ITTN980018A1

ITTN980018A1 - Dispositivo alimentato a vapore e apparato per la produzione del vapo-re per aumentare la potenza e ridurre le emissioni inquinanti prodotte

Info

Publication number: ITTN980018A1
Application number: IT1998TN000018A
Authority: IT
Inventors: Claudio Filippone; Marco Filippone; Antonio Filippone
Original assignee: Claudio Filippone; Marco Filippone; Antonio Filippone
Priority date: 1998-11-24
Filing date: 1998-11-24
Publication date: 2000-05-24
Also published as: WO2000031400A3; EP1049863B1; DE69939159D1; AU2145600A; EP1049863A4; EP1049863A1; IT1313524B1; WO2000031400A2; ES2310945T3

Description

DESCRIZIONE dell’ invenzione industriale avente titolo “Dispositivo alimentato a vapore e apparato per la produzione del vapore per aumentare la potenza e ridurre le emissioni inquinanti prodotte dai motori a combustione interna"

RIASSUNTO

Un ciclo a vapore a circuito chiuso viene utilizzato per convertire il calore disperso dai prodotti di combustione dei motori a combustione interna in cavai li-vapore aggiuntivi all’albero motore e ad un compressore o turbocompressore speciale, riducendo i consumi specifici e l’inquinamento. Il vapore prodotto all’interno di scambiatori di calore appositi pilota due turbine a vapore ausiliarie. Una turbina é accoppiata ad un compressore o turbocompressore mantenendolo sempre ad elevati giri indipendentemente dal numero di giri dell’albero motore. Il cosiddetto “turbo-lag” viene eliminato completamente ed il condotto di aspirazione é costantemente pressurizzato procurando un eccesso di aria al motore a qualsiasi numero di giri. L’altra turbina é accoppiata direttamente all’albero motore aggiungendo potenza in maniera proporzionale al calore disperso dal motore. Questo dispositivo aumenta considerevolmente le caratteristiche di potenza del motore, riduce l’inquinamento, ed elimina completamente la produzione di particolato allo scarico dei motori diesel. L’energia richiesta per il funzionamento di questo dispositivo é a costo zero poiché è recuperata dal calore normalmente scaricato nell’ambiente.

DISPOSITIVO AUMENTATO A VAPORE E APPARATO PER LA PRODUZIONE DEL VAPORE PER L’AUMENTO DELLA POTENZA E LA RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI PRODOTTI DAI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione riguarda turbine a vapore alimentate in una configurazione di tipo Rankine in grado di recuperare una parte del calore disperso dai motori a combustione interna. Tali turbine convertono l’energia del vapore in energia meccanica che viene aggiunta alla potenza normalmente erogata dal motore. Questa invenzione permette di pressurizzare l’impianto di aspirazione dei motori a combustione interna provvedendo sempre un eccesso. di aria nella miscela aria combustibile, eliminando completamente la produzione di particolato nei motori a combustibile diesel, e amplificando le prestazioni sia nei motori diesel che quelli a benzina.

Inoltre, una parte dell’energia recuperata viene ulteriormente riciclata per mezzo di una turbina a vapore accoppiata direttamente all’albero motore. In questo modo il motore può erogare una potenza complessiva aumentata di circa il 10-14%. Per questi motivi la presente invenzione può essere applicata come un dispositivo antinquinamento, soprattutto per applicazioni nei motori diesel, ma anche come un dispositivo per aumentare la potenza del motore senza aumentare i consumi di carburanti visto che la fonte energetica del dispositivo é calore che normalmente viene scaricato nell’ambiente.

RIASSUNTO DELLO STATO DELL’ARTE

I dispositivi turbocompressori per la compressione dell’aria nei condotti di aspirazione dei motori a combustione interna aumentano il rendimento complessivo del motore poiché utilizzano una frazione dell’energia contenuta nei gas di scarico prodotti dalla combustione. I dispositivi o compressori maggiormente utilizzati per questi scopi sono compressori di tipo centrifugo poiché possiedono un buon rendimento quando raggiungono le velocità di esercizio, si dimostrano estremamente affidabili, e possono funzionare per l’intera vita del motore. Tali compressori sono formati da due sezioni contrapposte nelle quali si trovano la turbina dei gas di scarico e la turbina del compressore. La turbina dei gas di scarico converte una parte dell’energia cinetica e l’espansione dei gas di scarico in potenza al suo asse. Sullo stesso asse, si trova anche la turbina del compressore la quale converte l’energia meccanica generata dalla turbina dei gas di scarico in energia cinetica impartita all’aria all’ingresso dei condotti di aspirazione. Tale energia cinetica trasferita all’aria di ingresso genera complessivamente un aumento della pressione nei condotti di aspirazione. In questo modo il motore si trova con un eccesso di aria compressa nei cilindri e conseguentemente può bruciare una maggior quantità di combustibile producendo maggiore potenza. Sfortunatamente, il rendimento del compressore centrifugo é ottimizzato solo quando la turbina del compressore dell’aria raggiunge un numero di giri generalmente elevato (>30000 RpM, Revolution Per Minute). Tali numeri di giri sono raggiunti solo quando la massa dei gas di scarico per secondo raggiunge un determinato livello per il quale la turbina dei gas di scarico é ottimizzata e trasferisce la massima coppia all’asse. Questa sequenza di eventi crea le premesse per un ritardo, nominato “turbo-lag,” imposto dall’inerzia meccanica del gruppo delle turbine e dal fatto che i gas di scarico sono il prodotto della combustione che non può avvenire in modo completo durante l’accelerazione poiché non c’é ossigeno a sufficienza nella camera di combustione. In altre parole, conseguentemente all’aver premuto il pedale dell’acceleratore, l’iniezione del combustibile é immediata e massiva mentre il motore deve vincere l’inerzia meccanica ed accelerare quando, allo stesso tempo, il turbocompressore non può provvedere un adeguato flusso d’aria. In questo contesto la turbina del compressore comincia ad accelerare conseguentemente alla progressiva combustione, ma la capacità di comprimere l’aria rimane minima per diversi secondi (secondo il carico motore). Durante le accelerazioni quindi e per intervalli variabili secondo il carico motore, il risultato é un forte impoverimento delle prestazioni e un severo inquinamento atmosferico. Infatti, durante questi transitori il motore brucia una miscela ricchissima in combustibile producendo un severo inquinamento poiché la maggior parte del combustibile non ha potuto partecipare alla reazione di combustione. Se il motore é un motore diesel, durante i transitori caratterizzati dal turbo-lag, tipico in ogni accelerazione, remissione di particolato é massima. Il particolato é altamente tossico e si forma quando ci sono le condizioni per una combustione parziale di idrocarburo compresso (per esempio combustibile diesel).

Per ovviare all’inconveniente del “turbo-lag” alcuni costruttori di motori utilizzano compressori a pistoni rotanti che quindi hanno un maggior rendimento a basso numero di giri e utilizzano un collegamento meccanico ad ingranaggi sincronizzati con il movimento dell’albero motore (quindi richiede energia dal motore per poter funzionare). In questo caso le caratteristiche del motore e l’inquinamento migliorano durante l’accelerazione, ma peggiorano una volta che il motore raggiunge un elevato numero di giri. Su motori dove la resa e il consumo specifico sono requisiti importanti, la combinazione di un compressore centrifugo e uno non centrifugo é normalmente adottata. Questa soluzione é molto costosa e risulta solamente in un modesto miglioramento del rendimento complessivo del motore. Infatti, il compressore non centrifugo utilizza energia meccanica del motore attraverso ruote ad ingranaggi e sebbene procuri un vantaggio a bassi giri esso aggiunge anche attriti che deteriorano il rendimento del motore soprattutto ad elevati giri motore.

Un altro metodo per migliorare il problema della mancanza d’aria nei motori durante accelerazione è conseguito mediante l’uso di compressori elettrici. Jali compressori sono generalmente compressori di tipo centrifugo accoppiati ad un motore elettrico che accelera la turbina del compressore indipendentemente dallo stato dei gas di scarico. Tali motori elettrici sono controllati elettronicamente e necessitano correnti di spunto elevatissime. In altre parole i compressori elettrici possiedono la caratteristica di provvedere aria compressa quasi istantaneamente ma al prezzo di energia elettrica che deve essere comunque fornita dal motore stesso. Da una parte quindi si provvede aria a sufficienza, dall’altra bisogna fornire un numero di kilowatts elettrici minimi al motore elettrico e il margine del bilancio sul risparmio energetico complessivo é minimo.

Lo scopo principale dell’invenzione proposta é quello di convertire l’energia dei motori a combustione interna normalmente persa in calore e utilizzarla per diversi scopi. Infatti, secondo le applicazioni, questo dispositivo converte calore in energia meccanica che può essere utilizzata per produrre elettricità, pressione, o lavoro utile all’albero motore.

