ITBO20100177A1 - Metodo e dispositivo di riscaldamento di carburante in un motore a combustione interna - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

“METODO E DISPOSITIVO DI RISCALDAMENTO DI CARBURANTE IN UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNAâ€

SETTORE DELLA TECNICA

La presente invenzione à ̈ relativa ad un metodo e ad un dispositivo di riscaldamento di carburante in un motore a combustione interna.

ARTE ANTERIORE

Alcuni carburanti alternativi composti da miscele di carburanti tradizionali (benzina o gasolio) con altri composti come, ad esempio, i composti di origine vegetale (ad esempio etanolo o alcol etilico oppure olio di colza) per potere dare luogo alla combustione all’interno di un cilindro di un motore a combustione interna devono avere una temperatura superiore ad una temperatura di soglia di accensione denominata “punto di infiammabilità†(“flash point†), in quanto quando la temperatura à ̈ inferiore al punto di infiammabilità il carburante non à ̈ in grado di accendersi.

Il punto di infiammabilità à ̈ una proprietà di tutti i combustibili: per la benzina il punto di infiammabilità à ̈ di circa -65°C, mentre per l’alcol il punto di infiammabilità à ̈ di 13°C. Quindi il punto di infiammabilità di una qualsiasi miscela di benzina e alcol sarà compreso tra -65°C e 13°C secondo la percentuale della miscela. Nel mercato sono disponibili diverse miscele di benzina ed alcol come carburanti per motori a combustione interna operanti secondo il ciclo Otto, denominate dalla lettera “E†seguita dalla percentuale di etanolo (alcol etilico), ovvero E5, E7, E10, E15, E20, E25, E70, E75, E85, ED95 ed infine E100, che à ̈ etanolo (alcol etilico) puro. E’ chiaro che man mano aumenta il contenuto etilico della miscela, aumenta anche il suo punto di infiammabilità, che per la miscela E85, per esempio, à ̈ di circa 0°C; quando viene utilizzata la miscela E85 à ̈ impossibile l’accensione quando la temperatura del carburante nei cilindri à ̈ inferiore al punto di infiammabilità della miscela E85 pari a circa 0°C.

Di conseguenza, un motore a combustione interna che utilizza carburanti costituiti da miscele deve provvedere al riscaldamento del carburante al di sopra del punto di infiammabilità prima che il carburante venga alimentato nelle camere di combustione dei cilindri. Per riscaldare il carburante al di sopra del punto di infiammabilità à ̈ possibile utilizzare il calore del blocco motore facendo passare la tubatura di alimentazione del carburante in prossimità del blocco motore, oppure à ̈ possibile prevedere la presenza di un dispositivo riscaldatore che provvede a riscaldare il carburante quando necessario. Il dispositivo riscaldatore viene normalmente alloggiato all’intero di un flauto di distribuzione in cui il carburante viene fatto circolare prima di venire alimentato ai cilindri.

I dispositivi riscaldatori di carburante noti, ad esempio del tipo di quelli descritti nelle domande di brevetto WO2008055725A1, EP2108809A2, US2008037967A1, comprendono una termoresistenza che viene riscaldata per effetto Joule quando viene percorsa da un corrente elettrica ed à ̈ disposta all’interno di un contenitore stagno che a sua volta à ̈ disposto all’interno del flauto di distribuzione in modo tale da essere immerso nel carburante. Un dispositivo riscaldatore di carburante di questo tipo effettua il riscaldamento del carburante tramite conduzione e convezione: la corrente elettrica passando attraverso la termoresistenza scalda per effetto Joule il contenitore stagno che la contiene, quindi per conduzione il contenitore stagno scalda il carburante circostante in cui à ̈ immerso; lo strato di carburante immediatamente adiacente al contenitore stagno viene scaldato, e si sposta per convezione lasciando lo spazio a nuove masse di carburante che vengono a riempire tale strato.

