ITPI20090143A1

ITPI20090143A1 - Sistema di iniezione diretta di idrogeno per motori ad ac

Info

Publication number: ITPI20090143A1
Application number: IT000143A
Authority: IT
Inventors: Stefano Frigo; Roberto Gentili; Stefania Zanforlin
Original assignee: Univ Pisa
Priority date: 2009-11-18
Filing date: 2009-11-18
Publication date: 2011-05-19

Description

DESCRIZIONE DELL'INVENZIONE AVENTE PER TITOLO:

SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA DI IDROGENO PER MOTORI AD AC,

DESCRIZIONE

Ambito dell'invenzione

L'ambito in cui si colloca l'invenzione è quello dei motori a combustione interna alimentati ad idrogeno gassoso. L'interesse per la combustione dell'idrogeno nei motori deriva da alcune caratteristiche favorevoli dell'idrogeno rispetto ai combustibili convenzionali, ovvero l'assenza di carbonio (la quale consente di non formare né anidride carbonica, né inquinanti, salvo ossidi di azoto), l'ampio campo di infiammabilità e l'elevata velocità di fiamma. Grazie a queste ultime due caratteristiche, che consentono di bruciare in modo regolare e stabile anche miscele idrogeno-aria molto più povere dello stechiometrico, è possibile regolare il carico del motore "per qualità", come avviene nei motori Diesel, con conseguente miglioramento del rendimento. Tuttavia difficoltà pratiche ostacolano l'utilizzazione dell'idrogeno gassoso negli autoveicoli. Le principali consistono nella bassissima densità dell'idrogeno con conseguente difficoltà di stoccarne a bordo quantità tali da consentire ragionevoli autonomie di marcia (occorrerebbe ricorrere a pressioni estremamente elevate), bassa potenza specifica del motore qualora questo venga alimentato con della miscela formata esternamente, difficoltà di realizzare un sistema di iniezione diretta date le portate volumetriche istantanee necessarie.

La presente invenzione riguarda un sistema di iniezione diretta d'idrogeno in fase gassosa per motori ad accensione comandata che permette di utilizzare basse pressioni di iniezione, ad esempio 12 bar, in modo da sfruttare quasi completamente la quantità di idrogeno stoccato a bordo del veicolo .

Stato della tecnica nota

Le strategie di formazione della miscela nei motori a combustione interna ad accensione comandata alimentati ad idrogeno sono le seguenti:

1) formazione esterna della miscela, con iniezione indiretta di idrogeno mediante elettroiniettori uguali o simili a quelli in uso nei motori a gas naturale;

2) formazione interna della miscela, con iniezione diretta di idrogeno mediante iniettori speciali.

L'iniezione indiretta di idrogeno gassoso è una tecnica semplice ed economica e consente omogeneità della miscela e sfruttamento quasi completo del combustibile stoccato (grazie alla bassa pressione di iniezione), per contro implica modeste potenze specifiche e possibili ritorni di fiamma nel collettore di aspirazione. L'iniezione indiretta di idrogeno liquido criogenico è una tecnica più recente che, grazie alla bassissima temperatura ed al calore latente di evaporazione, consente sia di incrementare la densità energetica della miscela che di allontanare i rischi di preaccensione e ritorno di fiamma, per contro richiede sofisticate e costose tecnologie.

