percentuale superiore a quella dell'ossigeno presente nell’aria.

Esaminiamo ora il funzionamento del sistema avendo sott'occhio la fig. 1a.

Quando il pistone 17 del motore AC 12 aspira aria dall'atmosfera esterna nella sua fase discendente, attraverso il filtro 1 ed il collettore di aspirazione 5, la centralina 19 collegata elettricamente con il collegamento 70 alla valvola 8, che contiene una matrice ricavata sperimentalmente, compara i dati rilevati dai sensori sopra descritti con quelli immagazzinati nella memoria, ed in funzione delle condizioni di carico regola il dosaggio dell'ossigeno puro nella camera di iniezione 2. Pertanto attraverso il collettore di aspirazione 5 entra in camera di combustione 18 una miscela di aria arricchita di ossigeno puro con una percentuale superiore a quella dell'aria atmosferica. Questo arricchimento è una funzione della quantità di carburante immessa nella camera di combustione 18. Si sono così create le condizioni per cui la combustione avviene in un’atmosfera d'aria arricchita d'ossigeno nella percentuale occorrente a che la combustione avvenga in maniera perfetta senza la produzione di incombusti e di ossidazioni parziali,

in figura 1 b si sono indicate le restanti tre fasi del motore AC dove si vede che nel 2° tempo in camera di combustione 18 il pistone 17, a valvole chiuse, comprime una miscela arricchita d'ossigeno rispetto all'atmosfera, secondo il nostro trovato. Successivamente l’iniezione del combustibile e la sua combustione avvengono sempre nella stessa camera di combustione in presenza di una miscela arricchita d'ossigeno in percentuale dosata dalla centralina 19 che comanda la valvola 8, o le valvole in caso di motore piurici1indrico, per garantire una combustione perfetta,

in figura le si sono indicate le varie fasi di un motore ad accensione a scintilla dove il collettore d'aspirazione 5 aspira aria atmosferica arricchita d'ossigeno secondo il nostro trovato così come descritto in figura la.

Anche qui si comprende come la combustione avvenga sempre in una miscela d'aria atmosferica arricchita d'ossigeno in una percentuale superiore all'aria atmosferica.

In figura 3 si è rappresentata schematicamente solo la testata 84 del motore e la sua camera di combustione 18, relativa al motore a combustione interna 12 del sistema di figura 1. In questo caso si è eliminata la camera di miscelazione e si è sistemata direttamente la valvola dosatrice 8 dell'ossigeno gassoso nel condotto di aspirazione di ogni singolo cilindro senza nulla togliere all'inventiva del nostro trovato.

in questo caso la centralina 19 comanderà l'apertura della valvola dosatrice 8 dell'ossigeno solo in concomitanza dell'apertura della valvola di aspirazione 6, provvedendo alla sua chiusura a valvola di aspirazione in fase di chiusura onde economizzare al massimo il consumo di ossigeno. In figura 4 si è rappresentata schematicamente solo la testata 84 del motore a combustione interna e la camera di combustione 18 del motore 12 del sistema di figura 1, e si è provveduto a sistemare la valvola dosatrice dell'ossigeno 8 direttamente nella camera di combustione 18 senza nulla togliere all'inventiva del trovato.

Anche in questo caso l'ossigeno fornito dal serbatoio 11 verrà dosato dalla valvola 8, pilotata dalla centralina 19, attraverso il collegamento elettrico 70 in concomitanza con l'apertura della valvola di aspirazione 6. La valvola dosatrice 8 potrà interrompere il suo flusso dopo la chiusura della valvola di aspirazione 6, aumentando in questo modo la percentuale di ossigeno direttamente in camera di combustione ed incrementando inoltre la massa totale di gas nella stessa,

in figura 5 si è illustrata una variante al presente trovato dove si è rappresentata solo la testata 84 e la camera di combustione 18 di un motore a benzina sovralimentato con una turbina a gas di scarico.

in questa variante manca il serbatio il di Ossigeno. Un compressore 26, trascinato dal motore con un sistema meccanico o fluido dinamico non rappresentato in figura, comprime aria atmosferica nella parte superiore del contenitore a pressione 27 che porta al suo interno un settore di separazione 28 costituito da membrane

permeoselettive .

Naturalmente all'aspirazione il compressore 26 è munito di apposito filtro di aspirazione e fra il compressore 26 ed il serbatoio a pressione 27, è interposto un intercooler non rappresentato in figura.

La parte superiore del serbatoio 27, sovrastante il setto permeoselettivo, è mantenuta ad una pressione adeguata, superiore a quella atmosferica, mediante la valvola 2? che scarica nel collettore di scarico 14, attraverso la tubazione 31, l'aria atmosferica che si è impoverita di ossigeno a causa della membrana permeoselettiva 28.

La parte sottostante alla membrana permeoselettiva 28, del serbatoio resistente a pressione 27, viene convogliata attraverso il condotto 30 all'aspirazione del compressore 33, trascinato dalla turbina a gas di scarico 33 b.

