ITFI20130175A1 - PROPULSION SYSTEM WITH ENDOTHERMAL UNIT WITH ENERGY RECOVERY AND COOLED COMBUSTION CHAMBER. - Google Patents
PROPULSION SYSTEM WITH ENDOTHERMAL UNIT WITH ENERGY RECOVERY AND COOLED COMBUSTION CHAMBER.Info
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Annessa a domanda di BREVETTO PER INVENZIONE INDUSTRIALE dal titolo: Attached to the application for a PATENT FOR INDUSTRIAL INVENTION entitled:
Sistema di propulsione con gruppo endotermico a recupero di energia e camera di combustione raffreddata. Propulsion system with endothermic unit with energy recovery and cooled combustion chamber.
Campo tecnico Technical field
La presente invenzione appartiene al settore dei gruppi propulsivi per la trazione dei veicoli terrestri. Più in particolare ai dispositivi che comprendono sistemi di regolazione e di recupero dell’energia in funzione della condizione di marcia del veicolo. The present invention belongs to the sector of propulsion units for traction of land vehicles. More specifically, to devices that include systems for regulating and recovering energy according to the running condition of the vehicle.
Stato della tecnica State of the art
Sono noti da tempo sistemi di propulsione che si basano sull’azione combinata di un compressore azionato meccanicamente da una turbina nella quale si espandono gas che si sono formati in una camera di combustione. Propulsion systems have long been known that are based on the combined action of a compressor mechanically driven by a turbine in which gases that have formed in a combustion chamber expand.
I sistemi di questo tipo non sempre presentano un’elevata efficienza energetica e, comunque, presentano note difficoltà di regolazione e/o di parzializzazione. Systems of this type do not always have a high energy efficiency and, in any case, have known difficulties of regulation and / or partialization.
Inoltre l’uso di sistema di variazione del rapporto coppia/velocità non sono particolarmente agevoli su questo tipo di propulsori, a causa dell’elevatissimo numero di giri che li caratterizza. Furthermore, the use of the torque / speed ratio variation system is not particularly easy on this type of engines, due to the very high number of revolutions that characterize them.
In particolare, nel caso di gruppi propulsivi utilizzati per la trazione veicolare, la necessità di energia è spesso assai discontinua, e, a volte, la richiesta di energia è nulla, mentre si verifica la necessità di dissipare energia al fine di frenare il veicolo. In particular, in the case of propulsion units used for vehicular traction, the need for energy is often very discontinuous, and, at times, the energy demand is zero, while there is the need to dissipate energy in order to brake the vehicle.
Scopi e sommario dell’invenzione Aims and summary of the invention
Scopo della presente invenzione è dunque quello di assicurare una maggiore facilità di regolazione rispetto ai sistemi noti, nonché recuperare almeno in parte l’energia che andrebbe perduta in fase di frenata. The purpose of the present invention is therefore to ensure greater ease of adjustment than known systems, as well as to recover at least in part the energy that would be lost during braking.
Questi ed altri risultati vengono conseguiti dalla presente invenzione, il cui contenuto apparirà chiaro dalla lettura di quanto segue. These and other results are achieved by the present invention, the content of which will become clear from reading what follows.
Il sistema oggetto della presente domanda di brevetto si compone di un gruppo endotermico al quale sono associati uno scambiatore di calore, oppure un gruppo di recupero dell’energia, od entrambi. The system object of this patent application consists of an endothermic group to which a heat exchanger or an energy recovery group or both are associated.
Il gruppo generativo comprende un nebulizzatore (1) che provvede ad inserire dell’acqua, eventualmente trattata, all’interno del flusso di gas comburente in ingresso al compressore (2). Questa azione premette di ridurre le temperature nel corso della compressione, poiché l’acqua assorbe parte del calore del processo. The generative group includes a nebulizer (1) which inserts water, possibly treated, into the combustion gas flow entering the compressor (2). This action allows to reduce the temperatures during the compression, since the water absorbs part of the heat of the process.
