ITBO20090315A1 - Metodo per l'alimentazione di un motore a scoppio - Google Patents

Description

METODO PER L’ALIMENTAZIONE DI UN MOTORE A SCOPPIO

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si inserisce nel particolare settore tecnico concernente metodi e/o sistemi e/o dispositivi per l’alimentazione.

Con domanda PG2008A000035 e con riferimento alla fig.1, si à ̈ difeso un sistema per l’alimentazione di un motore a scoppio con almeno un cilindro, comprendente un impianto d’iniezione del carburante, in cui sono previsti, tra l’altro, una centralina d’iniezione (15), destinata a pilotare almeno un comando d’iniezione (14) atto ad immettere quantità dosate di carburante all’interno del citato cilindro, in relazione di fase con l’aspirazione, caratterizzato dal fatto di prevedere un impianto d’iniezione di vapore acqueo comprendente: mezzi (3) per la generazione e l’accumulo di detto vapore acqueo, in quantità sufficiente a garantirne una continua disponibilità; un’unità di comando iniezione vapore (9), alimentata con vapore acqueo a pressione controllata, proveniente da detti mezzi (3), ed atta ad immettere quantità dosate del medesimo vapore acqueo all’interno di detto cilindro; una centralina d’iniezione vapore (6), prevista per controllare e pilotare detti mezzi di generazione ed accumulo (3) per l’alimentazione di detto vapore acqueo alla citata unità di comando iniezione vapore (9), nonché atta a pilotare quest’ultima affinché la detta iniezione di vapore acqueo nel cilindro avvenga in relazione di fase con la citata aspirazione e con l’iniezione di carburante, in modo da cooperare con quest’ultimo per determinare la spinta sul pistone del cilindro, in corrispondenza di una fase attiva del suddetto ciclo, successiva allo scoppio del medesimo carburante.

I mezzi per la generazione e l’accumulo di vapore acqueo comprendono un serbatoio (1), contenente acqua, ed una pompa (2), atta a prelevare la suddetta acqua per inviarla ad una camera di reazione (3), nella quale viene riscaldata fino a vaporizzare, con detto vapore acqueo a sua volta inviato al citato comando d’iniezione vapore (9).

La camera di reazione (3) definisce uno scambiatore di calore, atto ad utilizzare i gas di scarico del medesimo motore M per la citata vaporizzazione dell’acqua.

La suddetta camera di reazione à ̈ conformata per avvolgere una derivazione (4A) realizzata nel collettore di scarico (4) del suddetto cilindro e sfociante in un tubo di scarico (4B), all’uscita del medesimo collettore (4).

A monte della citata derivazione (4A) à ̈ prevista una valvola di flusso gas di scarico (5), comandata dalla suddetta centralina d’iniezione vapore (6) per regolare la quantità dei gas di scarico incanalati nella derivazione (4A) medesima per riscaldare la citata camera di reazione (3): che a valle di detta derivazione (4A) à ̈ prevista una valvola d’ostruzione gas di scarico (7), comandata dalla stessa centralina d’iniezione vapore (6), per regolare il deflusso dei gas di scarico dalla citata derivazione (4A) verso detto tubo di scarico (4B).

È previsto un regolatore di pressione vapore (8), interposto tra la camera di reazione (3), dei citati mezzi per la generazione e l’accumulo di vapore acqueo, e detto comando d’iniezione vapore (9), con il suddetto regolatore della pressione vapore (8) atto a mantenere pressoché costante la pressione di alimentazione del citato vapore acqueo al medesimo comando d’iniezione vapore (9).

È altresì previsto un espulsore vapore (10), associato a detta unità di comando iniezione vapore (9), atto ad intercettare il vapore acqueo affluito in eccesso a quest’ultima, per inviarlo, attraverso una tubazione, ad un radiatore di raffreddamento vapore (11), nel quale il vapore medesimo viene riportato allo stato liquido e quindi rinviato in detto serbatoio d’acqua (1).