Durante la prima accensione del motore in condizioni ambientali fredde à ̈ necessario scaldare velocemente (cioà ̈ al massimo in pochi secondi) il carburante contenuto nel condotto comune dalla temperatura ambiente fino ad una temperatura adeguatamente superiore al punto di infiammabilità; infatti, fino a quando la temperatura del carburante nel condotto comune non à ̈ superiore al punto di infiammabilità non à ̈ possibile avviare il motore ed à ̈ evidente che il guidatore non accetta che il motore impieghi un tempo lungo (cioà ̈ superiore a pochi secondi) per avviarsi. Per potere riscaldare rapidamente il carburante contenuto nel condotto comune à ̈ necessario fornire al carburante stesso una potenza termica relativamente elevata (in un motore di cilindrata mediopiccola circa 70-100 Watt di potenza termica); tuttavia, un dispositivo riscaldatore di carburante noto del tipo sopra descritto presenta una notevole inefficienza di trasferimento dell’energia termica. Anche se la termoresistenza si scalda rapidamente, à ̈ necessario un tempo elevato per trasmettere il calore dalla termoresistenza al carburante a causa essenzialmente della lentezza dello scarso scambio termico per conduzione tra il contenitore stagno ed il carburante. Di conseguenza, per potere fornire rapidamente (cioà ̈ in pochi secondi) al carburante una certa potenza termica à ̈ necessario fornire alla termoresistenza contenuta nel contenitore stagno una potenza elettrica almeno 10 volte superiore (cioà ̈ il rendimento a breve del dispositivo riscaldatore di carburante à ̈ dell’ordine del 10%). Tale condizione à ̈ problematica, in quanto à ̈ necessario chiedere alla batteria del veicolo una elevata erogazione di energia elettrica (dell’ordine di 700-1000 Watt) proprio nelle condizioni in cui à ̈ maggiormente penalizzata (cioà ̈ a motore spento, a temperatura bassa, ed immediatamente prima di un avviamento motore a freddo).

Inoltre, un dispositivo riscaldatore di carburante noto del tipo sopra descritto à ̈ potenzialmente soggetto a rotture per fusione, in quanto se nel canale comune non à ̈ presente il carburante (ad esempio per un problema anche temporaneo nell’alimentazione del carburante da parte della pompa di alimentazione del carburante) il dispositivo riscaldatore continua ad auto-riscaldarsi senza potere trasferire energia fino alla fusione della termoresistenza. Inoltre, in caso di termoresistenza con coefficiente termico negativo la potenza termica erogata aumenta all’aumentare della temperatura della termoresistenza stessa, rendendo ancora più veloce e difficilmente controllabile un eccessivo riscaldamento.

DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE

Scopo della presente invenzione à ̈ di fornire un metodo ed un dispositivo di riscaldamento di carburante in un motore a combustione interna, i quali metodo e dispositivo di riscaldamento siano esenti dagli inconvenienti sopra descritti e siano nel contempo di facile ed economica implementazione.

Secondo la presente invenzione vengono forniti un metodo ed un dispositivo di riscaldamento di carburante in un motore a combustione interna secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:

· la figura 1 à ̈ una vista in schematica e con l’asportazione di particolari per chiarezza di un sistema di alimentazione di carburante provvisto di un dispositivo di riscaldamento di carburante realizzato in accordo con la presente invenzione;

· la figura 2 à ̈ una vista in prospettica, schematica e con l’asportazione di particolari per chiarezza di un organo riscaldante elettrico del dispositivo di riscaldamento di carburante;

· la figura 3 Ã ̈ uno schema elettrico del dispositivo di riscaldamento di carburante della figura 2;

· la figura 4 Ã ̈ uno schema a blocchi di un circuito di pilotaggio del dispositivo di riscaldamento della figura 2; e

· la figura 5 à ̈ un grafico che illustra la variazione della resistività elettrica del carburante E85 al variare della temperatura.

FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE

Nella figura 1, con il numero 1 Ã ̈ indicato nel suo complesso un sistema di alimentazione di carburante per un motore termico a combustione interna.

Il sistema 1 di alimentazione diretta comprende una pluralità di iniettori 2, un flauto 3 di distribuzione che alimenta il carburante in pressione agli iniettori 2, ed una pompa 8 di alimentazione che alimenta il carburante da un serbatoio 9 al flauto 3 di distribuzione mediante un condotto 10 di alimentazione.

Secondo quanto illustrato nella figura 1, il sistema 1 di alimentazione comprende un dispositivo 12 di riscaldamento di carburante, il quale à ̈ accoppiato al flauto 3 di distribuzione ed ha la funzione di riscaldare, quando necessario, il carburante contenuto in un volume 13 interno del flauto 3 di distribuzione in modo tale da assicurare che il carburante che viene alimentato agli iniettori 2 abbia una temperatura adeguatamente superiore al punto di infiammabilità. Il dispositivo 12 di riscaldamento comprende un organo 14 riscaldatore elettrico che à ̈ inserito all’interno del flauto 3 di distribuzione ed un circuito 15 di pilotaggio che à ̈ disposto esternamente al flauto 3 di distribuzione ed alimenta, quando necessario, all’organo 14 riscaldatore elettrico una corrente elettrica.