Il gas comburente compresso entra quindi all’interno della camera di combustione (3), dove può avvenire l’iniezione di acqua, oppure di vapore, di gas o di una loro miscela, detto gas compresso passa quindi, nella turbina (4). The compressed combustion gas then enters the combustion chamber (3), where the injection of water, steam, gas or a mixture thereof can take place, said compressed gas then passes into the turbine (4).
In quest’ultima l’energia del fluido si trasforma in energia meccanica che, in parte, è impiegata per azionare il compressore (2), ed in parte è disponibile per movimentare il veicolo tramite un apposito sistema di trazione, per mezzo dell’albero motore (41). In the latter, the energy of the fluid is transformed into mechanical energy which, in part, is used to drive the compressor (2), and in part is available to move the vehicle through a special traction system, by means of the shaft engine (41).
Quindi, in uscita da detto primo gruppo generativo si ha a disposizione energia meccanica, vantaggiosamente impiegabile per la trazione, e un flusso di gas esausti ad elevata temperatura, con elevato contenuto entalpico. Therefore, at the outlet of said first generating group there is available mechanical energy, advantageously usable for traction, and a flow of exhausted gas at a high temperature, with a high enthalpy content.
In una prima forma di attuazione della presente domanda di brevetto, a detto gruppo endotermico è vantaggiosamente associato uno scambiatore di calore (5) che preriscalda l’acqua, eventualmente trattata, prima che detta acqua venga iniettata nella camera di combustione (3) ad opera dei gas di scarico di detta turbina (4). In a first embodiment of the present patent application, a heat exchanger (5) is advantageously associated with said endothermic unit, which preheats the water, possibly treated, before said water is injected into the combustion chamber (3) by of the exhaust gases of said turbine (4).
Vantaggiosamente detto scambiatore di calore può prevedere un sistema di recupero dell’acqua contenuta nel flusso dei gas in uscita. Tale recupero appare di particolare rilevanza in questa applicazione poiché limita il consumo di acqua e, di conseguenza, l’ingombro ed il peso di un serbatoio sul veicolo. Advantageously, said heat exchanger can provide a system for recovering the water contained in the outgoing gas flow. This recovery appears to be of particular importance in this application since it limits the consumption of water and, consequently, the size and weight of a tank on the vehicle.
È nota la preesistenza di sistemi a combustione che sfruttano l’iniezione di acqua in camera di combustione per aumentare la potenza dell’espansione o la qualità della combustione. The pre-existence of combustion systems that exploit the injection of water into the combustion chamber to increase the power of expansion or the quality of combustion is known.
Tra questi appare rilevante il documento US2003217553 che mostra un sistema di gestione e controllo dell’intero ciclo di combustione e di iniezione di acqua. Among these, the document US2003217553 is relevant, which shows a management and control system for the entire combustion and water injection cycle.
In una seconda forma di attuazione, a detto gruppo endotermico è vantaggiosamente associato un gruppo di recupero dell’energia, sia dell’energia inutilizzata da detto sistema di trazione, od in eccesso, che dell’energia contenuta nei gas di scarico di detta turbina (4). In a second embodiment, an energy recovery unit is advantageously associated with said endothermic unit, both of the energy not used by said traction system, or in excess, and of the energy contained in the exhaust gases of said turbine ( 4).
Detto gruppo di recupero dell’energia comprende un motore pneumatico a palette (6), di tipo reversibile, ed un compressore (7) che riempie un serbatoio ad alta pressione (8) con aria compressa prelevata dall’ambiente. Said energy recovery unit includes a pneumatic vane motor (6), of the reversible type, and a compressor (7) which fills a high pressure tank (8) with compressed air taken from the environment.
In questo modo detto gruppo di recupero dell’energia adegua la potenza fornita da detto gruppo endotermico alle condizioni desiderate del sistema di trazione e, in frenata, recupera l’energia dissipata da quest’ultimo. In this way, said energy recovery unit adjusts the power supplied by said endothermic unit to the desired conditions of the traction system and, under braking, recovers the energy dissipated by the latter.