Questa configurazione è fondamentale per il nostro trovato al fine di ridurre il lavoro di compressione del compressore 26. infatti la membrana permeoselettiva 28 aumenta il rendimento al 'aumentare del rapporto delle pressioni fra le due superiici della membrana 28.

Nella nostra configurazione questo è ottenuto creando una leggera sovrappressione con la valvola 29 ed una depressione con l'aspirazione del turbocompressore 33 trascinato dalla turbina a gas di scarico 33b.

infatti lo stesso rapporto di pressioni lo si può ottenere facendo lavorare il compressore 26 con una pressione di mandata di 5 ata, atmosfera assoluta, e mantenendo una pressione di aspirazione del motore nel condotto 30 di 1 ata, pressione atmosferica, cosi come con una pressione di mandata del compressore 26 di 2 ata ed una depressione creata dal turbocompressore 33 di 0,4 ata.

Da qui l'aria arricchita in Ossigeno dalla membrana permeoselettiva viene aspirata dal turbocompressore 33, compressa dallo stesso, e convogliata mediante il collettore 34 al carburatore 32, eventualmente dopo essere stata ulteriormente arricchita con Ossigeno proveniente dal serbatoio 11 di figura 1, qui non indicato. Da qui la miscela aria ossigeno benzina viene convogliata alla valvola di aspirazione del motore 6, che qui si è indicata chiusa, rappresentandosi la fase di scarico del motore avendo indicato la valvola 7 aperta.

E' evidente che attraverso il condotto 31 tutta la massa esuberante, che il compressore 26 ha compresso nella camera superiore del serbatoio 27, andrà ad aumentare l'alimentazione della turbina a gas di scarico, incrementandone la potenza.

Il turbocompressore sarà così in grado di creare una forte depressione nella parte inferiore del serbatoio 27, consentendo alla membrana semipermeabile 23 di funzionare alla massima efficienza.

In figura 6 si è indicata una variante dell'impianto di figura la, relativa ad un motore Diesel, dove si è indicata solo la testata 84 del motore AC con la camera di combustione 18, il pistone 17 e le valvole 6 e 7 di aspirazione e di scarico.

In questo caso la freccia 35 indica il senso di moto del pistone, che si sta avvicinando al punto morto superiore in fase di fine compressione. La valvola di aspirazione 6 è chiusa cosi come quella di scarico 7, e l'iniettore del combustibile 13, alimentato da un sistema d'iniezione non indicato in figura, nebulizza combustibile in camera di combustione mentre la valvola dosatrice 8, alimentata dal serbatoio 11, su comando della centralina 19, inietta il getto 55 di ossigeno puro per effetto della pressione del serbatoio 11, regolata dalla valvola io di fig. la. Cosi l'ossigeno penetra in camera di combustione prima e durante la combustione stessa, aumentando non solo la percentuale di ossigeno in camera di combustione ma anche la massa totale, raggiungendo anche l'effetto di diminuire la temperatura.

Abbiamo descritto sino ad ora i vari sistemi del nostro trovato che ci consentono di aumentare la percentuale di ossigeno in camera di combustione, al fine di ottenere una combustione perfetta e di controllare l'aumento della temperatura attraverso un aumento di massa in camera di combustione.

Resta ora da esaminare l'altro sistema, sempre oggetto della presente invenzione, che oltre a garantire una perfetta combustione mediante 1 'arricchimento di ossigeno, ci consente di controllare la temperatura In camera di combustione per ridurre, o addirittura eliminare, la produzione di ossidi di azoto NOX, economizzando il comburente.

in questo caso il sistema oggetto della presente invenzione è rappresentato dalla iniezione di Acqua ossigenata H2 02. in tal modo la combustione avverrà non solo in un'atmosfera arricchita d'ossigeno ma anche con una sufficiente concentrazione di vapor d'acqua.

E' noto che alle alte temperature il vapor di acqua, soprattutto in presenza di carbonio incandescente quale gli incombusti, si dissocia in idrogeno ed ossigeno con un forte assorbimento di calore.

in particolare il carbonio reagisce con il vapor d'acqua secondo la reazione:

Pertanto l'acqua ossigenata rappresenta il veicolo ideale per arricchire di ossigeno la camera di combustione ed al tempo stesso per controllare la temperatura massima di combustione e mantenerla al disotto del livello di formazione degli NOx.

Infatti l'aumento della massa del fluido trattato in camera di combustione comporta nel riscaldamento della stessa una limitazione della temperatura massima raggiungibile. D'altra parte l'acqua ossigenata è un prodotto instabile che in certe condizioni può provocare miscele esplosive. Ma è anche vero che la decomposizione dell'acqua ossigenata diminuisce con legge esponenziale al diminuire della temperatura di stoccaggio e pertanto è oggetto del presente trovato un impianto dove l'acqua ossigenata è immagazzinata in un serbatoio adiabatico e mantenuta ad una temperatura costante e prefissata inferiore alla temperatura dell'ambiente circostante.