RIASSUNTO DELL’INVENZIONE

Un obiettivo della presente invenzione é quello di procurare un dispositivo antinquinamento e allo stesso tempo accrescere la potenza erogata dal motore senza penalizzare i consumi di carburante. Questa invenzione consiste in un motore a vapore accoppiato al motore a combustione interna. Il vapore è generato per mezzo dell’iniezione di acqua (o un qualsiasi altro fluido con caratteristiche termodinamiche appropriate per questo ciclo) a bassa pressione all’interno di uno scambiatore di calore che trasferisce il calore contenuto nell’acqua di raffreddamento del motore e dai gas di scarico. In generale, per un motore di 50-60 HP (dove lkW = 1.341 HP), circa 20-24 kW sono normalmente persi in calore scaricandolo nell’ambiente. Tale calore è dissipato attraverso l’espulsione dei gas di scarico e attraverso l’acqua di raffreddamento via convezione forzata con l’aria nel radiatore. L’energia minima richiesta per comprimere aria, e provvedere un minimo flusso o massa d’aria per secondo all’interno del condotto di aspirazione di un motore di medio-piccola cilindrata, é intorno a 0.8-1 kW, e circa 3kW per motori diesel di grossa cilindrata (>6000 cc). Normalmente, il rendimento dei compressori di tipo centrifugo non supera il 60-70% conseguentemente l’energia totale media richiesta all’asse del compressore é di circa 3.2kW. Perciò un dispositivo che utilizzasse 20kW di calore per convertirli in 3.2kW per comprimere aria deve avere almeno un rendimento del 16% per poter funzionare. Un rendimento così basso normalmente non viene considerato, ma in questo caso essendo l’energia di partenza in forma di calore totalmente persa, anche un dispositivo con un rendimento molto basso può fornire vantaggi notevolissimi. Il ciclo termodinamico del motore a vapore é un ciclo base in cui acqua (o altri fluidi) relativamente calda, proveniente dal motore o da uno scambiatore di calore posto all’uscita della pompa dell’acqua, viene compressa ed iniettata in uno scambiatore di calore formato da una marmitta speciale che trasferisce il calore dei gas di scarico all’acqua iniettata senza contatto fisico tra i gas di scarico e l’acqua. La pressione di iniezione dell’acqua e la quantità d’acqua iniettata può essere variata a seconda della disponibilità di calore (proporzionale alla cilindrata) e alla quantità di energia che si vuole recuperare. Una volta iniettata all’interno dello scambiatore di calore l’acqua (o il fluido in considerazione) vaporizza e aumenta il contenuto energetico diventando vapore super-riscaldato con un contenuto energetico sufficiente per pilotare una o più turbine a vapore di bassa potenza. Se il motore é di grossa cilindrata la produzione di calore è maggiore dell’energia necessaria solamente a pilotare un turbocompressore centrifugo. In questo caso il vapore super-riscaldato in eccesso può pilotare una seconda turbina di potenza ausiliaria. É possibile quindi utilizzare almeno due turbine a vapore, una per il mantenimento della velocità ottimale di un compressore o turbocompressore centrifugo, e l’altra utilizzante l’energia in eccesso per altri scopi come ad esempio produrre cavalli vapore da aggiungere, mediante una frizione speciale, a quelli erogati dal motore. Il vapore quindi espande nella turbina o turbine ed entra in un condensatore che può essere formato da un radiatore scambiatore di calore. Qui il vapore umido condensa facendo crollare la pressione al valore di saturazione per la data temperatura di condensazione (per esempio P= 0.09 bar quando T=45°C). A questo punto il condensato entra nuovamente in circolo per un nuovo ciclo via pressurizzazione nella pompa. Da un calcolo termodinamico di massima é possibile dedurre che se la temperatura massima raggiunta dal vapore super-riscaldato (mentre transita nello scambiatore di calore della marmitta) é di circa 450°, il rendimento complessivo del ciclo a vapore é di circa 21%. É quindi possibile utilizzare tale sistema per generare circa 3.4 KW da poter utilizzare per comprimere Taria. Il rendimento di questo sistema migliora con Paumentare della temperatura ricavabile dai gas di scarico. Per esempio, se il vapore venisse surriscaldato ad una temperatura di 600°, il rendimento raggiungerebbe il 29%. Il tutto dipende dalla lunghezza dello scambiatore di calore e dall’isolamento termico con l’ambiente esterno tenendo presente che i gas di scarico possono raggiungere temperature molto più elevate (conseguentemente é possibile trasferire più energia al vapore ed ottenere un miglior rendimento).

Riassumendo, questa invenzione permette di catturare una parte dell’energia dispersa sotto forma di calore utilizzandola per eliminare il turbo-lag caratteristico dei turbocompressori commerciali, riducendo quindi l’inquinamento e migliorando le caratteristiche di risposta del motore. Nel caso di motori di grossa cilindrata, una parte dell’energia recuperata dal calore disperso può essere utilizzata per generare potenza in aggiunta alla potenza erogata normalmente dal motore.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Fig. 1, é una rappresentazione di un turbocompressore centrifugo base nel quale viene inserita una turbina a vapore nel corpo centrale formante l’espansore a vapore.

Fig. 2, é una vista in sezione rappresentante il corpo meccanico dell’espansore a vapore che si può assemblare all’ interno di turbocompressori convenzionali, contenente quindi la turbina a vapore, mezzi per la regolazione ottimale della velocità, e cuscinetti con un sistema di lubrificazione autonomo.

Fig. 3, é una vista in sezione rappresentante il corpo centrale dell’espansore a vapore utilizzante un’alettatura interna per la condensazione improvvisa del vapore ed un conseguente aumento del rendimento complessivo del compressore o turbocompressore al quale l’espansore viene accoppiato.

Fig. 3A, é una vista in sezione rappresentante il corpo centrale dell’espansore con controllo degli ugelli del vapore comandato da motorini elettrici o servo meccanismi idraulici.

Fig. 4, mostra una serie di diagrammi rappresentanti il sistema idraulico di lubrificazione utilizzante un effetto pompa causato dalla rotazione dell’albero senza richiedere l’ausilio di pompe lubrificanti esterne.

Fig. 4A, é una vista in sezione dell’espansore a vapore con getti degli ugelli orientati in modo da bilanciare l’effetto delle forze che danneggiano il cuscinetto reggispinta.

Fig. 4B, é una vista in sezione dell’espansore accoppiato al compressore speciale a turbina rovesciata ed equipaggiato di una massa bilanciante che contrasta l’efFetto delle forze che danneggiano il cuscinetto reggispinta e anche i cuscinetti dell’albero dell’espansore.

Fig. 5, é una vista in sezione di un’unità meccanica per l’espansione del vapore contenente una turbina speciale a stadio singolo ma con pale su circonferenze diverse. Tale espansore é meccanicamente collegato al gruppo compressore centrifugo e alla turbina dei gas di scarico, e mostra un sistema per il recupero del calore normalmente perso dall’involucro metallico contenente la turbina dei gas di scarico.

Fig. 6, é una vista in sezione simile alla Fig. 5 con la differenza che il vapore può circolare all’ intemo di uno scambiatore di calore formato tra l’ihvolucro contenente la turbina dei gas di scarico ed un involucro termicamente isolante l’ambiente esterno in maniera indipendente dal vapore circolante all’interno dell’espansore.

Fig. 7, rappresenta in dettaglio la forma delle pale situate su una turbina speciale ad alto rendimento, leggera e compatta, in grado di fornire la stessa coppia fornita da tre turbine specializzate per operare con vapore a pressioni differenti.

Fig. 8, é la vista in sezione di un compressore centrifugo speciale accoppiato con l’espansore a vapore e caratterizzato da una turbina del compressore rovesciata con diffusore conico per il recupero di energia cinetica e un rendimento di compressione deH’aria più elevato. In questa figura sono inoltre mostrate delle valvole di by-pass per l’aria di ingresso.

Fig. 9, mostra un compressore centrifugo accoppiato all’espansore a vapore utilizzante un involucro completamente simmetrico e di facile costruzione.

Fig. 10, é una vista in sezione rappresentante una turbina a vapore accoppiata ad un sistema di riduzione della velocità che si collega all’albero motore per mezzo di una frizione di tipo centrifugo o idraulico, controllata elettronicamente ed utilizzata per il trasferimento dell’energia in eccesso contenuta nel vapore.

Fig. 11, mostra l’applicazione di un compressore alimentato a vapore montato direttamente sul corpo del filtro dell’aria per la pressurizzazione dell’aria di ingresso senza modificare il turbocompressore già esistente.

Fig. 12, mostra l’applicazione di un compressore alimentato a vapore con espansore a vapore connesso al sistema dell’aspirazione deM’aria per mezzo di un acceleratore di flusso a jet. Anche in questa applicazione si può installare il compressore-espansore a vapore completo senza modificare il turbocompressore già esistente.

Fig. 13, mostra un’applicazione ottimizzata di un compressore-espansore a vapore in un circuito di aspirazione esistente. In particolare il sistema di acceleratore del flusso d’aria a jet é configurato per il massimo rendimento, e la presa d’aria del compressore alimentato a vapore é indipendente.

Fig. 14, mostra una serie di configurazioni dell’espansore a vapore assemblato in modi differenti per l’utilizzo di componenti commerciali, con turbine a stadio singolo o multi-stadio, o con turbine con pale montate su circonferenze differenti, e varie configurazioni di compressori a turbina dell’aria rovesciata per una completa simmetria e facile costruzione.

Fig. 15, rappresenta il circuito idraulico dei vari scambiatori di calore che recuperano calore dai gas di scarico nella marmitta, nella turbina dei gas di scarico, e nei collettori di scarico. In questa figura l’involucro termicamente isolato e di rivestimento per la turbina dei gas di scarico contiene uno scambiatore di calore nel quale il vapore entra direttamente all’interno del corpo espansore mostrato in dettaglio in Fig. 5.

Fig. ISA, rappresenta un sistema di alesature che formano un involucro di rivestimento dello scambiatore di calore posto sui collettori dei gas di scarico, in grado di ricircolare aria di raffreddamento ai collettori in caso di anomalia nel motore a vapore.

Fig. 16, rappresenta un circuito idraulico simile a quello mostrato in Fig. 15. In questa figura il collegamento dei vari scambiatori di calore é eseguito in modo da generare un surriscaldamento ulteriore del vapore per aumentare il rendimento complessivo del ciclo a vapore.

Fig. 17, é un diagramma rappresentante il ciclo termodinamico compiuto dell’acqua, o qualsiasi altro fluido con le caratteristiche termodinamiche appropriate, dal condensatore a tutto il sistema idraulico e di nuovo al condensatore.

Fig. 17A, é un diagramma rappresentante il ciclo termodinamico compiuto dal fluido come descritto in Fig. 17, con l’aggiunta di un serbatoio accumulatore del vapore in eccesso dagli scambiatori di calore e utilizzato per pulsare l’espansore a vapore.

Fig. 18, rappresenta una vista in sezione di uno scambiatore di calore di facile costruzione provvisto di alettature interne per un maggior trasferimento di calore, isolato termicamente da materiali appositi oppure da un’intercapedine nel quale si crea il vuoto.

DESCRIZIONE DEI PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO

I principi di funzionamento del motore a vapore accoppiato al motore a combustione interna proposto nella presente invenzione sono descrìtti con riferimento alle Figure 1-18.