Detto compressore (7) è mosso da un motore pneumatico (9), a sua volta azionato dall’energia contenuta nei gas di scarico di detta turbina (4), e/o dall’energia posseduta da aria ambientale, alla quale detta energia è stata preventivamente trasferita da detto motore pneumatico a palette reversibile (6), quest’ultimo messo in movimento dal veicolo tramite l’albero (61). Said compressor (7) is driven by a pneumatic motor (9), in turn driven by the energy contained in the exhaust gases of said turbine (4), and / or by the energy possessed by ambient air, to which said energy is been previously transferred by said pneumatic motor with reversible vane (6), the latter set in motion by the vehicle through the shaft (61).
Detto compressore (7) carica un serbatoio ad alta pressione (8) con aria ambientale compressa. Said compressor (7) charges a high pressure tank (8) with compressed ambient air.
L’aria compressa contenuta in detto serbatoio ad alta pressione (8), all’occorrenza, può essere inserita in camera di combustione per aumentare la potenza ritraibile all’asse (41) della turbina (4). The compressed air contained in said high pressure tank (8), if necessary, can be inserted into the combustion chamber to increase the power retractable to the axis (41) of the turbine (4).
Detto motore pneumatico a palette reversibile (6), oltre a comprimere l’aria ambientale tramite l’energia fornita da detto sistema di trazione in fase di frenata, fornisce a quest’ultimo, tramite l’asse (61), ulteriore potenza sfruttando l’espansione, al suo interno, dei gas di scarico di detta turbina (4). Said reversible vane pneumatic motor (6), in addition to compressing the ambient air through the energy supplied by said traction system during braking, supplies the latter, through the axis (61), with additional power by exploiting the expansion, inside, of the exhaust gases of said turbine (4).
Breve descrizione dei disegni Brief description of the drawings
La Fig. 1 mostra il gruppo endotermico che comprende un nebulizzatore (1) dei gas comburenti, un compressore (2), una camera di combustione (3) ed una turbina (4) in associazione con uno scambiatore (5) che preriscalda l’acqua che viene iniettata in detta camera di combustione (3) ad opera dei gas di scarico di detta turbina (4). Fig. 1 shows the endothermic unit which comprises a nebulizer (1) for the comburent gases, a compressor (2), a combustion chamber (3) and a turbine (4) in association with an exchanger (5) which preheats the water which is injected into said combustion chamber (3) by the exhaust gases of said turbine (4).
La figura mostra inoltre l’albero (41) connesso al sistema di trazione del veicolo. The figure also shows the shaft (41) connected to the vehicle's traction system.
La Fig. 2 mostra il gruppo endotermico che comprende un nebulizzatore (1) dei gas comburenti, un compressore (2), una camera di combustione (3) ed una turbina (4) in associazione con un gruppo di recupero dell’energia e di uno scambiatore (51) con recupero dell’acqua di scarico. Fig. 2 shows the endothermic unit which includes a nebulizer (1) for the comburent gases, a compressor (2), a combustion chamber (3) and a turbine (4) in association with an energy recovery unit and an exchanger (51) with waste water recovery.
Detto gruppo di recupero dell’energia comprende un motore pneumatico a palette reversibile (6), un motore pneumatico (9) che aziona un compressore (7) che a sua volta alimenta un serbatoio (8) ad alta pressione, due bocche d’ingresso (10) dell’aria ambientale ed alcune valvole (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17). Said energy recovery unit comprises a reversible vane pneumatic motor (6), a pneumatic motor (9) which drives a compressor (7) which in turn feeds a high pressure tank (8), two inlets (10) of the ambient air and some valves (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17).
La figura mostra inoltre i due alberi (41, 61) connessi al sistema di trazione del veicolo. The figure also shows the two shafts (41, 61) connected to the vehicle's drive system.
Detto scambiatore (51) preriscalda l’acqua che viene iniettata in detta camera di combustione (3). Said exchanger (51) preheats the water that is injected into said combustion chamber (3).
Descrizione dettagliata di una forma di attuazione dell’invenzione Detailed description of an embodiment of the invention
Il sistema di propulsione oggetto della presente domanda di brevetto comprende un gruppo endotermico per veicoli dotato di un nebulizzatore (1) che aggiunge acqua nebulizzata al gas comburente prima che questo sia iniettato in una camera di combustione (3) ad opera di un compressore (2). In questo modo, l’acqua nebulizzata assorbe una parte del calore sviluppato dalla compressione di detto gas comburente. The propulsion system object of the present patent application comprises an endothermic unit for vehicles equipped with a nebulizer (1) which adds atomized water to the combustion gas before it is injected into a combustion chamber (3) by a compressor (2 ). In this way, the atomized water absorbs part of the heat developed by the compression of said combustion gas.