Esaminiamo ora in figura 7 una versione del trovato:

Il sistema è costituito da un serbatoio munito di coibentazione adiabatica, preferibilmente dotato di coibentazione sotto vuoto del tipo criogenico, adatto al contenimento di acqua ossigenata H2 02 con una concentrazione che non superi il 90% ma preferibilmente mantenuta intorno al 70%, anche se il sistema funziona con concentrazioni inferiori, una pompa di alimentazione acqua ossigenata, un regolatore di pressione, un elettroiniettore simile alla valvola dosatrice di figura 2, uno scambiatore di calore alimentato da un gruppo frigorifero, gruppo non indicato in figura, e le linee di collegamento,

E ' noto che l'acqua ossigenata è un composto instabile al1 'aumentare della temperatura e per questa ragione il nostro sistema prevede il suo stoccaggio ad una temperatura inferiore ai 20° C, anche se la sua temperatura preferita è nell'intorno degli zero gradi centigradi o meno. Con riferimento alla figura 7 il serbatoio adiabatico 36, con coibentazione sotto vuoto 44, munito di tappo di carica e valvola di pressione non indicati in figura, è riempito di acqua ossigenata H2 02 di opportuna concentrazione, preferibilmente, intorno al 40-70 3⁄4. La linea 37a preleva l'acqua ossigenata dal fondo del serbatoio isolato adiabat icamente 36 mediante l elettropompa volumetrica 38 l'invia attraverso la linea 37 al regolatore di pressione 3?, una delle cui possibili versioni è rappresentata dettagliatamente in figura 8.il regolatore di pressione 39 alimenta a pressione costante, attraverso la linea 46, l'elet- troiniettore 40 simile a quello descritto in figura 2.

L'acqua ossigenata, mantenuta costantemente in circolo dall ’elettropompa 38 quando l 'elettroiniettore 40 è chiuso, viene riportata nel serbatoio 36 attraverso la linea 51. Questa entra nello scambiatore di calore 41 nel quale, attraverso il circuito indicato dalle frecce 45, circola un fluido frigorifero ad una temperatura prefissata, inferiore alla temperatura di immagazzinamento del serbatoio 36 . L elettrofrigorifero, non indicato in figura, è dotato di un sistema ausiliario di alimentazione indipendente dal motore termico per cui può funzionare e mantenere l'acqua ossigenata alla temperatura prefissata anche a motore fermo.

L'acqua ossigenata fuoriesce dallo scambiatore 41 alla temperatura di esercizio, mai superiore ai 20° C, preferibilmente intorno ai 0°C.

Il serbatoio 36 è munito di sensori di temperatura 53 e 54 e quando, a motore fermo, la temperatura all'interno del serbatoio stesso si avvicina al limite di sicurezza prefissato, la centralina 19 di figura 1, qui non indicata ma parte del sistema di figura 7, mette in moto 1 'elettropompa 3S ed il frigorifero che alimenta lo scambiatore 41. Il frigorifero, come già detto, non è indicato in figura ed è dotato di alimentazione indipendente. La centralina 1? comanda la valvola 43 del by-pass 42 cortocircuitando il sistema e circolando l'acqua ossigenata del serbatoio 36 attraverso lo scambiatore 41 sino a raggiungere la temperatura prefissata sempre inferiore ai 20°c ma preferibilmente intorno agli zero gradi.

La centralina 19 attraverso la lettura dei sensori 15 e 16 sistemati nel collettore di scarico come in figura i, e non indicati in figura 7, ed attraverso la lettura del numero dei giri e del carburante fornito al motore, come nella descrizione relativa alla figura 1, compara i dati confrontandoli con quelli della matrice sperimentale accumulata in memoria e determina la portata dell’elettroiniettore 40 stabilendo la durata del tempo d'apertura e di conseguenza la quantità d'acqua ossigenata che viene iniettata in camera di combustione, cosi facendo la combustione avviene in presenza di un massa di vapor d'acqua arricchito d’ossigeno, e la massa del vapor d'acqua determina la temperatura ottimale per la minima produzione degli NOX.

Analizziamo adesso nel dettaglio il funzionamento del trovato così come descritto in figura sette in cui del motore a combustion interna si è indicata solo la testata 84, la camera di combustione 18, il pistone 17, il senso di moto 35, ascendente in fase di compressione vicino al punto morto superiore, la valvola di aspirazione 6 e di scarico 7 in posizione chiusa, l'iniettore carburante 13, o la candela, e la valvola dosatrice o iniettore od elettroiniettore dell'acqua ossigenata 40.

Un serbatoio isolato adiabaticamente 36, con una coibentazione di tipo criogenico sottovuoto 44, contiene acqua ossigenata H202 ad una temperatura inferiore ai 20° C. Il serbatoio è munito di tappo di riempimento e di valvola di sfiato di sicurezza non indicata in figura.