Secondo quanto illustrato nella figura 2, l’organo 14 riscaldatore elettrico comprende una piastra 16 di supporto in materiale elettricamente isolante che à ̈ fissata ad una parete di base del flauto 3 di distribuzione e supporta quattro elettrodi 17 che sono tra loro distanziati ed in uso si trovano completamente immersi nel carburante contenuto nel volume 13 interno del condotto 3 comune. Secondo la preferita forma di attuazione illustrata nella figura 2, ciascun elettrodo 17 presenta una forma rettilinea allungata (cioà ̈ una forma a “spillo†) e gli elettrodi 17 sono disposti tra loro paralleli ed affiancati; preferibilmente, i quattro elettrodi 17 sono disposti ai vertici di un quadrato e presentano essi stessi una sezione trasversale quadrata. A titolo di esempio, il quadrato definito dai quattro elettrodi 17 presenta un lato di circa 9-11 mm e ciascun elettrodo 17 presenta una sezione trasversale quadrata di circa 1 mm<2>.

E’ importante osservare che gli elettrodi 17 sono costituiti di rame, in quanto tale materiale oltre ad essere un ottimo conduttore di energia elettrica non reagisce chimicamente con il carburante.

Chiaramente sono possibili alternative forme di attuazione in cui gli elettrodi 17 hanno una diversa disposizione, una diversa dimensione e/o un diverso numero.

Secondo quanto illustrato nella figura 3, due elettrodi 17a (disposti in corrispondenza di vertici opposti del quadrato costituito dai quattro elettrodi 17) sono collegati tra loro in parallelo e quindi presentano lo stesso potenziale elettrico (cioà ̈ sono entrambi collegati allo stesso morsetto di uscita del circuito 15 di pilotaggio che costituisce un generatore elettrico), e due elettrodi 17b (disposti in corrispondenza di vertici opposti del quadrato costituito dai quattro elettrodi 17) sono collegati tra loro in parallelo e quindi presentano lo stesso potenziale elettrico (cioà ̈ sono entrambi collegati allo stesso morsetto di uscita del circuito 15 di pilotaggio che costituisce un generatore elettrico).

In uso, il circuito 15 di pilotaggio (che costituisce un generatore elettrico) applica una differenza di potenziale tra i due elettrodi 17a ed i due elettrodi 17b per fare circolare una corrente 18 elettrica attraverso il carburante che si trova tra gli elettrodi 17 stessi in modo tale da provocare nel carburante una dissipazione di energia elettrica per effetto Joule. In altre parole, il carburante che si trova tra gli elettrodi 17 diventa parte del circuito elettrico formato dagli elettrodi 17 e dal circuito 15 di pilotaggio (che costituisce un generatore elettrico) e quindi viene interessato dalla circolazione di una corrente 18 elettrica che fluisce tra i due elettrodi 17a ed i due elettrodi 17b. La corrente 18 elettrica che fluisce attraverso il carburante determina una dissipazione di energia elettrica per effetto Joule e quindi tale energia elettrica dissipata per effetto Joule si trasforma, senza passaggi intermedi, in calore che riscalda il carburante stesso. Di conseguenza, il carburante viene utilizzato come un conduttore elettrico liquido a cui viene applicata una differenza di potenziale elettrico tramite gli elettrodi 17 immersi nel carburante stesso e che si riscalda a causa dell’effetto Joule, ovvero della potenza generata dalla corrente 18 elettrica che scorre attraverso la resistenza elettrica equivalente del carburante.

Secondo una alternativa forma di attuazione non illustrata, un elettrodo à ̈ costituito dal flauto 3 di distribuzione stesso (che à ̈ collegato alla massa elettrica del motore a combustione interna) mentre gli altri elettrodi 17 sono disposti in posizione all’incirca centrale e presentano tutti lo stesso potenziale elettrico; in altre parole, la parete metallica del flauto 3 di distribuzione (che à ̈ collegata alla massa elettrica del motore a combustione interna) viene collegata anche ad un morsetto di uscita del circuito 15 di pilotaggio (che costituisce un generatore elettrico) mentre tutti gli altri elettrodi 17 sono collegati all’altro morsetto del circuito 15 di pilotaggio.