Il suddetto sistema prevede altresì un dispositivo di recupero finale vapore (16), posizionato in prossimità del terminale di scarico dello stesso motore M, atto a recuperare le condense finali formatesi nel medesimo terminale di scarico per inviarle in detto serbatoio d’acqua (1).

A seguito di varie sperimentazioni, il richiedente ha apportato significative implementazioni al suddetto sistema.

In conseguenza di tali sperimentazioni à ̈ una prerogativa dell’invenzione quella di proporre un metodo per l’alimentazione di un motore a scoppio che consenta di incrementare il rendimento termodinamico del ciclo motore con conseguente aumento delle prestazioni del motore stesso rispetto ai tradizionali sistemi che utilizzano miscele di aria-carburante, con il carburante costituito, ad esempio, da benzina, metano, G.P.L. (gas di petrolio liquefatto), biocarburanti, ecc.

Ancora una prerogativa dell’invenzione à ̈ quella di fornire un metodo di alimentazione di un motore a scoppio con il quale ottenere una sensibile riduzione dei consumi di carburante in comparazione con i consumi di cui allo stato dell’arte.

Una ulteriore prerogativa dell’invenzione consiste nel proporre un metodo di alimentazione che, oltre a soddisfare le precedenti prerogative, consenta in comparazione con i sistemi di alimentazione noti, di ridurre sensibilmente le emissioni di anidride carbonica e di limitare a valori trascurabili le emissioni di agenti inquinanti, in particolare gli ossidi di azoto.

Le suindicate prerogative vengono ottenute in accordo con il contenuto delle rivendicazioni.

Le caratteristiche dell’invenzione risulteranno evidenti dalla sotto riportata descrizione dettagliata di una preferita, ma non esclusiva, forma di realizzazione che fa esplicito riferimento alle allegate tavole di disegno nelle quali:

- la fig. 1 illustra uno schema esemplificativo del sistema di alimentazione di un motore a scoppio di cui alla domanda PG2008A000035 richiamato in premessa; - la fig.2 illustra, schematicamente, le fasi significative del metodo di alimentazione proposto;

- la fig.3 riporta una tabella in cui sono riportati i consumi di carburante in funzione della velocità ottenuti con la sperimentazione di un motore Euro 2;

- le figg. 4A-4D mostrano grafici illustranti, il primo, il diagramma pressione pvolume v del ciclo motore ottenuto con il metodo proposto, e i restanti aspetti termodinamici del ciclo medesimo;

- la fig. 5 illustra una tabella in cui sono riportate le composizioni percentuali degli inquinanti presenti nei gas di scarico del motore EURO 2, oggetto di sperimentazione;

- le figg. 6A, 6B riportano i cromatogrammi delle analisi gascromatografiche effettuate sui gas di scarico.

Il sistema proposto prevede le sottoelencate fasi (vedasi fig.2);

A1- aspirazione dell’aria in detto cilindro, attuato nel ciclo motore con anticipo rispetto al punto morto superiore (pms), ad esempio 35÷40°; tale fase si sviluppa per circa 90° del ciclo motore, dopo il pms;

A2- iniezione di vapore acqueo saturo in detto cilindro (con pressione tra i 10 e i 12 bar sino anche a 15 bar) attivata in relazione di fase con il termine dell’aspirazione dell’aria: tale iniezione à ̈ attuata in un arco compreso, ad esempio, in un intervallo di 45° del ciclo motore; la temperatura del vapore si aggira sui 200°- 210°c;

A3- iniezione di carburante in detto cilindro, attivata in relazione di fase con il termine dell’iniezione del vapore (durata inferiore a 45° del ciclo motore);

A4- compressione, in detto cilindro, del miscuglio aria-vapore acqueo-carburante;

A5- accensione del carburante di detto miscuglio, attuata in anticipo rispetto al punto morto inferiore (pmi) con definizione della fase di espansione in detto cilindro provocata dai gas costituiti da detto vapore acqueo e da quelli generati dalla combustione del citato carburante.;

A6- scarico da detto cilindro di tutti i gas presenti nello stesso.