In Fig. 1, vengono descritti i componenti essenziali costituenti un turbocompressore modificato mediante l’integrazione di un gruppo espansore a vapore indicato dal numero 1 e incluso all’interno del blocco tratteggiato. L’espansore a vapore 1 é costituito essenzialmente da una turbina a vapore 6, progettata per generare la massima coppia al numero di giri necessari per l’ottenimento del massimo rapporto di compressione mediante la turbina del compressore 2a contenuta all’interno del gruppo diffusore/raccoglitore dell’aria compressa 2. La turbina 6 dell’espansore a vapore 1 é coassiale con la turbina dei gas di scarico 3b e la turbina del compressore 2a, tutte le turbine sono meccanicamente fissate all’albero 12 isolato in vari punti, non mostrati in questa Figura, da guarnizioni opportune di tipo “o-ring” 93 o similari. Nel blocco costituente l’espansore a vapore 1 si possono trovare il cuscinetto reggispinta 4, e cuscinetti lubrificati ad olio 5 di tipo convenzionale a bronzina, oppure di tipo speciale come spiegato in Fig. 4. Inoltre, per separare termicamente l’espansore a vapore 1 in contatto termico con il gruppo turbina dei gas di scarico 3, e relativa turbina dei gas di scarico 3b, dal gruppo per la compressione dell’aria 2, una guarnizione 18 a bassa conducibilità termica é inserita tra il compressore 2 e l’unità 1. Tale separazione termica é necessaria per preservare calore nell’espansore 1 e per non riscaldare l’aria compressa nel diffusore 2.

In Fig. 2 l’espansore 1 viene rappresentato in maggior dettaglio. Il vapore generato negli scambiatori di calore descritti successivamente in Fig. 5, 6, 15, 16, e 18 entra dai condotti 9 che possono essere localizzati in maniera simmetrica rispetto all’albero 12 in Fig. 1, oppure possono essere localizzati in qualsiasi punto dell’espansore 1. Il vapore, con un determinato contenuto energetico, quindi viene immesso nei condotti 9 per entrare negli ugelli 17. Gli ugelli 17 possono essere dei semplici ugelli convergenti progettati per ottenere una certa velocità e pressione alla loro uscita, oppure possono essere dotati di un meccanismo 15, 14, e 13 che regola le caratteristiche di pressione e velocità del vapore prima di espandere attraverso le pale 6a della turbina 6. Il meccanismo di regolazione 14 consiste di una vite di registro 15 che cambia la strozzatura dell’ugello 17 attraverso un ago 13. In questo modo é possibile “personalizzare” l’espansore a vapore per operare ad una velocità ottimizzata ed in funzione della portata di vapore disponibile ai condotti 9. Il posizionamento degli ugelli 17 all’interno della struttura 1 é tale da generare una forza di reazione che controbilancia le forza di spinta che agiscono sull’albero 12. Tale forza di reazione si manifesta come conseguenza della velocità e massa del vapore uscente dagli ugelli 17 mentre espande nel passaggio tra le pale 6a. Una volta espanso il vapore può uscire dall’unità 1 attraverso i condotti di scarico 10 che sono poi collegati ad un condensatore 86 come mostrato in Fig. 17 e 17A. La lubrificazione dei cuscinetti 5 può avvenire attraverso un serbatoio per l’olio 16, i condotti interni 16a e 16b, ed un serbatoio di raccolta dell’olio 16c. I metodi per la lubrificazione possono essere di tipo convenzionale con circolazione forzata dell’olio via pompa esterna, oppure attraverso un metodo innovativo mostrato in Fig. 4. É possibile inoltre costruire l’espansore 1 in modo che i gruppi cuscinetti 5 e i circuiti idraulici per l’olio di lubrificazione 16a e 16b non siano integrati all’interno dell’espansore stesso (per esempio i cuscinetti potrebbero essere collocati sul gruppo 2 e 3 di Fig. 1). Per minimizzare le perdite di vapore attraverso la turbina 6 e la parte fissa dell’unità 1 é possibile utilizzare guarnizioni di qualsiasi tipo, siliconico, a carbone etc. come indicato dal numero 93. Per minimizzare trasferimenti di calore dall’espansore I al compressore, una guarnizione 18 viene interposta tra i vari componenti meccanici come indicato in Fig.2. Tale guarnizione deve avere una conducibilità termica ridotta per isolare termicamente l’espansore 1.

In Fig. 3 invece si vuole favorire il trasferimento del calore dal vapore espanso all’uscita della turbina 6 in una camera di espansione costituita da un percorso di raffreddamento formato dai componenti 19 e 20. In questo modo l’aria compressa nel compressore, che può essere di tipo 2 in Fig. 1, oppure di tipo 30 in Fig. 8, mantiene le superflci dello scambiatore di calore 19 ad una temperatura relativamente bassa rispetto alla temperatura del vapore. Così la condensazione del vapore avviene immediatamente all’uscita dalle pale 6a della turbina 6 aumentando il rendimento dell’espansore. Infatti, quando il vapore condensa così rapidamente provoca un abbassamento locale della pressione (pressione di saturazione alla data temperatura). In questo modo il gradiente di pressione tra il vapore d’ingresso alla turbina e il vapore espanso all’uscita aumenta provocando un maggior rendimento. La scelta tra un espansore di tipo le di Fig. 3 oppure un’espansore di tipo 1 di Fig. 2 si basa su un compromesso tra capacità di compressione (portata del flusso d’aria), e rendimenti dei vari componenti. In Fig. 3, il vapore entra dai condotti 9, anche qui mostrati in una configurazione simmetrica non limitativa poiché l’immissione del vapore all’interno degli ugelli 17 può avvenire in qualsiasi modo. Per esempio attraverso un singolo condotto di ingresso tipo 9 ed una camera di raccolta del vapore ricavata all’interno del corpo 1. Il vapore quindi espande attraverso le pale 6a della turbina 6 e si trova forzato in un condotto raffreddante formato dalle alette 20a e 20. Le alette 20a hanno lo scopo di aumentare la superfìcie per il trasferimento di calore. Quando il vapore condensa provoca un crollo immediato della pressione poiché il volume specifico cambia improvvisamente riducendosi di un fattore maggiore di 1000. Il crollo della pressione di scarico é equivalente ad un aumento della pressione di ingresso, migliorando quindi il rendimento e le caratteristiche dell’espansore. In generale, la massa di vapore che condensa é estremamente ridotta rispetto alla massa d’aria compressa immessa nei condotti di aspirazione. Quindi il raffreddamento della massa di vapore scaricato dalle pale 6a implica un riscaldamento delle superfìci 20a, che a loro volta trasferiscono calore all’aria compressa. Essendo però la massa d’aria in circolazione nel compressore molto elevata, l’incremento di temperatura dell’aria é minimo causando una perdita di rendimento del compressore minima rispetto all’aumento di rendimento dell’espansore (che quindi produrrà una coppia maggiore e “spingerà” più energicamente la turbina del compressore, compensando per il calo di rendimento dello stesso).

In Fig. 3A sono rappresentati i corpi espansori descritti in dettaglio nelle Figure 2 e 3. In questa Figura, il controllo della velocità di uscita del vapore dagli ugelli 17 viene effettuato in maniera automatica in tempo reale mediante il sistema di controllo elettronico 92 di Fig. 17. Infatti, gli aghi 13 (Fig. 3A) sono continuamente regolati durante il funzionamento della turbina a vapore mediante i servomeccanismi formati dai motori elettrici 112. I motori elettrici 112 non sono limitativi in quanto é possibile utilizzare servomeccanismi 112 con movimento regolato da mezzi idraulici (per esempio aria compressa di servizio). Il principio di funzionamento della regolazione si basa su un controllo della velocità della turbina 6 mediante un sensore di movimento 115 (per esempio magnetico ad effetto hall), che invia un segnale elettrico proporzionale alla velocità di rotazione della turbina 6 al sistema di controllo elettronico 92 di Fig. 17. Il sistema di controllo elettronico 92 controlla la situazione termodinamica complessiva dell’intero circuito a vapore e regola conseguentemente la posizione degli aghi 13 formanti gli ugelli convergenti 17 di Fig. 3 A attraverso l’attivazione dei servomeccanismi 112 (a motori elettrici o idraulici) via collegamento elettrico (o elettromeccanico, o pneumatico) 113. In questo modo, la turbina 6 opera sempre in condizioni ottimali anche con severe variazioni dello stato termodinamico del vapore agli ingressi 9.

La Fig. 4 mostra uno schema del circuito idraulico di lubrificazione dell’albero 12 al quale sono connesse per esempio le turbine 2a, 6, e 3b. Il circuito di lubrificazione può essere simile a quello utilizzato correntemente nei turbocompressori. Il problema più grande dei sistemi di lubrificazione forzata normalmente utilizzati nei turbocompressori tradizionali risiede nell’inerzia all’accelerazione (turbo-lag) ma anche nell’inerzia al rallentamento del gruppo turbine. Infatti, quando il motore viene spento, la pompa per la lubrificazione dell’albero del turbocompressore cessa la propria funzione di forzare il liquido raffreddante e lubrificante. Se il motore viene spento dopo aver accelerato, il gruppo turbine si trova a diverse migliaia di giri al minuto quando l’olio di lubrificazione viene a mancare. Così, a lungo andare, i rivestimenti di interfaccia tra cuscinetti e albero 12 si rovinano deteriorando sempre più le prestazioni del turbocompressore. In Fig. 4 si propone una soluzione a questo problema. I cuscinetti 5, rappresentati all’interno degli espansori a vapore, possono essere formati da bronzine tradizionali nelle quali però l’olio viene forzato dall’azione rotante dell’albero 12. L’olio 24, che può essere depositato in un serbatoio 16, fluisce all’interno dei condotti 16a e 16b e viene accelerato da una canalatura simmetrica 22, opportunamente sagomata, nella quale l’olio acquista energia cinetica che viene successivamente convertita in energia potenziale. Per esempio l’olio 24, Fig. 4 in alto a destra, entra nel condotto di lubrificazione 16a e fluisce all’interno del canale 22 posto sull’albero 12. Il canale 22 é sagomato in modo da accelerare il fluido che scorre al suo interno per poi uscire con maggiore velocità o pressione dal condotto 16b. Il canale 22 può essere visto come una pala rovesciata poiché si trova all’interno dell’albero 12. L’albero 12 ruota ad un numero di giri al minuto elevatissimo, di conseguenza anche una leggera inclinazione del canale 22 é sufficiente ad impartire energia cinetica al fluido lubrificante. In questo modo l’olio 24 nel serbatoio 16 viene risucchiato nei condotti(o) 16a, e spinto di ritorno nei condotti(o) 16b. In altre parole la lubrificazione forzata avviene per effetto della rotazione dell’albero 12 che in questo modo si lubrifica e raffredda quanto più aumenta la velocità di rotazione. Se l’albero 12b é cavo, Fig. 4 in basso, é possibile inoltre trasferire olio dal condotto 16a all’interno delle bronzine 5 via il condotto 22, attraverso il foro 23a, all’interno dell’albero 12b nella cavità 23, poi fuori dal foro 23b, nuovamente attraverso un altro condotto 22, e infine pompato di ritorno al serbatoio di raccolta attraverso i condotti 16b. In questo modo, anche quando il motore viene spento la lubrificazione dell’albero 12b potrà continuare efficacemente fino a quando il gruppo turbine e albero 12 o 12b si arresta. Il numero di canalature 22 é variabile e due canalature simmetriche per motivi di bilanciamento possono essere sufficienti. In generale, per mantenere la massa dell’albero bilanciata si devono inserire microcanlature 22 in numero pari o anche dispari purché si mantenga una simmetria nella massa dell’albero 12 o 12b.