Per evitare l’elettrolisi del carburante tra gli elettrodi 17 e la reazione (passivazione) degli elettrodi 17, à ̈ necessario che la differenza di potenziale generata dal circuito 15 di pilotaggio ed applicata tra gli elettrodi 17 (e di conseguenza la corrente 18 elettrica che circola tra gli elettrodi 17 ed attraverso il carburante) sia alternata e presenti una frequenza di almeno 10 Hz. Vantaggiosamente, la differenza di potenziale generata dal circuito 15 di pilotaggio ed applicata tra gli elettrodi 17 (e di conseguenza la corrente 18 elettrica che circola tra gli elettrodi 17 ed attraverso il carburante) presenta una forma di onda quadra; infatti, la forma d’onda quadra convoglia la massima energia a parità di ampiezza d’onda (cioà ̈ il valore medio della corrente 18 elettrica à ̈ sostanzialmente identico al valore efficace della corrente 18 elettrica). Inoltre, partendo da una tensione continua fornita dalla batteria del veicolo, il tipo di forma di onda alternata più semplice da ottenere à ̈ la forma di onda quadra.

Secondo una preferita forma di attuazione che tiene conto della bassa conducibilità elettrica del carburante E85, la differenza di potenziale generata dal circuito 15 di pilotaggio ed applicata tra gli elettrodi 17 à ̈ dell’ordine di alcune centinaia di Volt (ad esempio circa 400 Volt) e presenta una frequenza dell’ordine di 100-200 kHz; in questo modo à ̈ possibile contenere a valori assolutamente modesti il peso e l’ingombro del circuito 15 di pilotaggio. E’ importante osservare che la differenza di potenziale generata dal circuito 15 di pilotaggio ed applicata tra gli elettrodi 17 deve essere sufficientemente elevata da determinare il passaggio di una corrente 18 elettrica significativa attraverso il carburante, ma non deve essere troppo elevata da arrivare a provocare rotture del dielettrico che genererebbero la formazione di archi elettrici tra gli elettrodi 17 e quindi all’interno del carburante.

Nella figura 4 à ̈ illustrato a titolo di esempio una possibile forma di attuazione del circuito 15 di pilotaggio; in particolare, tale circuito 15 di pilotaggio comprende un dispositivo 19 di controllo che stabilisce quando attivare il riscaldamento del carburante controllando un ponte 20 invertitore a ponte ad “H†che viene alimentato dalla tensione continua fornita dalla batteria del veicolo e fornisce una tensione alternata ad onda quadra ad un primario di un trasformatore 21 avente la funzione di elevare la tensione elettrica. Il secondario del trasformatore 21 à ̈ direttamente collegato con i morsetti 17 secondo lo schema di collegamento illustrato nella figura 3.

E’ importante osservare che un requisito fondamentale per il corretto funzionamento del dispositivo 12 di riscaldamento sopra descritto à ̈ che il carburante presenti una conducibilità elettrica almeno discreta, cioà ̈ abbia una resistività elettrica o resistenza elettrica specifica indicativamente non superiore a 1000 Ohm per metro. Ad esempio, il carburante E85 (composto dall’85% alcol e dal 15% di benzina) à ̈ un conduttore elettrico discreto grazie sia alla natura polare dell’alcol con la desinenza “-OH†sia alle sostanze conduttrici che vengono aggiunte per prevenire l’accumulo di cariche elettrostatiche che scaricandosi potrebbero causare delle scintille e accendere il vapore di carburante. Come illustrato nel grafico della figura 5, alle temperature inferiori alla temperatura di soglia di accensione la resistività del carburante E85 à ̈ di circa 250 Ohm per metro e scende al salire della temperatura.

Secondo una possibile forma di attuazione, à ̈ possibile determinare la resistenza equivalente del carburante vista ai capi degli elettrodi 17 in funzione della differenza di potenziale applicata tra gli elettrodi 17 e della intensità della corrente 18 elettrica che circola attraverso gli elettrodi 17; quindi, in funzione della resistenza equivalente del carburante vista ai capi degli elettrodi 17à ̈ possibile stimare la temperatura del carburante. Generalmente, per stimare la temperatura del carburante viene approntata una tabella ricavata sperimentalmente attraverso una serie di misure sul campo che a ciascuna resistenza equivalente del carburante vista ai capi degli elettrodi 17 associa una corrispondente temperatura del carburante.

Il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto presenta numerosi vantaggi.

In primo luogo, il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto à ̈ di semplice ed economica realizzazione, in quanto utilizza pochi componenti di costo modesto e di facile reperibilità.

Inoltre, il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto à ̈ particolarmente compatto e leggero, quindi di facile collocazione anche in un sistema di alimentazione esistente.