In una sperimentazione realizzata mediante un prototipo EURO 2, i tempi di iniezione del carburante rispettivamente al minimo, a 3500g/1’ e a piano carico, sono stati pari rispettivamente a 1,3 msec, 3.5 msec e 7,5 msec; con lo stesso prototipo utilizzato senza la fase di iniezione del vapore, tali valori, nelle medesime condizioni operative del motore, sono stati pari rispettivamente a 2,5msec, 7,5msec, 13msec.

Con il metodo proposto si hanno tempi di iniezione carburante praticamente dimezzati, senza che ciò comporti diminuzione di coppia: si à ̈ verificato sperimentalmente che quest’ultima a 2450rpm (giri/minuto) ha avuto un incremento del 5% rispetto a quanto ottenibile con il sistema di alimentazione tradizionale.

La drastica diminuzione dei tempi di iniezione della benzina, incide positivamente sui consumi di benzina che a 90Km/h sono praticamente dimezzati: 30Km con 1 litro di benzina con il sistema proposto, contro i 15 Km con 1 litro con il sistema tradizionale. Con il prototipo Euro 2 di cui sopra, sono stati effettuati ulteriori test; per quanto concerne i consumi di carburante, Ã ̈ stata utilizzata una nota apparecchiatura (Flowtronic 215) mediante la quale sono stati ottenuti i dati di cui alla tabella riportata in fig.3.

Il sistema citato in premessa consente di produrre vapore acqueo saturo a 200°c con una pressione compresa nell’intervallo 10-15 bar. Come già ricordato il vapore viene iniettato all’interno del cilindro (camera di combustione) durante la fase di aspirazione del motore, prima dell’iniezione del combustibile (condizioni di miscela aria-carburante magra). Durante l’aspirazione il vapore espande diminuendo il titolo.

Benzina e vapore vengono quindi compressi seguendo una trasformazione adiabatica fino all’innesco della combustione; in tale fase il vapore possiede le stesse condizioni termodinamiche della fase di aspirazione: a tale proposito vedasi i grafici di cui alle figure 4A-4D, e i punti X1, X2, X3 riportati in tali grafici.

Come già evidenziato il quantitativo di benzina introdotta nel cilindro à ̈ ridotto rispetto alle condizioni di normale funzionamento di un motore a benzina (in cui, come noto, non à ̈ prevista l’iniezione del vapore) ed à ̈ anticipato il processo di combustione.

Dal punto di vista termodinamico l’immissione di vapore in condizioni sature rappresenta il miglior compromesso fra volume specifico e le possibili condensazioni in fase di aspirazione/compressione. L’immissione di vapore alla pressione di 15 bar riduce inoltre, seppur in maniera modesta, il lavoro di lavaggio compiuto dal motore. La presenza di vapore all’interno del cilindro durante la fase di combustione del carburante consente, in virtù dell’elevata conducibilità termica del vapore, di recuperare parte del calore disperso in fase di scoppio e ridurre la temperatura della combustione stessa.

Infine, in fase di espansione viene convertito in lavoro meccanico l’energia termica accumulata dal vapore in fase di combustione; l’entalpia del vapore a fine combustione (750°c a 36bar) convertita in lavoro aumenta sensibilmente il lavoro utile prodotto dal motore. L’incremento del lavoro di compressione del motore a causa della presenza contemporanea di aria esterna, combustibile e vapore può essere considerato trascurabile viste le modeste quantità di vapore introdotte nel cilindro per ogni ciclo.

Il citato prototipo Euro 2 (motore a 4 cilindri), su cui à ̈ stata attuata la sperimentazione, ha un rapporto di compressione pari a 9,6 (cui corrisponde un rendimento teorico del 37%); il salto entalpico del vapore durante la fase di espansione risulta ΔH=1200KJ/Kg (vedasi i punti X4, X5 dei grafici di cui alle figg.4A-4D).