La formazione interna della miscela (iniezione diretta) assicura elevata densità energetica della carica (anche superiore a quella ottenibile nei motori a benzina) ed evita ritorni di fiamma, giacché si può cominciare ad iniettare l'idrogeno dopo la chiusura delle valvole di aspirazione. Gli iniettori che vengono impiegati a tal fine sono ad azionamento elettromagnetico o piezoelettrico. Il principale inconveniente consiste nel fatto che tali elettro-iniettori non possono dar luogo a sezioni di passaggio molto ampie. Questo comporta, a meno che non si tratti di motori lenti, piccoli o di bassa potenza specifica, la necessità di pressioni di iniezi elevate (tipicamente > 80 bar) , con la conseguenza di sfruttamento solo parziale dell'idrogeno stoccato a bordo veicolo. Infatti l'iniezione dell'idrogeno nel cilindro deve mantenersi entro un limitato angolo di manovella (deve cominciare a valvole di aspirazione chiuse o in procinto di chiudersi e deve terminare sufficientemente prima dell'accensione) e perciò occorre un'elevata portata istantanea. Per ottenerla nonostante la relativamente piccola sezione di passaggio consentita dagli elettro-iniettori, occorre iniettare idrogeno ad alta pressione. Servono comungue iniettori speciali con sezioni di passaggio le più ampie possibili, i quali siano anche atti ad assicurare buona tenuta nonostante le piccole dimensioni della molecola di idrogeno, nonché a funzionare correttamente nonostante le scarse proprietà lubrificanti dell'idrogeno. Recentemente è stato presentato sistema a due stadi, costituito da due iniettori ad azionamento elettromagnetico. Il primo stadio, grazie anche a condizioni d'efflusso critico che danno luogo a dipendenza lineare tra durata di iniezione e quantità iniettata, serve a dosare 1'idrogeno, il quale viene momentaneamente stoccato in una piccola camera di accumulo, il secondo serve invece a trasferirlo dalla cameretta di accumulo al cilindro. Tuttavia questo sistema non risolve il problema della necessità di pressioni d'iniezione elevate, perché l'iniezione dell'idrogeno nel cilindro viene comunque realizzata mediante un elettro-iniettore, e con esso, come già osservato, non si possono realizzare sezioni di passaggio ampie. Anzi, per realizzare efflusso critico verso la piccola camera d'accumulo, occorre che la pressione a monte (e quindi anche quella minima residua dell'idrogeno stoccato a bordo del veicolo) sia addirittura assai più elevata rispetto a quella richiesta per l'iniezione a singolo stadio.

Descrizione del disegno allegato

A titolo puramente esemplificativo e non limitativo verrà seguito descritto ed illustrato in Figura 1 il principio funzionamento del trovato.

Tramite un elettro-iniettore (1) normalmente utilizzato su motori alimentati a gas naturale, impiegando una bassa pressione a monte, ad esempio 12 bar, l'idrogeno viene inizialmente immesso in un piccolo serbatoio di accumulo (2). Le modeste portate massiche istantanee realizzabili a tali pressioni e con elettro-iniettori di tale tipo sono sufficienti grazie al fatto che l'iniezione in detto piccolo serbatoio di accumulo (2) può protrarsi al limite per un intero ciclo motore (720° di angolo di manovella) . Detto elettro-iniettore (1) svolge la funzione di dosare la quantità d'idrogeno da iniettare, ovvero determinare la quantità d'idrogeno che si accumula nel piccolo serbatoio (2). A tal fine è opportuno che la pressione in detto piccolo serbatoio di accumulo (2) si mantenga sempre al di sotto del valore che consente flusso critico attraverso l'elettro-iniettore (1) (ad esempio poco più di 6 bar se la pressione a monte dell'elettro-iniettore (1) è 12 bar), in modo che vi sia semplice dipendenza lineare della portata d'idrogeno dal tempo d'apertura dell'elettro-iniettore (1). Successivamente il piccolo serbatoio di accumulo (2) viene posto in comunicazione con il cilindro motore (4) mediante una valvola a fungo (valvola d'iniezione) (3) la quale è in grado di garantire la necessaria sezione di passaggio e la cui apertura viene comandata meccanicamente con fase opportuna. Detta valvola d'iniezione (3) svolge la funzione di temporizzare l'iniezione dell'idrogeno nel cilindro, la quale deve tipicamente mantenersi entro poche decine di angoli di manovella, perché per evitare ritorni di fiamma nei condotti d'aspirazione ed ottenere un elevato coefficiente di riempimento del motore è opportuno che l'iniezione dell'idrogeno nel cilindro motore cominci una volta chiuse le valvole di aspirazione o quando esse sono in procinto di chiudersi, mentre necessariamente termina quando nel cilindro motore, in fase di compressione si raggiunge la pressione al momento esistente nel picco serbatoio di accumulo. Si noti che la pressione massima nel piccolo serbatoio di accumulo dipende, oltre che dal volume di esso, da fasatura, dimensioni e legge di alzata della valvola d'iniezione .