In Fig. 4A, si mette in evidenza l’azione delle forze di controreazione sviluppate dal moto delle turbine, e si propone una soluzione al problema dell’usura del cuscinetto reggispinta. Il cuscinetto reggispinta 4, che può essere collocato in qualsiasi parte dell’albero 12, ha la funzione di controbilanciare la sommatoria delle forze perpendicolari al verso di rotazione dell’albero 12. Tali forze si sviluppano conseguentemente alla spinta dei fluidi (generalmente aria da un lato e gas dall’altro). Quando si integra l’espansore, per esempio di tipo 1 di Fig. 1, all’intemo del turbocompressore, é possibile progettare i getti degli ugelli del vapore in modo che controbilancino l’effetto delle forze che spingono e rovinano il cuscinetto reggispinta 4. Tali forze infatti sono responsabili per gran parte degli attriti di rotazione dell’albero 12. La soluzione proposta in Fig. 4A consiste nel posizionare i getti degli ugelli 17 in modo da formare una forza netta 118 denominata FT. vapore (forza della turbina a vapore) che si oppone alle forze 116 e 117 generate dalle turbine 2a e 3b che possono essere di tipo convenzionale. Se si assegna un senso positivo alle forze che vanno da sinistra verso destra la FT.Vapore é positiva, mentre le forze FTAria e FT gas sono negative (la notazione vettoriale non é necessaria in quanto sono forze che agiscono sullo stesso asse). Dimensionando opportunamente il diametro, il numero di pale della turbina 6, e la massa di vapore totale erogata per secondo, i getti degli ugelli 17 possono essere direzionati per generare una forza equivalente e contraria a quella generata dall’azione delle turbine del compressore 2a e quella dei gas di scarico 3b (la direzione delle forze rappresentate in Fig. 4A é indicativa). Se il compressore opera a giri costanti come per esempio nelle applicazioni di Fig. 11, 12, e 13, é possibile regolare la forza risultante dall’azione del vapore uscente dagli ugelli 17 in modo da azzerare il carico sul cuscinetto di spinta. In questo modo usura e attriti vengono minimizzati.

Similarmente, in Fig. 4B viene mostrata la vista in sezione dell’espansore a vapore accoppiato al compressore a turbina rovesciata 2a (rappresentato in maggior dettaglio in Fig. 8 e 9), ed equipaggiato con un sistema di bilanciamento della massa rotante complessiva. Anche in questo caso il dimensionamento appropriato della turbina a vapore 6 e la disposizione particolare dei getti uscenti dagli ugelli 17 può ridurre al minimo l’effetto delle forze normalmente bilanciate dal cuscinetto reggispinta 4. In questo caso la turbina del compressore deH’aria 2a é rovesciata di 180° rispetto alla posizione delle turbine dei compressori convenzionali. Per questo motivo, la risultante assiale delle forze di reazione dell’aria compressa 116 spinge l’albero 12 dal basso verso l’alto. Questo compressore é progettato per funzionare generalmente ad un numero di giri costante poiché può essere collegato direttamente sul contenitore del filtro dell'aria 58 mostrato in Fig. 11 e pressurizza l’aria di ingresso al filtro 59 indipendentemente dai giri motore o dal numero di giri del turbocompressore convenzionale. Se si posiziona il corpo compressore 30 verticalmente, é possibile collocare gli ugelli 17 in modo che la somma delle forze costituite dal peso dell’albero 12 (per la forza di gravità), il peso della massa bilanciante 120 e 121 (per la forza di gravità) causante la forza 119, e la forza risultante dall’azione del vapore uscente dagli ugelli 17 sia esattamente uguale e contraria alla forza 116 generata dalla turbina del compressore dell’aria che ruota ad un determinato numero di giri al minuto. Similarmente é possibile invertire la posizione degli ugelli 17 in modo che la risultante delle forze generate dall’azione del vapore si sommi alla forza 116. Con questa tecnica gli attriti del cuscinetto reggispinta 4 vengono minimizzati aumentando il rendimento del compressore. La massa bilanciante formata dalle due masse 120 e 121 ha lo scopo di fornire un meccanismo per una facile bilanciatura del gruppo albero 12, turbina 6 e 2a. La massa 121 può essere spostata all’interno della massa 120 per mezzo delle viti 122, e bloccata dalla vite 119. In questo modo é possibile bilanciare l’intero albero una volta assemblati tutti i componenti dell’espansore e del compressore. La massa raffigurata in Fig. 4B non é in scala con il resto del disegno.

Un espansore a vapore la integrato all’interno di un turbocompressore é mostrato In Fig. 5. In questo caso, l’espansore la é formato da una turbina speciale 7, dotata di una serie di pale 7a, 7b, e 7c, montate sulla stessa ruota ma aventi circonferenze e forma differenti. Il vapore entra nell’espansore dall’ingresso o ingressi 9d situati sul corpo metallico dell’involucro contenente i componenti del diffusore 3a della turbina dei gas di scarico 3b. Il vapore quindi proveniente dagli scambiatori di calori descrìtti nelle Figure 15, 16, 17, e 18 entra dal condotto 9d e si surriscalda ulteriormente via convezione con le superfici calde del diffusore 3a. Infatti, i gas di scarico si espandono all’interno del componente 3a trasferendo calore al metallo di questo componente. La camera di calore costituita dal componente 3a e le pareti 25 costituisce uno scambiatore di calore dai gas di scarico al vapore. Per minimizzare le perdite di calore con l’ambiente esterno, un rivestimento isolante 25a ricopre l’intero scambiatore di calore. É possibile minimizzare ulteriormente le perdite di calore se si crea una camera con vuoto spinto tra il contenitore 25 e l’involucro 25a mediante evacuazione dell’aria attraverso la valvola 124. Il vapore quindi entra nell’unità di espansione la attraverso il condotto 9a per passare all’interno di un primo ugello convergente 17 (il disegno é simmetrico). La sezione di uscita dell'ugello 17 è progettata in modo da convertire la pressione del vapore in velocità per trasferire la massima energia cinetica alla pala /e 7a. Normalmente, il vapore all’uscita dalle pale 7a entrerebbe in un nuovo stadio di turbine con pale inclinate in modo differente per compensare alla perdita di energia del vapore avvenuta nel primo stadio. In questo caso invece una nuova serie di pale 7b si trova sulla stessa ruota ma con una circonferenza differente. Cosi il vapore, che ha perso una parte della sua energia, esce dal sistema di pale 7a ed entra in un ugello che inverte il flusso di 180° per ripresentarlo alla turbina formata dalle pale 7b. Un nuovo ugello convergente con sezione di uscita appropriata converte nuovamente la pressione del vapore in velocità e trasferisce energia cinetica alle pale 7b. Di nuovo, il vapore di scarico dalle pale 7b, entra in un nuovo ugello convergente ed invertente a 180° che converte la pressione rimasta al vapore in velocità per trasferire energia cinetica alla serie di pale 7c collocate nella periferia della ruota della turbina 7. Infine, il vapore di scarico viene rimosso dall’espansore attraverso i condotti 10. La tecnica di girare il flusso del vapore sulla stessa girante consente di sviluppare una coppia altrimenti possibile solo con 3 turbine separate. In questo modo una turbina é molto più leggera di 3 o più turbine implicando minori problemi di bilanciatura e maggiore compattezza. Lo stesso principio può essere applicato un numero di volte proporzionale alla circonferenza totale e alla coppia da sviluppare. Il sistema di lubrificazione dell’espansore la può essere di tipo convenzionale con olio o lubrificante pompato dall’esterno, oppure con cuscinetti di tipo 5 descritti in Fig. 4. Se si utilizza il sistema di lubrificazione descrìtto in Fig. 4, é possibile inoltre raffreddare l’olio per mezzo di un serbatoio 16c (o serbatoi) montato/i sulla circonferenza del diffusore del compressore dell’aria. Infatti, la temperatura massima raggiunta dal compressore dell’aria é al massimo 1.5-2.5 volte la temperatura dell’aria all’ingresso (generalmente sotto i 40°), e quindi può provvedere un adeguato raffreddamento per l’olio di lubrificazione. Per minimizzare le perdite di calore per conduzione termica tra l’espansore a vapore e l’unità del compressore ad aria si utilizza una guarnizione 18, siliconica o di qualsiasi materiale con una bassa conducibilità termica.

Fig. 6 rappresenta un espansore a vapore integrato all’interno di un turbocompressore con caratteristiche simili a quelle dell’espansore descritto in Fig. 5. In questo caso, lo scambiatore di calore costituito dalle pareti 3a e 26e, consente l’ingresso e uscita del vapore in modo indipendente dagli ingressi del vapore 9e nell’espansore. Questa configurazione consente di utilizzare lo scambiatore di calore (isolato termicamente dall’esterno mediante il rivestimento isolante 25b o intercapedine sotto vuoto spinto) per surriscaldare il vapore che però può essere convogliato in un altro scambiatore di calore per un ulteriore trasferimento di energia. Anche in questo caso é possibile minimizzare ulteriormente le perdite di calore con l’ambiente esterno se si forma una camera in contatto con il corpo 26e evacuata dell’aria per mezzo della valvola 124.