Va specificato che durante la combustione del carburante il vapore acqueo assorbe il calore che normalmente, nelle soluzioni note, assorbe l’aria presente nella camera di scoppio: ciò deriva dal fatto che la conducibilità termica del vapore à ̈ considerevolmente superiore a quella dell’aria.

L’espansione del vapore acqueo, in quanto investito dal calore provocato dalla combustione, à ̈ istantanea e veloce come l’espansione dei gas provocati dalla combustione del carburante.

Nell’ipotesi di funzionamento ad un regime costante di 4000 rpm (giri/1’) e che il tempo di ciascuna iniezione di vapore sia uguale a t=1,5msec, la portata in vapore à ̈ uguale a 6,10-<3>g/sec cioà ̈ 20 litri di vapore per ogni ora, corrispondenti mediamente a 0,6 litri di acqua per ogni litro di benzina. La potenza aggiuntiva corrispondente al recupero, in fase di espansione, dell’entalpia del vapore risulta pari a 7KW cui corrisponde un incremento del rendimento di dieci punti percentuali: ηvap=47%. La potenza termica complessivamente recuperata à ̈ pari a 10KW di cui 2,5KW recuperati dai gas di scarico mediante il generatore di vapore e 7,5KW recuperati durante la fase di scoppio.

Da quanto sopra risulta evidente l’incremento del rendimento termodinamico del ciclo motore che si traduce in un incremento delle prestazioni del motore stesso ed in una sensibile riduzione dei consumi di carburante.

Con il metodo proposto si hanno vantaggi in termini di coppia, potenza, risparmio energetico (meno carburante utilizzato conseguente alla miscela magra aria-vapor acqueo-carburante) ed efficienza termica; su quest’ultimo aspetto incide positivamente l’anticipo dell’accensione di detta miscela, valutabile sino a 40 gradi del ciclo motore rispetto al valore (in gradi del ciclo motore) dell’anticipo di un motore a scoppio tradizionale.

Con il metodo di alimentazione proposto si ottiene una combustione più “pulita†rispetto ai motori alimentati con i sistemi tradizionali, in quanto si ottengono condizioni quasi “sterili†di lavoro del motore a scoppio che conseguono alla bassa percentuale di depositi carboniosi (minor tempo d’iniezione rispetto a quanto attuato nello stesso motore con i sistemi tradizionali), e l’effetto calmierante e detergente del vapore.

Ciò trova riscontro dalle analisi gascromatografiche dei gas di scarico, realizzate con un gas cromatografo micro GC modello CPA900 della VARIAN, dotato di un rilevatore a conducibilità termica.

Nella tabella di cui alla fig.5 Ã ̈ riportata la composizione dei campioni analizzati in termini di concentrazione percentuale.

I grafici di cui alle figg. 6A, 6B riportano i cromatogrammi delle analisi gascromatografiche effettuate.

In ogni cromatogramma sono evidenziati i picchi di concentrazione dei diversi componenti presenti nel gas analizzato.

È noto che le cosiddette polveri sottili come NOX tendono a formarsi a contatto con aria surriscaldata: la presenza del vapore acqueo tende a limitare, praticamente ad annullare, la formazione di tali polveri sottili.

Un ulteriore aspetto vantaggioso deriva dalla minore usura dei principali organi meccanici del motore nel quale à ̈ attuato il sistema di alimentazione proposto, quali valvole, testate, cilindri, mezzi di raffreddamento, con conseguente allungamento degli intervalli di manutenzione ed in generale della vita del motore.

Il prototipo Euro 2, oggetto di sperimentazione, utilizza come carburante la benzina; analoghi vantaggi si ottengono con motori alimentati a metano, a GPL o con biocarburanti.

La richiedente sta sperimentando un motore Euro 4 alimentato in accordo con il metodo proposto: i risultati conseguiti confermano i vantaggiosi aspetti tecnicofunzionali di cui alla sperimentazione.