L'elettropompa volumetrica 38 preleva l'acqua ossigenata attraverso la linea 37a e la manda, attraverso la linea 37 al regolatore di pressione 39 di cui un tipo è indicato in figura 8.

Il regolatore di pressione, come è noto, ha la funzione di mantenere costante la pressione nella linea 37 e nella linea 46 di alimentazione del1'elettro-iniettore 40 mentre la portata eccedente viene ricondotta al serbatoio 36 attraverso la linea 51. L'acqua ossigenata eccedente viene fatta passare attraverso lo scambiatore di calore 41 che viene refrigerato da un fluido a temperatura inferiore ai 20° C, proveniente da un frigorifero, non indicato in figura, di cui si sono rappresentati solo i flussi circolatori indicati con le frecce 45. il compito dello scambiatore 41 è quello di raffreddare l'acqua ossigenata eccedente il fabbisogno del1<1 >elettroiniettore 40 ad una temperatura inferiore di almeno due gradi alla temperatura dell'acqua ossigenata contenuta nel serbatoio 36. Detta temperatura è misurata dai sensori 53 e 54 i cui segnali vengono inviati alla centralina 19 di figura 1, qui non indicata in figura. La loro funzione è quella di permettere alla centralina 19 di termostatare il frigorifero, non indicato in figura salvo per il flusso di andata e ritorno 45, onde mantenere la temperatura della H2 02 nel serbatoio 36 preferibilmente intorno agli zero gradi C ma comunque mai superiore ai 20°C.

Nel circuito è inserito il by-pass 42 con la valvola di by-pass 43 che ha la funzione, a motore fermo, di mantenere sempre l'acqua ossigenata nel serbatoio 36 ad una temperatura preferibilmente intorno agli zero gradi centigradi, comunque mai inferiore ai 20° c, permettendo alla elettropompa 38 di fare circolare l'acqua ossigenata attraverso lo scambiatore 41, il tutto pilotato dai sensori 53 e 54 attraverso la centralina 19 di figura 1, qui non indicata in figura.

Quando il pistone 17, nella sua corsa di compressione indicata dalla freccia 35, si avvicina al punto morto superiore, la valvola 6 è indicata chiusa, cosi come la 7 di scarico, in un istante opportuno avviene l'iniezione di H2 02. L'istante è determinato sperimentalmente per ogni motore o tipo di motore e può essere anche anteriore all'inizio della combustione cosi come ad esempio indicato in figura 7 dal getto 55.

L ' elettroiniettore 40, comandato dalla centralina 19 che ha prelevato i segnali cosi come misurati dai sensori descritti in figura 1, e li ha comparati con la matrice sperimentale che porta nella memoria, comanda l'iniezione di H2 02 in camera di combustione, determinandone l'istante opportuno e la quantità.

Così facendo la combustione avviene in una camera, la camera di combustione 18, dove si sono create artificialmente condizioni di ipeross igenaz ione e si è introdotta una massa di vapore d'acqua che non lascerà superare la temperatura di combustione ottimale, determinata sperimentalmente, in modo da evitare o comunque ridurre di molto, la produzione di NOx.

Contemporaneamente l'eccesso di ossigeno eviterà la formazione di CO e HC creando le condizioni per una combustione perfetta.

In figura 8 si è rappresentato un possibile tipo del regolatore di pressione 3? di fig. 7, dove il condotto che porta la pressione di riferimento è indicato con 47.

Un equipaggio mobile 48 mantiene chiusa la valvola a piattello 50 sotto l'effetto della molla 49. in queste condizioni la linea 46 che porta all'elettro iniettore 40 di figura 7 viene mantenuta alla pressione della elettropompa volumetrica di mandata 38 di figura 7. Quando 1'elettroiniettore è chiuso l'aumento di pressione, creato dalla contropressione sulla pompa volumetrica, provoca l'alzata dell'equipaggio mobile 48 che apre la valvola a piattello 50, consentendo cosi all'acqua ossigenata di ritornare al serbatoio 36, attraverso il condotto 51, dopo essere stata raffreddata nello scambiatore 41.

una ulteriore variante di questo sistema è rappresentata in figura 9.

in questo impianto la pompa 39 è una pompa d'iniezione meccanica, ad esempio del tipo Bosh a pompanti con elica.

La pompa volumetrica d'alimentazione 38 preleva l'acqua ossigenata dal serbatoio 36, isolato adiabaticamente mediante l'isolante 40, per il tramite della linea 37a, e l'invia alla pompa di iniezione meccanica 39 attraverso la linea 37.

L'acqua ossigenata cbe così arriva alla pompa 39 è sempre alla temperatura del serbatoio 36, inferiore ai 20° C o preferibilmente mantenuta intorno a zero gradi c.