Alcuni dettagli della turbina speciale 7 vengono illustrati in Fig. 7. Per poter conservare la direzione del moto 27, l’inclinazione delle pale 7a, 7b, e 7c, cambia da circonferenza a circonferenza. Il vapore viene immesso nel condoto 9 e quindi entra nell’ugello 17 ed espande nella serie di pale 7a sagomate in modo da convertire l’alta pressione del vapore in energia cinetica (la sagomatura rappresentata nei disegni é solo indicativa). Il vapore di scarico dalla prima serie di pale entra in un nuovo ugello 17a, inclinato e progettato per convertire una pressione media del vapore in energia cinetica, espandendo così attraverso le pale 7b. Queste pale sono inclinate in maniera opposta rispetto all’inclinazione delle pale 7a e 7c per conservare la stessa direzione di moto 27. Infine, il vapore di scarico dalle pale 7b entra in un nuovo ugello 17b, progettato per convertire basse pressioni in energia cinetica, espandendo quindi il vapore attraverso le pale 7c. A questo punto il vapore non contiene sufficiente energia e viene scaricato nel condensatore 86 di Fig. 17 o 17A, attraverso il condotto/i 10. La serie di pale 7c, 7b, e 7a é connessa alla ruota centrale della turbina 7 attraverso le sezioni 26 e 26a. Il numero di sezioni tipo 26 e 26a può variare a seconda delle dimensioni, della massa di vapore, e della coppia richiesta.

Un compressore centrifugo innovativo completamente simmetrico e di facile costruzione é mostrato in Fig. 8. In questo caso l’unità dell’espansore a vapore la (similarmente l’unità dell’espansore può essere di tipo 1 in Fig. 1) é meccanicamente accoppiata ad un compressore centrifugo composto da un diffusore speciale 30 contenente una turbina 2a montata in maniera rovesciata di 180° sull’albero 12 (rispetto alle configurazioni adotate nei compressori tradizionali) per consentire una completa simmetria di fabbricazione e un maggior rendimento del rapporto di compressione. In questo compressore l’aria entra dal condoto 40 e viene aspirata all’intemo del compressore passando per un diffusore assiale 29. L’aria entra nel corpo turbina 2a e acquisisce energia cinetica. L’aria esce con velocità massima dalla girante 2a e entra in un diffusore sagomato come mostrato in figura nel punto indicato dal numero 95. Questo diffusore é simmetrico e divergente lungo tutta la circonferenza del corpo 30. La prima trasformazione dell’energia cinetica dell’aria in pressione avviene quindi in questo punto (95). Un ulteriore recupero dell’energia cinetica rimanente viene effetuato dalle alette o pale fisse 31, spaziate regolarmente su un cono fisso 33, e sagomate in modo da raddrizzare i moti vorticosi del fluido (aria).

Un’altra conversione dell’energia cinetica in pressione avviene quindi grazie alle pale fisse 31. Allo stesso tempo, se si osserva la vista in sezione del diffusore dell’aria formato tra il cono 33 e il corpo del compressore 30 é possibile osservare un effetto ugello divergente tra le distanze di e d2 indicate dal numero 32. In questo modo un’altra componente della velocità dell’aria viene convertita in pressione. Il corpo del compressore 30 é meccanicamente fissato all’espansore a vapore la attraverso la flangia di accoppiamento 28. Il cono 33 e le alette 31 sono statiche e solidali con il corpo 30. Il corpo del compressore é quindi formato da due coni concentrici con altezza e diametro differenti, oppure da un cono concentrico ed interno ad un cilindro che svolge la stessa funzione del corpo 30 é può essere ancor più semplice da fabbricare. A seconda del tipo di applicazione, questo compressore può essere rivestito da un involucro semi sferico 39 circondante il compressore che ha una forma cilindrica in modo da fornire un ingresso dell’aria attraverso il collettore/connettore 40. In questo modo é possibile collegare il connettore 40 ad un condotto che forzi il passaggio delFaria da comprimere attraverso un filtro dell’aria. Questa configurazione é necessaria se l’aria compressa viene immessa direttamente nel condotto di aspirazione del motore. Questo compressore può essere progettato in modo da provvedere un minimo flusso d’aria compressa ad un numero di giri motore medio/bassi. Quando il motore richiede una massa d’aria maggiore (ad elevato numero di giri), la pressione alla fine dei cono 33 può raggiungere valori inferiori a quella atmosferica attivando l’apertura automatica di valvole per by-pass dell’aria 38. Queste valvole sono costituite da una membrana di gomma 35 di spessore e tensione di torsione appropriata. É sufficiente una valvola con sezione del passaggio d’aria proporzionato alla massa d’aria che deve fluire al suo interno e montata sul corpo 30, oppure più valvole di sezione minore distribuite lungo la circonferenza del corpo del compressore 30. L’espansore a vapore accoppiato a questo compressore simmetrico ad elevato rendimento di compressione può essere di tipo la, 1, Ib come descritto in dettaglio in Fig. 14.

Un compressore centrifugo accoppiato ad un espansore a vapore simile a quello di Fig. 8 é mostrato in Fig. 9. In questa Figura si può vedere che la struttura del compressore é completamente simmetrica e l’ingresso dell’aria avviene in modo radiale da tutte le direzioni verso il diffusore 29 e la turbina 2a. In questa configurazione é possibile se necessario inserire un filtro dell’aria cilindrico posizionandolo tra il corpo 30 e la flangia 28a. E inoltre possibile collocare delle pale statiche nel condotto di aspirazione 96 in modo da dirigere il flusso verso le pale della turbina 2a per ottimizzare ulteriormente il rendimento. Questo compressore può aspirare aria anche senza un filtro e quindi pressurizzare l’intero contenitore del filtro dell’aria come mostrato in Fig. 11. La turbina rovesciata 2a del compressore 7 e 8 può essere composta da materiali plastici o compositi oltre che metalli. Infatti in questo compressore la massima temperatura d’esercizio della turbina 2a é la temperatura dell’aria compressa che generalmente non supera i 50-75°. É quindi possibile ridurre drasticamente la massa rotante del gruppo albero turbina/e a vapore impiegando una turbina leggerissima in materiali plastici o compositi.

Nel caso dell’impiego di questa invenzione su motori di grossa cilindrata, la quantità di calore generata, e recuperata dal motore, é molto maggiore di quella necessaria a pilotare solamente un turbocompressore. L’energia in eccesso può quindi essere utilizzata per fornire cavalli vapore addizionali al motore oppure elettricità attraverso un alternatore. Una turbina aggiuntiva 11, collegata ad un sistema ad ingranaggi per la riduzione della velocità, viene mostrata in Fig. 10. In questo caso l’intera unità di potenza 42 si collega meccanicamente al blocco motore 43 oppure ad un alternatore elettrico per la generazione di energia elettrica indipendente da quella generata dall’alternatore trainato dal motore a combustione intema. Con riferimento alla Fig. 10, il vapore derivato dall’energia in eccesso viene condotto all’ingresso/i 9c della turbina 11. La turbina 11 é progettata per fornire una forte inerzia rotazionale ed é quindi costruita con materiali pesanti. Il vapore passa attraverso gli ugelli 17c, opportunamente sagomati per la generazione della velocità ottimale alla quale la turbina genera la massima coppia con il miglior rendimento, ed infine viene scaricato nelle camere di espansione 51. Una parte del vapore condensa in queste camere, ed una parte rimane allo stato termodinamico di vapore umido che viene totalmente condensato nel condensatore attraverso le uscite 10b. Il miglior rendimento della turbina avviene normalmente ad un numero di giri relativamente elevato e di conseguenza per accoppiare il numero di giri del motore a quelli della turbina si rende necessario un sistema di riduzione ad ingranaggi 50, 49. La turbina 11 può essere progettata per fornire potenza solo per un numero di giri motore relativamente elevato, per esempio 3000 RpM. In questo caso il sistema ad ingranaggi 50, 49 non é necessario. La turbina é meccanicamente collegata all’albero motore 44 per mezzo di una modifica da apportare ad una delle pulegge, per esempio la puleggia 45, normalmente collegata all’albero motore 44. Tale modifica consiste nel collegare una flangia di accoppiamento 46 alla flangia 47 solidale con la frizione 48. La frizione 48 può essere di vari tipi a seconda del grado di controllo che si vuole conseguire nel trasferire la potenza del vapore via turbina 11 all’albero motore 44 (o all’albero di un alternatore). La frizione 48 può essere ad olio, progettata per fornire una certa viscosità ad un determinato numero di giri, oppure centrifuga, oppure una miscela delle due, oppure una frizione elettronica nella quale un sensore elettronico 55 monitoreggia la velocità dell’albero motore 44, mentre un altro sensore 56 fornisce informazione sulla velocità della turbina 11. I segnali elettronici vengono analizzati in un semplice sistema di controllo elettronico che attiva una frizione magnetica attraverso i cavi 48. Il calettaggio dell’unità 42 completa può avvenire mediante l’utilizzo di supporti già fomiti nel telaio del motore. Anche in questo caso un rivestimento termicamente isolante 54 avvolto attorno alla struttura dello statore della turbina 11 può essere utilizzato per ridurre le perdite termiche del vapore prima di espandere.

Una delle applicazioni più semplici del compressore alimentato a vapore é rappresentata in Fig. 11. In questo caso, l’uscita dell’espansore simmetrico 30 si collega all’ingresso dell’aria 60 del contenitore filtro 58. L’ingresso 60 al contenitore del filtro dell’aria 58 é generalmente un tubo di presa d’aria atmosferica e può essere facilmente connesso all’uscita del compressore 30. L’espansore a vapore può essere del tipo la, 1, oppure 1b. In Fig. 11 si considera un’espansore di tipo la. Questa applicazione consente di pressurizzare l’intero circuito dell’aria di ingresso al motore senza alterare il turbocompressore, formato dai componenti 2 e 3, già esistente nel veicolo. L’aria viene aspirata radialmente da tutte le direzioni attraverso la griglia di protezione 57 che elimina la possibilità di inserimento di oggetti che possono danneggiare la turbina del compressore. L’aria viene quindi compressa all’interno dell’intero sistema dell’immissione aria costituito dal contenitore filtro 58, dal filtro dell’aria 59, dal condoto di ingresso 60, dai manicotti dell’aria all’uscita del filtro 61, dal raccordo 62 con il compressore convenzionale 2 che infine pressurizza l’aria ulteriormente nei collettori di aspirazione 63. In questo caso l’espansore a vapore mantiene sempre una sovrapressurizzazione del circuito delParia indipendentemente dal numero di giri della turbina dei gas di scarico racchiusa nella parte del turbo compressore indicata dal numero 3. Quando il motore accelera, l’aumento improvviso di combustibile si mescola con un eccesso di aria provocando una risposta del motore rapidissima ed eliminando l’inquinamento durante l’accelerazione. Se l’espansore a vapore é sotto dimensionato e la portata di aria compressa nel corpo del compressore 30 é insufficiente (una volta che il motore ha raggiunto un elevato numero di giri), la pressione aH’interno del condoto 60 scende sotto il valore atmosferico poiché il compressore 2 é ora in piena velocità. Il calo di pressione anche minimo provoca l’apertura delle valvole di by-pass dell’aria 38 che cosi assicurano un facile ingresso dell’aria all’interno del contenitore filtro 58. In caso di rottura dell’espansore a vapore il motore toma al funzionamento precedente all’installazione di questa invenzione senza nessun impato sull’operatività del veicolo.