Nei motori a scoppio, per migliorare la spinta propulsiva del vapore sul ciclo del pistone causata dal salto entalpico, Ã ̈ consigliabile prevedere il rapporto di compressione compreso tra 10,5 a 1 sino a 21 a 1.

Il sistema può essere applicato a tutte le tipologie di motori e la sua efficacia può dipendere dalla corsa, dall’alesaggio e dal rapporto di compressione; una scelta opportuna di tali parametri caratteristici del motore ottimizza le prestazioni del sistema anche in funzione della specifica applicazione e della modalità d’uso (motori da competizione, motori a regime stazionario per la generazione di energia, motori per auto sportive ed utilitarie).

Le condizioni termodinamiche del vapore acqueo in immissione (fase di aspirazione) possono essere sia sature (con presenza di acqua liquida) che surriscaldate (solo vapore in fase aeriforme); pressione e temperatura del vapore possono essere ottimizzate in funzione della specifica applicazione.

Il metodo proposto à ̈ applicabile sia ai motori a scoppio sia ai motori funzionanti in accordo con il cosiddetto ciclo “diesel†.

Si intende che quanto sopra à ̈ stato descritto a titolo esemplificativo e non limitativo; eventuali varianti di natura pratico-applicativa del metodo proposto, si intendono rientranti nell’ambito protettivo dell’invenzione come nel seguito rivendicata.

Claims (2)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo per l’alimentazione di un motore a scoppio, comprendente un impianto per l’iniezione di vapore acqueo e un impianto per l’iniezione di carburante, con tali impianti associati a detto motore con quest’ultimo provvisto di almeno un cilindro caratterizzato dal fatto che le fasi del ciclo di tale motore prevedono, nell’ordine: - aspirazione dell’aria in detto cilindro; - iniezione di vapore acqueo in detto cilindro, attivata in relazione di fase con il termine dell’aspirazione dell’aria; - iniezione di carburante in detto cilindro, attivata in relazione di fase con il termine dell’iniezione del vapore acqueo; - compressione, in detto cilindro, del miscuglio costituito da aria-vapore acqueocarburante; - accensione del carburante di detto miscuglio con definizione della fase di espansione in detto cilindro provocata dai gas costituiti da detto vapore acqueo e da quelli generati dalla combustione del citato carburante; - scarico da detto cilindro di tutti i gas presenti nello stesso.
2. 2) Metodo secondo la riv.1, caratterizzato dal fatto che l’iniezione del vapore acqueo segue l’aspirazione dell’aria; 3) Metodo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto l’iniezione del vapore acqueo si sovrappone, per un intervallo non superiore a quattro gradi del ciclo motore, alla fase terminale dell’aspirazione dell’aria; 4) Metodo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che l’iniezione del carburante segue l’iniezione del vapore acqueo; 5) Metodo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che l’iniezione del carburante si sovrappone, per un intervallo non superiore a un grado del ciclo motore, alla fase terminale dell’iniezione del vapore acqueo; 6) Metodo secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che l’aspirazione dell’aria à ̈ attivata in anticipo rispetto al punto morto superiore del ciclo motore, ed interessa un intervallo non superiore a novanta gradi di tale ciclo a partire da detto punto morto superiore; 7) Metodo secondo la riv.1 o 2 o 3 o 4 o 5, caratterizzato dal fatto che l’iniezione del vapore acqueo interessa un arco non superiore a quarantacinque gradi del ciclo motore; 8) Metodo secondo la riv.1 o 2 o 3 o 4 o 5, caratterizzato dal fatto che l’iniezione del carburante interessa un arco non superiore ai quarantacinque gradi del ciclo motore; 9) Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il citato vapore acqueo à ̈ vapore saturo; 10)Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il citato vapore acqueo viene iniettato con una pressione compresa tra 10 e 15 bar. 11)Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il citato vapore acqueo viene iniettato ad una temperatura compresa nell’intervallo 200÷210°c.