Il distributore della pompa d'iniezione meccanica è comandato dalla centralina 19 di figura 1, qui non indicata, che provvede a regolare la mandata di acqua ossigenata quando il pistone 17 è in fase quasi ultimata di compressione, verso indicato dalla freccia 35 e valvola di aspirazione 6 chiusa. La pompa meccanica d'iniezione provvede alla nebulizzazione del getto 55 di acqua ossigenata anche prima, se determinato sperimentalmente, dell'inizio della combustione. Questa viene provocata o dallo scoccare della scintilla della candela 13, nel caso di un motore a benzina, o dall'iniezione di carburante diesel attraverso l'iniettore 13, in caso di motore Diesel.

Anche in questo caso la combustione avverrà nella camera di combustione 18 dove l'atmosfera è stata arricchita, mediante il nostro trovato, da una massa d'ossigeno e di vapor d'acqua artificialmente introdotta in vicinanza del punto morto superiore. La pompa 39 può essere una normale pompa d'iniezione meccanica alternativa o rotativa, in figura 10 si è indicata una pompa classica di iniezione meccanica dove 39 è la pompa multipla, con sei mandate 46, 88 è la camma di azionamento del pompante singolo ed 89 la punteria.

La sola modifica necessaria, come indicato in figure 11b,11c,11d,11e, è la lavorazione necessaria alla creazione di due cave, meglio indicate in figura 11e, per la sistemazione di due tenute dinamiche al fine di impedire il trafilamento di acqua ossigenata nel carter lubrificato, dove le camme provvedono a trasformare il movimento rotativo in movimento alternativo, vedi fig. na. Salvo questa modifica della pompa 39 l'impianto è simile a quello di figura 7 prima descritto.

In figura 11a si è indicato il classico azionamento degli elementi pompanti della pompa di figura 10 dove 88 è la camma di azionamento ed 89 la punteria del pompante. La posizione al Indica il pompante al punto morto inferiore mentre la posizione a2 indica il pompante al punto morto superiore. E' evidente che la mancanza di tenute, nelle pompe d'iniezione classiche, normalmente assicurata dalla tolleranza di lavorazione, potrebbe provocare un minimo di trafilamento con conseguenze disastrose, in quanto l'acqua ossigenata, venendo a contatto con l'olio di lubrificazione della camma, si dissocerebbe violentemente.

Per questo i pompanti devono essere muniti di una doppia tenuta dinamica.

In figura 11b si è indicato il pompante a un foro, con elica inferiore di regolazione; al punto morto inferiore.

La tenuta dinamica 55 si trova sistemata in apposita cava 90, indicata in figura 11e, (e2), sul pistone 58 che scorre dentro al cilindro 5? munito di foro di regolazione afflusso e deflusso 59.

In figura He, (e1), si è indicata un'alternativa dove la cava 90 è realizzata nel cilindro 57 ed in essa è sistemata la tenuta 55 che non consente al pistone 58 di trafilare.

Il pistone 58 porta la scanalatura longitudinale 56 e l'elica di regolazione 60; sotto a queste sono realizzate le due cave 90 che portano le tenute dinamiche 55.

Nella figura 11C si è indicato un elemento pompante a due fori con elica inferiore di comando.

Anche in questo pompante, dove 60 indica il foro di afflusso, 61 la scanalatura longitudinale, 62 il cilindro, 63 il pistone, 64 il foro di regolazione afflusso e deflusso, e 65 l'elica di regolazione, si sono sistemate due tenute dinamiche 55, sotto all'elica di regolazione, sistemate in apposite cave 90 lavorate sul pistone.

in figura 11 d si è indicato un elemento pompante con recupero del trafilamento; in questa figura 66 indica il foro di ritorno e 67 la scanalatura anulare. Anche in questa soluzione le tenute dinamiche 55 sono state sistemate al disotto del recupero del trafilamento per garantire la massima sicurezza del sistema.

in figura 11 e, ei ed e2, si è rappresentata nel dettaglio la tenuta dinamica 55, sistemata all'interno della cava 90, indicando per chiarezza con 68 il diametro interno della cava 90 e con 69 il diametro esterno del pompante 58, per chiarire la sistemazione della tenuta dinamica 55 come è d'altronde noto nella tecnica.

E' ovvio, con riferimento alla figura 6 ed alla relativa descrizione, che la valvola dosatrice 8 di ossigeno e l'iniettore 13 di carburante, nel caso di un motore ad accensione a compressione, possono essere realizzati in un unico corpo senza nulla togliere al presente trovato. Lo stesso dicasi per l'accensione a scintilla, cosi è pure ovvio, con riferimento alla figura 7 con relativa descrizione ed alla figura 9 con relativa descrizione che in un motore ad accensione a compressione l'iniettore 40 di acqua ossigenata e l'iniettore 13 di carburante Diesel possono essere accorpati in un unico pezzo per avere così un unico foro nelle testate.