La Fig. 12 e la Fig.13, mostrano un’altra applicazione dell’espansore a vapore intervenendo diretamente sul circuito di aspirazione dell’aria. In questa configurazione l’aria compressa dal compressore 30 é aria già filtrata dal filtro 59. La pressione all’ interno del condotto di aspirazione viene aumentata per mezzo delPeffeto jet generato dall’ugello 64 collocato all’interno del raccordo 62 collegato al compressore convenzionale 2. Anche in questo caso, se la portata d’aria richiesta é superiore a quella massima fornita dal compressore 30, le valvole, o valvola, di by-pass 38 assicurano un passaggio d’aria almeno uguale a quello disponibile al compressore tradizionale 2 prima dell’installazione del compressore aggiuntivo 30. Per migliorare il rendimento di questa configurazione é preferibile inserire l’ugello per il jet di aria 66 come mostrato in Fig. 13. In questa configurazione é anche possibile inserire un filtro d’aria aggiuntivo per rendere completamente indipendenti i due sistemi di compressione. Anche in questo caso nell’eventualità di rottura dell’espansore a vapore 30 il motore ritorna automaticamente a funzionare con le carateristiche esistenti prima dell’installazione.

In Fig. 14 sono mostrati vari espansori a vapore accoppiati con turbocompressori convenzionali o compressori speciali in configurazioni differenti. Da sinistra in alto verso destra l’espansore la é rappresentato in maniera da mostrare la facilità con la quale si può effettuare l’accoppiamento con sistemi compressori 2 e turbine dei gas di scarico di tipo convenzionale 3. In questa configurazione si utilizza una turbina speciale a stadi di pale multipli montati su circonferenze differenti. In alto al centro di Fig. 14 l’unità 1 é equipaggiata con una turbina a vapore a stadio singolo calettata sull’albero portante la turbina dei gas di scarico 3b e quella del compressore convenzionale 2. In alto a destra, l’unità per l’espansione del vapore utilizza una serie di turbine a stadi multipli progettate per operare a vari livelli di pressione. In basso a sinistra, si può notare l’accoppiamento di un espansore a vapore con un compressore centrifugo tradizionale. In questo caso il compressore può essere utilizzato per le applicazioni descritte in Fig. 11, 12, e 13. In basso al centro il compressore é di tipo ottimizzato per alti rendimenti, di facile costruzione ed interamente simmetrico. In basso a destra, il compressore ad elevato rendimento é dotato di un convogliatore deH’aria di ingresso che entra dal collettore 40. In questo modello é inoltre possibile notare le valvole di by-pass dell’aria utilizzabili in caso di sotto dimensionamento del compressore.

Gli scambiatori di calore utilizzati per il recupero del calore normalmente disperso sono mostrati in Fig. 15. Acqua (o un fluido con proprietà termodinamiche appropriate) viene iniettata a circa 80°C attraverso una pompa di pressurizzazione non mostrata nella figura. Il fluido compresso viene iniettato attraverso il condotto 68 e l’iniettore 69. L’iniettore può essere costituito da una valvola di non ritorno caricata a molla o può essere evitato se la pompa possiede sufficiente capacità di pressurizzazione. Il fluido quindi si trova iniettato all’interno di uno scambiatore di calore 70 all’interno del quale i gas di scarico 80 possono fluire liberamente. La quantità di calore trasferita dai gas di scarico 80 al vapore dipende dalla superficie di contatto e quindi dalla lunghezza d3 complessiva dello scambiatore di calore. Per favorire un maggior scambio di calore e assicurare una permanenza prolungata del vapore all’interno dello scambiatore 70, le superficie elicoidali 71 possono essere inserite in modo da costringere il vapore in un percorso allungato prima di uscire dall’uscita 72. Il vapore a questo punto contiene una certa quantità di energia e può trovarsi in uno stato termodinamico di saturazione o con una qualità inferiore all’unità o già super-riscaldato. All’uscita 72 dello scambiatore di calore 70 é possibile collegare un altro scambiatore di calore ricavato dal l’inserimento di canali pressurizzabili 73 in contatto termico con i gas di scarico all’uscita delle camere di combustione. In questo scambiatore di calore il vapore raggiunge la massima temperatura e pressione. Attraverso il condotto 76 l’uscita dello scambiatore di calore 73 si collega ad una valvola parzializzatrice 77 a tre vie, oppure ad una serie di valvole (77a e 77b di Fig. 17) che regolano l’ammissione del vapore nell’espansore integrato nel turbocompressore coperto dall’isolamento 25a. La funzione della valvola/e 77 é quella di regolare la pressione di ammissione alla turbina a vapore ed inoltre regolare l’eccesso di vapore dirottandolo per esempio sulla turbina ausiliaria 11 di Fig. IO attraverso il condotto 79. L’uscita 78 della valvola 77 immette vapore all’intemo dello scambiatore di calore isolato dall’isolante 25a e descritto in dettaglio nella Fig. 3. A questo punto quindi il vapore entra attraverso il condotto/i 9d rimane surriscaldato ed espande nella turbina a vapore componente uno dei vari modelli di espansore proposti in questa invenzione. 11 vapore é infine condotto al condensatore attraverso l’uscita 10. Per minimizzare le perdite termiche, i collettori dei gas di scarico 74 sono rivestiti di materiale isolante 75, le guarnizioni 94 tra i collettori ed il blocco motore sono di materiale a bassa conducibilità termica, ed ogni tubatura portante il vapore dai vari scambiatori di calore alle turbine a vapore é rivestita con materiale isolante.

Per prevenire surriscaldamenti ed aggiungere un elemento di sicurezza nell’impianto dei gas di scarico é possibile costruire gli scambiatori di calore posti sui collettori dei gas di scarico senza un rivestimento isolante come quello contenuto all’intemo dell’involucro 75 di Fig. 15 e Fig. 16. In Fig. 15 A, l’involucro 75 contenente lo scambiatore di calore 73 é formato da una serie di alettature 134 che rimangono sempre chiuse durante il corretto funzionamento dei motore a vapore, mentre si aprono automaticamente nel caso di anomalia e spegnimento del circuito idraulico del vapore. L’isolamento termico di questo scambiatore di calore é conseguito semplicemente da un intercapedine d’aria posta tra lo scambiatore di calore 73 e l’involucro 75. L’aria é un pessimo conduttore termico e se le alette 134 rimangono in configurazione ermeticamente chiusa, il calore disperso é minimo. Il meccanismo di apertura delle alette 134 può essere meccanico con un piccolo attuatore idraulico oppure elettromeccanico non mostrato in figura. L’attivazione di tale meccanismo avviene se la temperatura dei materiali costituenti i collettori supera un determinato valore di sicurezza. Tale evenienza potrebbe verificarsi conseguentemente alia rottura del circuito idraulico a vapore con perdita del fluido. Quando il fluido é perso, per qualsiasi motivo, gli scambiatori di calore non vengono più “raffreddati” dal vapore e conseguentemente la loro temperatura potrebbe divenire troppo elevata compromettendo raffidabilità deirimpianto di scarico. In Fig. 15 A, si presenta quindi una soluzione a questo problema.

In Fig. 16 viene mostrata una configurazione del circuito idraulico simile a quello descritta in Fig. 15 con la differenza che il maggior surriscaldamento del vapore avviene nello scambiatore di calore 73 essendo il più vicino all’emissione dei gas di scarico 80 originalmente prodotti nelle camere di combustione. In questo caso, il fluido liquido viene iniettato attraverso l’iniettore 69, transita attraverso lo scambiatore di calore 70 percorrendo le superfici allungate dalle lamelle elicoidali 71 per infine uscire dal primo scambiatore di calore all’uscita 72. II vapore a questo punto entra nel vano turbina dei gas di scarico rivestito dal materiale isolante 25b, attraverso il condotto 9d. Questo scambiatore di calore é descritto in maggior dettaglio nella Fig. 6. Dal condotto simmetrico 9d opposto il vapore entra nello scambiatore di calore 73 dove la temperatura e il trasferimento di energia é più elevato. Anche in questo caso la valvola 77 regola l’ammissione del vapore all’ interno dell’espansore attraverso il condotto 78 e l’ingresso 9e descritto in Fig. 6. Anche in questo caso l’energia in eccesso viene regolata dalla valvola/e 77 e diretta verso un altro espansore attraverso il condotto 79. I gas di scarico 80 vengono quindi originati nelle camere di combustione dove sviluppano la massima temperatura, entrano all’intemo dei collettori 74, espandono nella turbina dei gas di scarico rivestita dall’isolante termico 25b, ed infine vengono espulsi dallo scambiatore di calore 70 uscendo come indicato dalla freccia 80. L’aria da immettere nei collettori di aspirazione del motore viene invece immessa nel compressore 2 che trae energia dall’azione combinata dell’espansore a vapore e dalla turbina dei gas di scarico. In questo modo la velocità della turbina del compressore é sempre mantenuta a livelli ottimali per una pressurizzazione dell’aria indipendente dal numero di giri del motore. I vari scambiatori di calori mostrati nelle Fig. 15 e 16 possono essere utilizzati anche nelle applicazioni descritte nelle Fig. 11, 12, 13, e 14.