Come si evince da quanto sopra illustrato e descritto, il sistema secondo il trovato presenta sia i pregi tipici dell'iniezione diretta, cioè alta potenza specifica ed assenza di ritorni di fiamma nei condotti d'aspirazione, sia i vantaggi dell'iniezione indiretta, ovvero semplicità ed economicità dei componenti adottati, consentendo di sfruttare il serbatoio di stoccaggio dell'idrogeno fino a valori modesti della pressione residua.

Descrizione delle forme realizzative preferite

Ai fini di ottenere una adeguata miscelazione dell'idrogeno con l'aria e/o una stratificazione della carica si possono utilizzare opportune forme e disposizioni della valvola d'iniezione dell'idrogeno.

Adottando una valvola di forma uguale a quelle normalmente utilizzate per l'aspirazione e lo scarico, si può ottenere, per effetto Coanda, l'adesione dell'idrogeno alle testata, partendo dalla quale l'idrogeno si dirige poi verso le pareti del cilindro.

Adottando un valvola sagomata in modo da realizzare un getto di idrogeno assai compatto, si può ottenere una profonda penetrazione dell'idrogeno nel cilindro, con impatto sulla superficie superiore dello stantuffo e successiva diffusione verso la parete del cilindro.

Oltre ad influenzare il livello globale e locale di omogeneizzazione della carica realizzabile al momento dell'accensione, la geometria della valvola d'iniezione dell'idrogeno ed il suo posizionamento sulla testata incidong' anche sulla probabilità che possa verificarsi preaccensione, fenomeno che avviene in presenza di fiamme tardive a causa della bassa energia d'innesco dell'idrogeno. Tipicamente tali fiamme tardive sono localizzate negli interstizi tra stantuffo, fasce elastiche e cilindro. Risulta quindi preferibile sagomare e posizionare la valvola a fungo in modo tale da ritardare il più possibile il contatto dell'idrogeno con tali zone.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Sistema di iniezione diretta di idrogeno in fase gassosa per motori a combustione interna ad accensione comandata caratterizzato dal fatto che l'iniezione dell'idrogeno avviene in due stadi: prima in un piccolo serbatoio di accumulo e successivamente nel cilindro motore e dal che il secondo stadio, ossia l'iniezione nel cilindro motore, avviene attraverso una valvola comandata meccanicamente con sezione di passaggio tale da poter utilizzare basse pressioni di iniezione.
2. Sistema secondo la rivendicazioni precedente e caratterizzato dal fatto che 1'iniezione di idrogeno nel piccolo serbatoio di accumulo avviene tramite un elettroiniettore simile od uguale a quelli utilizzati per i motori alimentati ad iniezione indiretta di gas naturale.
3. Sistema secondo le rivendicazioni precedenti e caratterizzato dal fatto che la quantità di idrogeno iniettato è regolata solo controllando il tempo di apertura dell'elettro-iniettore.
4. Sistema secondo le rivendicazioni precedenti e caratterizzato dal fatto che la fasatura, le dimensioni e la legge di alzata della valvola d'iniezione ed il volume del piccolo serbatoio di accumulo sono tali da limitare la pressione massima in quest'ultimo in modo tale da ottenere flusso sonico attraverso l'elettro-iniettore al variare di tutte le condizioni di funzionamento del motore pur con un modesto valore della pressione a monte.
5. Sistema secondo le rivendicazioni precedenti e caratterizzato dal fatto che grazie al flusso sonico attraverso l'elettro-iniettore vi è dipendenza lineare della quantità di idrogeno iniettato dal tempo d'apertura dell 'elettro-iniettore.
6. Sistema secondo le rivendica .oni precedenti 3⁄4 caratterizzato dal fatto che la fasatura della valvola d'iniezione è tale da evitare ritorni di fiamma nel collettore di aspirazione del motore.
7. Sistema secondo le rivendicazioni precedenti e caratterizzato dal fatto che il motore, equipaggiato con tale sistema d'iniezione, può raggiungere prestazioni comparabili con quelle di un equivalente motore alimentato a benzina .
8. Sistema secondo le rivendicazioni precedenti e secondo quanto descritto ed illustrato per gli scopi specificati.