E' pure ovvio, qualora ci si voglia limitare ad una eliminazione parziale o totale dei soli HC e CO, tralasciando il problema degli NOX, che basterà sistemare la valvola dosatrice 8, con riferimento alle figure 1, 3, 4, o la valvola dosatrice 40 ovvero l'iniettore 40 delle figure 7 e 9 sul collettore di scarico per creare un'atmosfera arricchita di ossigeno in cui si verifichi la post combustione degli HC e del co.

così nel caso dei motori ad accensione a scintilla sarà possibile realizzare un unico iniettore per 1'ossigeno incorporandolo nella candela d'accensione per avere cosi un unico foro nella testata .

Lo stesso dicasi nel caso di iniezione di acqua ossigenata,

Esaminiamo ora, con riferimento alla figura 12, una variante fondamentale del presente trovato che consente l'applicazione dell'ossigeno liquido nel caso dell'applicazione del motore ad emissioni zero ad un autoveicolo.

E' noto che i serbatoi criogenici con isolamento adiabatico sottovuoto consentono una pur minima dispersione di calore per cui l'ossigeno liquido in essi immagazzinato è soggetto ad una pur minima evaporazione con conseguente perdita e scarico all'atmosfera di ossigeno trasformato allo stato gassoso.

E' anche noto che la temperatura di ebollizione dell'aria liquefatta è di -194° C circa mentre quella dell'ossigeno liquido è di circa -183° G. Nel nostro trovato il serbatoio di ossigeno liquido è completato da una macchina di Linde o similare con lo scopo di produrre aria liquida da usare come generatrice di freddo per ricondensare l'ossigeno evaporato e riportarlo nello stesso serbatoio.

Naturalmente la macchina di Linde o similare operante in circuito aperto può essere sostituita con una analoga macchina operante ad Argon o Neon o Elio in circuito chiuso, senza nulla togliere al nostro trovato.

Sempre con riferimento alla figura 12 il motore a combustione interna è stato rappresentato con la sola testata 84, la valvola di aspirazione 6, la valvola di scarico 7, la camera di combustione 1S, il pistone 17 e la candela, od iniettore nel caso di AC, 13.

Nella testata 84 è sistemato l'iniettore di ossigeno 8. Quando il pistone 17 è nella corsa di compressione indicata dalla freccia 35, esso sta comprimento l'aria aspirata attraverso la valvola di aspirazione 6 qui mostrata chiusa.

L'ossigeno liquido, prelevato dal serbatoio 11 con coibentazione criogenica 44, viene ridotto di pressione nella valvola riduttrice 10 e quindi evaporato nello scambiatore di calore 68. Da qui viene dosato dalla valvola dosatrice 8a ed iniettato nella camera di combustione 18 con il getto 55, mediante l'iniettore 8 alimentato dalla linea 67.

Naturalmente valvola dosatrice 8a ed iniettore 8 possono essere incorporati in una unica unità.

La valvola dosatrice 8a è comandata dalla centralina 19, già descritta in figura i, che ne pilota il funzionamento attraverso il collegamento elettrico 70.

In queste condizioni di funzionamento l'evaporazione dell'ossigeno addotto al motore è sufficiente a mantenere la temperatura dell'ossigeno liquido nel serbatoio criogenico 11 al disotto della temperatura critica.

Qualora il motore sia fermo, ad esempio durante il rimessaggio dell'autoveicolo, l'ossigeno che evapora, a causa delle perdite di calore attraverso l'isolamento criogenico, passa attraverso la valvola a tre vie 83 e viene condotto nello scambiatore di calore 72 attraverso la linea 71. Nello scambiatore di calore 72 si liquefa, per effetto del raffreddamento operato dalla circolazione del liquido proveniente dalla linea 85, viene aspirato dalla elettropompa 74 attraverso la linea 73 e rinviato nel serbatoio il attraverso la linea 75.

L'elettropompa è alimentata da una batteria elettrica non rappresentata in figura.

La stessa batteria alimenta un compressore elettrico 76 che aspira aria atmosferica 86. Questa vigne compressa ad una pressione prefissata, raffreddata a temperatura ambiente nello scambiatore 77, fatta passare nello scambiatore 87 e laminata attraverso la valvola di laminazione 78. Una parte dell'aria liquefò, per effetto Joule Thompson e si raccoglie nel serbatoio 79 mentre una parte viene ricondotta attraverso la linea 80 nello scambiatore 87, per essere ricondotta infine all'aspirazione 86 del compressore 76.

L'aria cosi liquefatta viene portata attraverso la linea 85 nello scambiatore 72 dove evapora, sottraendo calore e riportando allo stato liquido l'ossigeno gassoso proveniente da 71, e viene quindi scaricata all'atmosfera attraverso lo scarico 82.