Il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto ha un rendimento estremamente elevato se confrontato con i dispositivi di riscaldamento di carburante noti fino ad oggi utilizzati; ad esempio per fornire al carburante contenuto nel volume 13 interno del condotto 3 comune una potenza termica di 70 Watt in pochi secondi, il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto assorbe complessivamente circa 100 Watt presentando quindi un rendimento a breve di circa il 70%. Tale risultato viene ottenuto grazie al fatto che il calore viene generato direttamente nel carburante per effetto Joule invece di essere generato in un altro corpo (la termoresistenza) che lo deve poi trasmettere al carburante: eliminando completamente ogni trasmissione di calore per conduzione, l’effetto di riscaldamento del dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto à ̈ pressoché istantaneo. E’ importante sottolineare che anche il carburante che non à ̈ direttamente interessato dalla circolazione della corrente elettrica (cioà ̈ dal riscaldamento per effetto Joule) viene riscaldato rapidamente per convenzione (che nei fluidi à ̈ molto rapida e efficiente) dall’adiacente carburante che à ̈ direttamente interessato dalla circolazione della corrente elettrica (cioà ̈ dal riscaldamento per effetto Joule).

Infine, il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto à ̈ intrinsecamente sicuro, in quanto se nel volume 13 interno del flauto 3 di distribuzione non à ̈ presente il carburante (ad esempio per un problema anche temporaneo nell’alimentazione del carburante da parte della pompa 4 di alimentazione di alta pressione), semplicemente non à ̈ possibile alcun flusso di corrente elettrica tra gli elettrodi 17: in altre parole, il dispositivo 12 di riscaldamento di carburante sopra descritto può produrre calore all’interno del flauto 3 di distribuzione solo in presenza di carburante.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1) Metodo di riscaldamento di carburante in un motore a combustione interna; il metodo di riscaldamento comprende le fasi di: disporre almeno due elettrodi (17) tra loro distanziati a contatto con il carburante; ed applicare, mediante un generatore elettrico, una differenza di potenziale tra i due elettrodi (17) per fare circolare una corrente (18) elettrica tra i due elettrodi (17) ed attraverso il carburante che si trova tra i due elettrodi (17) stessi in modo tale da provocare nel carburante una dissipazione di energia elettrica per effetto Joule.
2. 2) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui ciascun elettrodo (17) presenta una forma rettilinea allungata.
3. 3) Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui gli elettrodi (17) sono disposti tra loro paralleli ed affiancati.
4. 4) Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui sono previsti quattro elettrodi (17) disposti ai vertici di un quadrato.
5. 5) Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui due primi elettrodi (17a) sono collegati tra loro in parallelo e quindi presentano lo stesso potenziale elettrico, e due secondi elettrodi (17b) sono collegati tra loro in parallelo e quindi presentano lo stesso potenziale elettrico.
6. 6) Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui i due primi elettrodi (17a) sono disposti in corrispondenza di vertici opposti del quadrato, ed i due secondi elettrodi (17b) sono disposti in corrispondenza di vertici opposti del quadrato.
7. 7) Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il carburante à ̈ contenuto in un contenitore che à ̈ elettricamente conduttore e costituisce uno degli elettrodi (17).
8. 8) Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 7, in cui la differenza di potenziale à ̈ alternata e presenta una frequenza di almeno 10 Hz.
9. 9) Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui la differenza di potenziale presenta una forma di onda quadra.
10. 10) Metodo secondo una delle rivendicazioni da 1 a 9 e comprendente le ulteriori fasi di: determinare la resistenza equivalente del carburante vista ai capi degli elettrodi (17) in funzione della differenza di potenziale applicata tra gli elettrodi (17) e della intensità della corrente (18) elettrica che circola attraverso gli elettrodi (17); e stimare la temperatura del carburante in funzione della resistenza equivalente del carburante vista ai capi degli elettrodi (17).
11. 11) Dispositivo (12) di riscaldamento di carburante in un motore a combustione interna; il dispositivo (12) di riscaldamento comprende: almeno due elettrodi (17) che sono disposti tra loro distanziati a contatto con il carburante; ed un generatore (15) elettrico che applica una differenza di potenziale tra i due elettrodi (17) per fare circolare una corrente (18) elettrica tra i due elettrodi (17) ed attraverso il carburante che si trova tra i due elettrodi (17) stessi in modo tale da provocare nel carburante una dissipazione di energia elettrica per effetto Joule.