Il ciclo termodinamico del motore a vapore utilizzato per recuperare energia dal calore disperso é descritto con riferimento alla Fig. 17. Il circuito di raffreddamento del motore a combustione interna 43 si può riassumere nell’ indicare il circuito idraulico formato dalla pompa dell’acqua 82, lo scambiatore di calore 83 ed il radiatore 84. L’acqua di raffreddamento del motore a combustione intema 43 normalmente raggiunge circa 90°C dopodiché la valvola a termostato, simboleggiata all’interno della pompa 82, si apre premettendo la circolazione dell’acqua nel radiatore di raffreddamento 84. Il radiatore di raffreddamento 84 scambia calore via convezione con l’aria 85. Per mezzo dell’introduzione di un modesto scambiatore di calore 83, interposto tra il radiatore di raffreddamento e la pompa 82, é possibile recuperare gran parte del calore dissipato nel radiatore 84 trasferendolo ad un nuovo circuito idraulico separato attraverso lo scambiatore di calore 83a. Lo scambiatore di calore 83 ed 83a ha lo scopo di separare fisicamente i fluidi del motore a combustione interna da quelli del motore a vapore. É comunque possibile eliminare lo scambiatore 83 e 83a se i fluidi (per esempio acqua) sono gli stessi. Lo scambiatore di calore 83 e 83a, permette l’utilizzo del motore a vapore con un fluido a tensione di vapore più bassa di quella dell’acqua e generare un rendimento molto più elevato. In generale, e per motivi di sicurezza ed affidabilità, é consigliabile mantenere i fluidi dei due motori separati poiché in caso di perdita del fluido nel motore a vapore non ci sono conseguenze sull’operabilità del motore a combustione 43. Il fluido del circuito del motore a vapore viene pressurizzato nella pompa 87 e riceve una prima quantità di calore nello scambiatore di calore 83a. A questo punto il fluido viene iniettato attraverso il condotto 68 all’ interno dello scambiatore di calore 88 per mezzo dell’iniettore 69. Lo scambiatore di calore 88 rappresenta un sistema di acquisizione di calore estratto dai gas di scarico. Tale sistema di acquisizione del calore 88 può essere formato dal collegamento in serie e/o parallelo degli scambiatori 70, 75, 25a, e 25b descritti nelle Figurel5 e 16, oppure lo scambiatore universale 103 descritto in Fig. 18. Fluido allo stato liquido quindi entra attraverso l’iniettore 69 nello scambiatore 88 e vaporizza. All’uscita 76 si trova vapore superriscaldato con un determinato contenuto energetico che viene immesso in maniera controllata dalle valvole 77a e 77b (oppure una valvola a tre vie) all’intemo dell’espansore 1 e della turbina 11. L’espansore 1 provvede lavoro utile al suo asse e mette in movimento il turbocompressore 2 e 3a, oppure un compressore speciale come descritto in Fig. 14. La turbina 11 é utilizzata per dissipare l’energia del vapore in eccesso (infatti e soprattutto per motori di grossa cilindrata, solo una frazione del vapore totale prodotto é utilizzata dall’espansore accoppiato al compressore dell’aria). La turbina 11 trasferisce la sua energia direttamente all’albero motore 44, oppure attraverso una frizione particolare 48. All’intemo dello scambiatore di calore 88 si trovano sonde di temperatura e pressione indicate dai collegamento 91 con un sistema di controllo elettronico 92. Il sistema di controllo 92 regola l’immissione del vapore alle varie turbine mediante gli attuatori 89. Gli attuatori 89 possono essere motori elettrici o idraulici che regolano l’apertura delle valvole 77a e 77b. 11 sistema di controllo elettronico o elettromeccanico 92 attiva la pompa 87 quando la temperatura nello scambiatore di calore 88 raggiunge un valore di soglia prestabilito. L’attivazione della pompa 87 avviene attraverso il collegamento elettrico 90. La pompa 87 può anche essere interamente meccanica e attivata in sincronismo con ravviamento del motore a combustione interna 43. Riassumendo, quando la pompa 87 é attiva, il fluido inizia a circolare nello scambiatore di calore 83a e viene iniettato attraverso l’iniettore 69 all’intemo dello scambiatore di calore 88. Qui si forma il vapore ad una pressione e temperatura proporzionale alla quantità di calore ricevuta. La pressione all’intemo del sistema degli scambiatori di calore 88 viene regolata per mezzo dell’apertura o chiusura delle valvole 77a e 77b le quali possono essere anche raggruppate in un unica valvola a tre vie come illustrato nelle Fig. 15 e 16. Le modalità di funzionamento delle turbine dell’espansore 1 e la turbina 11 possono essere diverse. Per esempio, attraverso il sistema di controllo 92, é possibile mantenere chiuse le valvole 77b in modo da accumulare vapore che continua ad aumentare in pressione e temperatura. Quando l’acceleratore del combustibile del motore 43 viene premuto, la valvola 77b può essere immediatamente aperta e rilasciare una notevole pressione all’espansore 1. In questo modo é possibile aumentare notevolmente la pressione dell’aria nei condotti 63 quando il motore si trova ancora a bassi giri durante la fase di accelerazione. Similarmente, aprendo improvvisamente la valvola 77a una pressione elevata viene presentata alla turbina 11 che conseguentemente genera una notevole coppia all’asse. In altre parole, é possibile mantenere la valvola 77a chiusa affinché il vapore accumulato nei volumi dello scambiatore di calore 88 raggiunga elevati livelli energetici per poi aprirla in maniera pulsata e fornire una coppia di spunto notevole direttamente all’albero motore 44 (attraverso la turbina 11) ogni volta che il veicolo parte da fermo. Oppure, sempre attraverso il sistema di controllo 92, é possibile mantenere una regolazione della valvola 77b affinché una certa quantità di vapore mantenga l’espansore 1 sempre in potenza in modo da mantenere i condotti di aspirazione 63 del motore 43 sempre pressurizzati indipendentemente dai giri del motore a combustione. La sonda 91 provvede Pinformazione sullo stato termodinamico del vapore al sistema di controllo 92 che può spegnere il motore a vapore in caso di anomalia per mezzo dello spegnimento della pompa 87. Nel caso di anomalia causante una sovrapressione del circuito a vapore la valvola di sicurezza 97 si apre automaticamente ad una certa pressione massima. In questo modo l’intero motore a vapore non raggiunge mai pressioni pericolose per l’integrità dei suoi componenti. .Inoltre, per evitare surriscaldamenti dei materiali della marmitta, specialmente nei collettori dei gas di scarico, le alette 134 di Fig. 15A vengono aperte per consentire il passaggio deU'aria di raffreddamento all’interno dello scambiatore di calore dove si verifica il maggior trasferimento di calore. Nel caso di rilascio della pressione interna nel circuito idraulico a vapore mediante la valvola 97, un segnale di allarme sonoro o ottico viene attivato attraverso un sistema di attuazione 114 collegato alla valvola. Tale segnale, per esempio una spia luminosa nel cruscotto del veicolo, avverte l’utente che un’anomalia si é verificata nel circuito idraulico del motore a vapore. Il sistema di controllo 92, può essere formato anche da un microprocessore con memoria mappata per regolare in modo ottimizzato tutti i parametri termodinamici del motore a vapore. Per esempio, il sistema di controllo 92 riceve i segnali di temperatura e pressione dalla sonda 91, i segnali di velocità dell’albero motore 44 via sensore 55, il segnale di velocità della turbina 11 via sensore 56, e il segnale di velocità della turbina 6 di Fig. 3A. Tali segnali vengono condizionati da un interfaccia analogico digitale e comparati con una memoria mappata. In tale memoria il microcomputer compara i dati in tempo reale con quelli memorizzati e attiva conseguentemente la pompa 87, e/o le valvole 77a e 77b e i servomeccanismi 112 di Fig. 3A attraverso i collegamenti 113. In questo modo il rendimento del motore a vapore viene mantenuto al massimo a seconda delle condizioni del vapore sempre in variazione.

Riassumendo il diagramma di Fig. 17, i gas di scarico 74 espandono in un turbocompressore tradizionale attraverso la turbina dei gas di scarico 3a mentre scambiano il loro contenuto energetico con i vari scambiatori di calore rappresentati dal sistema 88. Una parte del calore viene inoltre recuperato per mezzo di un ricircolo dell’acqua di raffreddamento del motore 43 attraverso uno scambiatore di calore 83. Il ciclo termodinamico descritto nella Fig. 17 può inoltre essere utilizzato con gli espansori del vapore I, la, e lb, descritti in Fig. 1, 2, 3, 8, 9, e 14.

In Fig. 17A, il circuito idraulico del vapore utilizza un serbatoio per l’accumulo di energia del vapore 125 invece del sistema a turbina 11 rappresentato in Fig. 17. Questa configurazione permette l’utilizzazione del vapore in eccesso accumulandolo e liberandolo a seconda delle necessità. Come menzionato, il vapore in eccesso viene prodotto perché il calore intrappolato dagli scambiatori di calore normalmente fornisce più energia di quella necessaria solamente ad attivare un compressore dell’aria. Tale vapore in eccesso può pilotare un alternatore elettrico o qualsiasi altro meccanismo nel veicolo, in Fig. 17A il vapore viene utilizzato unicamente per pilotare un compressore ad aria di tipo convenzionale o speciale come descrìtto in Fig. 8 e 9. Se gli scambiatori di calore 88 generano troppo vapore é possibile ridurre la massa di fluido in circolazione regolata dalla pompa 87, questo però può causare una temperatura troppo elevata negli scambiatori di calore. In questo caso é possibile mantenere il flusso del fluido in circolazione ad un livello elevato (attraverso la pompa 87) e accumulare vapore nel serbatoio 125. Questa configurazione é particolarmente vantaggiosa in un veicolo operante in un ciclo urbano. Il vapore in eccesso viene regolato dalla valvola 77a che si collega al serbatoio 125 attraverso il raccordo 126. La regolazione della pressione accumulata nel serbatoio viene controllata dal sistema di controllo 92.

Se la pressione supera una soglia predeterminata la valvola 132 si apre automaticamente e scarica vapore super-riscaldato direttamente nel condensatore 86 attraverso il condotto 10. Normalmente, se il motore a combustione interna si trova a sostare per periodi lunghi il calore generato negli scambiatori di calore potrebbe non essere sufficiente a pilotare efficacemente la turbina 1. In questa condizione il sistema di controllo 92 può aprire la valvola 131 che aggiunge pressione accumulata precedentemente direttamente alla turbina 1. L’aumento di pressione improvviso così causato non ha nessun effetto sul ritorno della valvola 77b in quanto si interpone una valvola di non ritorno 127 tra il raccordo 9e della turbina 1 e il raccordo collegante la valvola 131 del serbatoio 125. Le valvole 131 e 132 possono essere controllate attraverso gli attuatori 128 e 129 che ricevono istruzioni dal sistema di controllo 92. Per isolare termicamente il serbatoio 125 e possibile rivestirlo con un involucro 133 dal quale viene evacuata l’aria mediante la valvola 124.