Pertanto nella versione testé descritta l'ossigeno liquido può essere mantenuto nel serbatoio anche per lunghi periodi senza pericolo di vuotare il serbatoio. Naturalmente questi è fornito di tappo di riempimento e valvola di sicurezza non indicati in figura.

in figura 13 illustriamo un tipo di polverizzatore che accorpa in un unico elemento l'iniezione cosi come l'iniezione di ossigeno o di acqua ossigenata come precedentemente descritto.

in un unico porta iniettore non indicato in figura è inserito il polverizzatore illustrato dove 91 rappresenta il corpo del polverizzatore, 92 l’equipaggio mobile che chiude l'ugello principale 93 e l'ugello ausiliario 97 alimentati di carburante attraverso il canale di adduzione 94. Nel corpo del polverizzatore è ricavato il canale 16 con l'ugello 95. il canale 96 è alimentato con riferimento all'impianto di figura 7, dalla linea ad alta pressione 46 attraverso la quale arriva l'acqua ossigenata in quantità opportuna essendone la portata calibrata dalla valvola dosatrice 39 Pilotata dalla centralina 19 non illustrata in figura ma convenientemente descritta nel testo. Si vede cosi come sia possibile, attraverso un unico foro nella testata, alimentare di combustibile e di comburente la camera di combustione del motore.

In figura 14 si è illustrato nel dettaglio una possibile configurazione dell'impianto di figura 7, per mantenere sempre a temperatura prefissata il serbatoio di acqua ossigenata 36 indipendentemente dalle perdite per isolamento o dagli apporti di calore.

In figura 14 lo scambiatore di calore 41 di figura 7 è l vaporatore dell'impianto frigorifero illustrato.

L elettrocompressore 98, alimentato dalla sorgente elettrica 99, una batteria di accumulatori nel caso di un'autoveicolo, comprime un fluido frigorifero e l'invia attraverso la linea 100 nel condensatore 101.

in esso il fluido viene refrigerato sino a liquefare per messo della sottrasione di calore causata da un refrigerante che circola nella serpentina 102.

Attraverso la linea 103 il liquido raggiunge la valvola di laminasione 104 per arrivare attraverso la linea 45 nell'evaporatore 41 dove raffredda l'acqua ossigenata che entra in 51 e fuoriesce da 52.