Nella detta camera di combustione viene iniettato un combustibile la cui combustione provoca un innalzamento dell’entalpia del fluido gassoso. Un turbina (4) sfrutta l’espansione di detto fluido e mette in rotazione un albero motore (41) che movimenta, oltre che il compressore (2), il veicolo, tramite un apposito sistema di trazione di tipo noto. A fuel is injected into said combustion chamber whose combustion causes an increase in the enthalpy of the gaseous fluid. A turbine (4) exploits the expansion of said fluid and rotates a drive shaft (41) which moves, as well as the compressor (2), the vehicle, through a special traction system of a known type.
Vantaggiosamente, detto gruppo endotermico può prevedere l’iniezione di ulteriore acqua, anche questa eventualmente pretrattata e preriscaldata, all’interno di detta camera di combustione (3). Advantageously, said endothermic group can provide for the injection of further water, this too possibly pre-treated and preheated, inside said combustion chamber (3).
Nel caso che l’acqua sia preriscaldata, il trattamento di preriscaldo avviene, vantaggiosamente, per mezzo di uno scambiatore di calore (5) che sfrutta l’energia dei gas in uscita dal gruppo endotermico. In the event that the water is preheated, the preheating treatment takes place, advantageously, by means of a heat exchanger (5) which uses the energy of the gases leaving the endothermic group.
Lo scambiatore di calore può essere del tipo a miscela od a superficie e, convenientemente, può prevedere il recupero dell’acqua contenuta nei gas in uscita dal gruppo. The heat exchanger can be of the mixture or surface type and, conveniently, can provide for the recovery of the water contained in the gases leaving the group.
In una prima forma di attuazione questi ultimi arrivano da detta turbina (4). In una diversa forma di attuazione dell’invenzione, detti gas in uscita provengono da un gruppo di recupero dell’energia, così come nel caso dello scambiatore (51) rappresentato nella Fig. 2. In a first embodiment, the latter arrive from said turbine (4). In a different embodiment of the invention, said outgoing gases come from an energy recovery unit, as in the case of the exchanger (51) represented in Fig. 2.
La regolazione dell’energia meccanica fornita all’albero motore (41) avviene tramite meccanismi noti come, a titolo esemplificativo, la parzializzazione del flusso del combustibile. The adjustment of the mechanical energy supplied to the crankshaft (41) takes place through known mechanisms such as, by way of example, the partialization of the fuel flow.
Nel sistema di propulsione qui descritto l’intervallo di regolazione è ampliato tramite il recupero dell’energia dei gas in uscita dal gruppo, ma anche tramite il recupero combinato di quest’ultima e dell’energia meccanica non sfruttata dal sistema di trazione. In the propulsion system described here, the adjustment range is extended through the recovery of the energy of the gases leaving the unit, but also through the combined recovery of the latter and the mechanical energy not exploited by the traction system.
Nel secondo caso, detto gruppo di recupero dell’energia comprende un motore pneumatico a palette reversibile (6), collegato al sistema di trazione del veicolo, ed un sistema di accumulo dell’energia. In the second case, said energy recovery unit includes a reversible vane pneumatic motor (6), connected to the vehicle's traction system, and an energy storage system.
In una forma preferita di attuazione, detto sistema di accumulo di energia è di tipo pneumatico e comprende un compressore (7) che riempie un serbatoio ad alta pressione (8) con aria compressa ambientale prelevata da una bocca d’ingresso (10). In a preferred embodiment, said energy storage system is of the pneumatic type and comprises a compressor (7) which fills a high pressure tank (8) with environmental compressed air taken from an inlet (10).
Il funzionamento di detto gruppo di recupero dell’energia può variare agendo su apposite valvole (11, 12 13, 14, 15, 16, 17), eventualmente anche in parzializzazione. The operation of said energy recovery unit can vary by acting on special valves (11, 12, 13, 14, 15, 16, 17), possibly also in partialization.
All’occorrenza, l’aria compressa ad alta pressione contenuta in detto serbatoio (8) viene immessa in detta camera di combustione (3), agendo sulla valvola (17). In caso di necessità, detta aria compressa ad alta pressione contenuta in detto serbatoio (8) può essere scaricata nell’ambiente agendo sulla valvola di scarico (16). If necessary, the high pressure compressed air contained in said tank (8) is introduced into said combustion chamber (3), acting on the valve (17). If necessary, said high pressure compressed air contained in said tank (8) can be discharged into the environment by acting on the discharge valve (16).
In condizioni di marcia, con le valvole (11, 13) chiuse e la valvola (12) aperta, detto motore pneumatico a palette reversibile (6) è azionato dai gas di scarico di detta turbina (4) e fornisce energia meccanica al veicolo per mezzo dell’albero (61). Eventualmente, anziché indirizzare tutto il flusso verso detto motore pneumatico a palette reversibile (6), è possibile aprire la valvola (11) in modo da azionare anche il motore pneumatico (9) che muove il compressore (7). Evidentemente, in quest’ultimo caso si ridurrà l’energia fornita dall’albero (61) a favore dell’energia immagazzinata nel serbatoio ad alta pressione (8). In running conditions, with the valves (11, 13) closed and the valve (12) open, said pneumatic motor with reversible vane (6) is driven by the exhaust gases of said turbine (4) and supplies mechanical energy to the vehicle for middle of the tree (61). Optionally, instead of directing all the flow towards said pneumatic motor with reversible vane (6), it is possible to open the valve (11) so as to also activate the pneumatic motor (9) which moves the compressor (7). Evidently, in the latter case, the energy supplied by the shaft (61) will be reduced in favor of the energy stored in the high pressure tank (8).
In condizioni di frenata, i gas dalla turbina (4) sono inviati a detto motore pneumatico (9), aprendo la valvola (11) e chiudendo la valvola (12). Under braking conditions, the gases from the turbine (4) are sent to said pneumatic motor (9), opening the valve (11) and closing the valve (12).
Vantaggiosamente il sistema oggetto della presente domanda di brevetto può, in detta condizione di frenata, recuperare l’energia che altrimenti andrebbe dissipata, imprimendo un’azione frenante su detto sistema di trazione: l’albero (61) movimenta detto motore pneumatico reversibile (6) che comprime aria aspirata dall’ambiente dalla bocca di ingresso (10) collegata alla valvola (13) e che, successivamente, aziona detto sistema di accumulo dell’energia. Advantageously, the system object of the present patent application can, in said braking condition, recover the energy that would otherwise be dissipated, by imparting a braking action on said traction system: the shaft (61) moves said reversible pneumatic motor (6 ) which compresses air sucked from the environment by the inlet (10) connected to the valve (13) and which, subsequently, activates said energy accumulation system.
Nel caso di frenata con detto albero (61) attivo, i gas provenienti da detta turbina (4) ed i gas compressi da detto motore pneumatico reversibile (6), con la valvola (14) aperta, azionano detto motore pneumatico (9) che movimenta detto compressore (7). In the case of braking with said shaft (61) active, the gases coming from said turbine (4) and the gases compressed by said reversible pneumatic motor (6), with the valve (14) open, actuate said pneumatic motor (9) which moves said compressor (7).
Agendo sulle valvole di azionamento è quindi possibile variare l’energia fornita al sistema di trazione da detto gruppo endotermico e recuperare energia, sia termica che meccanica. By acting on the actuation valves it is therefore possible to vary the energy supplied to the traction system by said endothermic unit and recover both thermal and mechanical energy.
Detto motore pneumatico (6) può essere del tipo con palette mobili e/o camere a volume variabile, per adattarsi alle condizioni di funzionamento sulla base della regolazione desiderata, sia in compressione che in espansione. Said pneumatic motor (6) can be of the type with movable vanes and / or chambers with variable volume, to adapt to the operating conditions on the basis of the desired adjustment, both in compression and in expansion.
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