in queste condisioni, a motore termico fermo, è possibile mantenere l'acqua ossigenata alla temperatura prefissata indipendente dalle perdite di calore attraverso le pareti coibentate del serbatoio 36.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1. - Impianto per il funzionamento di un motore a combustione interna, ad accensione a scintilla di seguito denominato AS, o di un motore ad accensione a compressione di seguito denominato AC, che scarica i prodotti della combustione nell'atmosfera circostante, caratterizzato dal fatto cbe detto impianto È costituito da uno o più serbatoi di ossigeno puro, liquido o gassoso, di un sistema di dosaggio del comburente ossigeno puro, e da un sistema di adduzione di detto ossigeno nella camera di combustione del motore a combustione interna suindicato, direttamente o indirettamente, al fine di fare avvenire la combustione del carburante in una camera di combustione dove l'atmosfera è stata arricchita di ossigeno in percentuale superiore a quella presente nell'aria atmosferica. 2. - Impianto per il funzionamento, di un motore a combustione interna, del tipo AS o del tipo AC, che scarica i prodotti della combustione nell'atmosfera circostante, caratterizzato dal fatto che detto impianto è costituito da uno o più serbatoi isolati adiabaticamente, contenenti acqua ossigenata H2 02 al 90%, o diluita in acqua distillata in percentuale minore, ad una temperatura mai superiore ai 20° 0, da un impianto frigorifero indipendente dal motore per mantenere l'acqua ossigenata sempre nell'intorno della temperatura prefissata, da un sistema di dosaggio dell'acqua ossigenata, da un sistema di iniezione dell'acqua ossigenata diretto od indiretto in camera di combustione, al fine di fare avvenire la combustione in una camera di combustione dove l'atmosfera è stata arricchita di ossigeno e di vapor d'acqua in percentuali superiori a quelle presenti nell'aria atmosferica. 3. - impianto per il funzionamento di un motore a combustione interna, AS o AC, che scarica i prodotti della combustione nell'atmosfera circostante secondo la rivendicazione 1 e/o 2, caratterizzato dal fatto che il dosaggio dell'ossigeno puro e/o dell'acqua ossigenata avviene in forma pulsante verso la fine della compressione e detto comburente viene iniettato direttamente in camera di combustione attraverso un apposito iniettore, quando le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse. 4. - impianto secondo le rivendicazioni 1 e 3 caratterizzato dal fatto che il dosaggio e l'iniezione dell'ossigeno avvengono secondo gli impulsi che provengono da una centralina elettronica che confronta i dati provenienti dai sensori di temperatura e percentuale ossigeno sistemati nel collettore di scarico, all'uscita dai cilindri, dal sensore di alimentazione carburante, proveniente dalla pompa iniezione Diesel se il motore è AG o dal sensore aria all'ispirazione se il motore è AS, e dal sensore numero di giri, con i dati immagazzinati in memoria relativi ad una matrice ricavata sperimentalmente per ogni tipo di motore, ed eroga la quantità di comburente necessaria a riportare la lettura dei sensori sistemati nel collettore di scarico nell'intorno dei valori contenuti nella matrice sperimentale. 5. - impianto costruito secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il dosaggio dell'acqua ossigenata, concentrata o diluita, avviene secondo il procedimento descritto nella rivendicazione 4. 6. - impianto costruito secondo la rivendicazione 1 e 4 caratterizzato dal fatto che l'iniezione avviene in forma pulsante attraverso un iniettore sistemato al di fuori del cilindro sulla luce di aspirazione durante la fase di valvola di aspirazione aperta. 7. - impianto costruito secondo la rivendicazione 1 e 4 caratterizzato dal fatto che l’iniezione avviene in forma pulsante, attraverso un iniettore sistemato in camera di combustione, durante la fase di aspirazione a valvola di aspirazione aperta. 8. - impianto per il funzionamento di un motore a combustione interna, A5 oppure AC, caratterizzato dal fatto che l'aspirazione avviene attraverso una membrana permeaselettiva all'ossigeno attraverso la quale l'aria di aspirazione viene forzata da un apposito compressore al fine di arricchirla in ossigeno. 9. - Impianto per il funzionamento di un motore a combustione interna A5 oppure AC, secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che la massa di aria impoverita di ossigeno viene scaricata nel condotto di scarico al fine di raffreddarlo e recuperare parzialmente l'energia di compressione in una turbina a gas di scarico. impianto costruito secondo le rivendicazioni 1,3,4, caratterizzato dal fatto che l'iniezione dell'ossigeno avviene attraverso un unico iniettore che accorpa anche l'ugello per la polverizzazione del combustibile. Impianto costruito secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il serbatoio adiabatico di H2 02, concentrata o di una soluzione diluita della stessa, contiene dei sensori di temperatura che pilotano la pompa di circolazione, il by-pass ed il frigorifero in modo da raffreddare e mantenere il liquido a temperatura costante prefissata indipendentemente dalle perdite dovute allo isolamento imperfetto. impianto costruito secondo la rivendicazione 2 caratterizzato dal fatto che il ritorno della H2 02 concentrata, o della sua soluzione diluita, dall'iniettore in camera di combustione, viene raffreddato da un apposito frigorifero alla temperatura prefissata prima di essere reimmesso nel serbatoio adiabatico contenente H2 02 concentrata od una sua soluzione diluita, 13.- impianto costruito secondo le rivendicazioni 2, 11 e 12 caratterizzato dal fatto che la pompa di iniezione H202 concentrata, o di una sua soluzione diluita, ha i pompanti muniti di due tenute dinamiche sistemate in apposita cava sul pistone del pompante stesso o sul cilindro in cui è alloggiato il pompante. 14.- impianto costruito secondo le rivendicazioni 2, 11, 12 e 13 caratterizzato dal fatto che l'iniettore della H2 02 concentrata, o di una sua soluzione diluita, e del carburante avvengono attraverso un unico iniettore. 15.- impianto costruito secondo le rivendicazioni 1 e seguenti caratterizzato dal fatto che il serbatoio di ossigeno liquido è munito di un sistema di recupero dell'ossigeno evaporato a causa delle perdite dovute all'isolamento criogenico imperfetto, e che detto ossigeno gassoso viene nuovamente liquefatto in apposito scambiatore di calore mediante l'evaporazione di aria liquida prodotta da apposita macchina parte di detto impianto, alimentata da una fonte esterna di energia elettrica indipendente dal motore AC o AS. 16.- Impianto secondo la rivendicazione 16 caratterizzato dal fatto che l'ossigeno di recupero gassoso viene liquefatto nello scambiatore di calore mediante l'evaporazione di Argon, Elio o Neon liquefatto, prodotto da apposito sistema parte del suddetto impianto, alimentato da una fonte esterna di energia elettrica, indipendente dal motore AC od AS, il tutto il circuito chiuso. 17.- impianto secondo le rivendicazioni 1, 3, 4, 10, 15 e 16 caratterizzato dal fatto che la limitazione della temperatura massima di combustione viene effettuata aumentando la massa dell'ossigeno iniettato in camera di combustione a valvole di aspirazione e scarico chiuse, secondo una quantità prefissata in funzione del carico del motore AC od AS. 18.- Impianto secondo le rivendicazioni 1 e/o 2 caratterizzato dal fatto che l'iniezione di ossigeno, o di acqua ossigenata diluita, avviene attraverso un iniettore montato in camera di combustione che accorpa in un unico elemento anche la candela d'accensione elettrica della miscela aria arricchita d'ossigeno benzina. 19.- impianto secondo le rivendicazioni da 1 a 17 caratterizzato dal fatto che è costruito secondo la descrizione e/o i disegni del presente brevetto. 20.- Impianto secondo le rivendicazioni da 1 a 18 caratterizzato dal fatto che è costruito secondo una differente combinazione degli elementi descritti e/o illustrati.