In Fig. 18, é possibile osservare l’interno di uno scambiatore di calore universale di facile costruzione attraverso l’assemblaggio di tubi concentrici in grado di sostenere le differenze di pressione che si generano tra le varie intercapedini. 1 gas di scarico dal motore entrano nel tubo 98 dotato di una guarnizione ad alta temperatura che permette il collegamento ermetico dello scambiatore di calore ad altri scambiatori oppure direttamente al silenziatore della marmitta. Il collegamento tra diversi scambiatori di calore si effettua attraverso raccordi 107 che possono avere qualsiasi forma, per esempio a 45°, 90°, e 180°. Il raccordo 107 può avere quindi qualsiasi forma a gomito per permettere l’assemblaggio di una batteria di scambiatori di calore in serie o in parallelo. La combinazione tra la lunghezza del tubo 98 e il numero di alettature interne 100 determina l’ammontare di calore trasferito dai gas di scarico al fluido utilizzato per il ciclo a vapore. Le alette 100 formano un percorso all'interno dello scambiatore di calore tale da costringere il fluido iniettato da uno degli ingressi 101, 101A o 102 (lo scambiatore é simmetrico e l’uscita 101 può essere un ingresso, similarmente l’uscita 102 può essere un ingresso) a percorrere un passaggio che offre una notevole superficie di contatto favorendo il trasferimento del calore. La freccia 105 per esempio rappresenta l’iniezione di fluido allo stato liquido attraverso l’ingresso 101. Il fluido acquista energia mentre transita all’interno del percorso obbligato e si trasforma in vapore come indicato dalla freccia 106 ed infine esce in uno stato termodinamico super-riscaldato dall’uscita 102. Il numero delle alette 100 é variabile e le prese di ingresso e di uscita 101, 101A e 102 possono essere saldate o filettate sul corpo dello scambiatore di calore in qualsiasi posizione. Le prese 101 A possono essere chiuse se non utilizzate oppure forniscono una penetrazione all’interno dello scambiatore che consente l’inserimento di sonde di temperatura e/ pressione utilizzate dal sistema di controllo 92 di Fig. 17 e 17A. Per minimizzare le perdite di calore con l’ambiente esterno é possibile rivestire lo scambiatore di calore con il materiale isolante 104 contenuto all’interno dell’involucro 103. Per migliorare notevolmente l’isolamento termico, é possibile creare un’altra intercapedine 110 e evacuare l’aria in essa contenuta attraverso la valvola 109. In questo modo il meccanismo di trasferimento del calore via convezione tra l’involucro contenente il vapore super riscaldato e quello separante l’ambiente esterno dello scambiatore é completamente inibito conservando quindi energia. Essendo la temperatura dei gas di scarico ora ridotta a causa del trasferimento di calore al vapore, l’acqua formata dalla reazione chimica di combustione e sempre contenuta nei gas di scarico tende a condensare più facilmente aU’intemo del condotto di scarico. Per questo motivo é possibile utilizzare uno dei raccordi 107 posizionandolo nel punto più basso del circuito dei gas di scarico dotandolo di una valvola di spurgo dell’acqua 108. Per i motori equipaggiati con marmitta catalitica é necessario inserire gli scambiatori di calore all’uscita dell’elemento catalitico oppure sarà necessario provvedere un segnale di temperatura minima permessa ai gas di scarico attraverso il sistema di controllo elettronico 92 di Fig. 17 in modo da garantire il corretto funzionamento della marmitta catalitica.

RIASSUNTO DELLA DESCRIZIONE TECNICA

Questa invenzione consiste di un motore a vapore accoppiato ad un motore a combustione interna. Il calore normalmente disperso nell’ambiente dal motore a combustione interna costituisce la sorgente termica di calore per il funzionamento del ciclo termodinamico a vapore. Il motore a vapore quindi scambia calore tra tale sorgente termica e l’ambiente circostante ed é costituito da espansori del vapore che convertono tale energia termica in potenza che a sua volta può essere convertita in energia elettrica, di compressione, o semplicemente energia meccanica ail’asse dell’espansore. Il gruppo formato dalle turbine a vapore costituisce un corpo espansore che comprende sistemi per la regolazione della velocità di uscita del vapore dagli ugelli esposti alle pale della turbina a vapore. Il corpo espansore é a sua volta costituito da una parte fissa denominata statore e una parte in movimento denominato gruppo albero turbine. Lo statore del corpo espansore contiene inoltre sistemi idraulici di lubrificazione interna provvedenti raffreddamento e lubrificazione al gruppo albero turbine (al quale sono collegate le varie turbine). Tale albero é caratterizzato da micro canalature interne per il passaggio del liquido lubrificante e da una massa bilanciante. Se il corpo espansore é meccanicamente accoppiato ad un corpo compressore, il motore a vapore converte l’energia del vapore (termica) in energia di compressione dell’aria. Il corpo compressore può essere costituito da un compressore centrifugo convenzionale, oppure da un corpo compressore innovativo formato da componenti di facile costruzione poiché e simmetrico. Tale compressore simmetrico é dotato di valvole di by-pass deU’aria, un diffusore conico dotato di alesature formanti ugelli divergenti. Gli ugelli divergenti convertono energia cinetica dell’aria in energia di pressione, aumentando quindi il rapporto di compressione e il rendimento complessivo del compressore. Tale compressore può essere collegato direttamente sulla tubatura di ingresso dell’aria al contenitore del filtro dell’aria che equipaggia qualsiasi tipo di motore a combustione interna, oppure può essere collegato mediante ugelli jet direttamente all’intemo dell’impianto di aspirazione dell’aria. Tale ugello jet comprime l’aria all’intemo del sistema di aspirazione del motore in quanto la struttura dell’ugello é tale da chiamare aria alle sue spalle e comprimerla una volta passata la gola della struttura formante complessivamente una pompa jet. Se il gruppo espansore é accoppiato direttamente o indirettamente all’albero del motore a combustione interna, esso trasforma l’energia termica del vapore in energia meccanica all’asse della turbina. In questo caso l’espansore del vapore può essere accoppiato ad una frizione di tipo meccanico, idraulico, magnetico, o una qualsiasi combinazione con ingranaggi di riduzione della velocità della turbina. La combinazione di una turbina accoppiata ad una frizione che a sua volta é accoppiata all’albero del motore a combustione interna forma un gruppo turbina di potenza. Tale gruppo turbina di potenza può essere meccanicamente collegato all’albero del motore a combustione mediante un sistema di flangia meccanica con modifica della puleggia dell’albero motore stesso. Un sistema di controllo della velocità della turbina e della velocità dell’albero motore garantisce l’inserimento della frizione quando le velocità dei due sistemi meccanici coincidono così é possibile evitare logorio dei materiali della frizione e/o strappi causati da eccessiva accelerazione trasferita all’albero del motore. Il motore a vapore quindi utilizza la sorgente termica del motore a combustione interna mediante convertitori o scambiatóri di calore che trasferiscono l’energia termica dai gas di scarico al fluido utilizzato per il ciclo a vapore. Questi scambiatori di calore sono dotati di percorsi interni o intercapedini che favoriscono il trasferimento del calore e minimizzano le perdite di calore con l’ambiente esterno, per esempio per mezzo di camere sotto vuoto spinto separanti le parti ad alta temperatura dall’ambiente esterno. Riassumendo quindi, le turbine a vapore del motore a vapore di questa invenzione, convertono l’energia del vapore in energia meccanica per produrre aria compressa, energia elettrica e/o potenza in cavalli vapore da sommare alla potenza normalmente erogata dal motore a combustione interna . Il corpo costituente l’espansore può inoltre contenere un sistema idraulico di lubrificazione di tipo tradizionale con pompa esterna per la lubrificazione e raffreddamento dei cuscinetti del gruppo albero turbine, oppure può essere costituito da un sistema autolubrificante speciale che trae energia dal moto rotazionale dell’albero stesso del gruppo albero turbine. In generale, il corpo espansore può essere accoppiato meccanicamente ai componenti del corpo compressore e corpo turbina dei gas di scarico convenzionali e già disponibili sul mercato, oppure può essere accoppiato ad un corpo compressore specializzato e innovativo completamente simmetrico, con turbina del compressore rovesciata, e di facile costruzione, per produrre aria compressa con maggior rendimento rispetto ai compressori centrifughi tradizionali. In ogni caso, qualsiasi compressore, convenzionale o speciale, “spinto” dal gruppo espansore può essere collegato direttamente all’ingresso del contenitore del filtro dell’aria, oppure attraverso un ugello speciale che accelera l’aria compressa in un jet diretamente all’interno dell’impianto di aspirazione dell’aria del motore a combustione interna. Il fluido utilizzato nel ciclo a vapore, che pilota l’espansore, può essere acqua o un qualsiasi fluido con tensioni di vapore e punti di ebollizione anche inferiori a quelli presentati dall’acqua (in questo caso si ottiene anche un miglior rendimento). Il vapore necessario al funzionamento di tale espansore é quindi prodoto da scambiatori di calore speciali progetati per trasferire l’energia termica contenuta nei gas di scarico prodotti dalla combustione. Il motor a vapore può inoltre operare generalmente in due modi: Modo a velocità/potenza costante, oppure modo pulsato. Infati, il vapore generato dai vari scambiatori di calore é regolato da una valvola a tre vie o più valvole comandate in modo elettropneumatico o eletromeccanico che parzializzano il flusso del vapore controllando la quantità di vapore alle varie turbine a seconda delle necessità, in modo che una frazione dell’energia contenuta nel vapore viene utilizzata per comprimere aria, mentre l’energia rimanente viene utilizzata per trasferire potenza all’albero del motore a combustione interna. Tale valvola a tre vie (o più valvole) può essere quindi attivata in maniera totalmente aperta/chiusa o parzializzata mediante circuiti ad aria compressa elettropneumatici (aria compressa per servizi é tipicamente presente nei motori di grossa cilindrata per camion o autobus), oppure in modo elettromeccanico attraverso un sistema di controllo che in base alla temperatura e pressione del circuito idraulico del motore a vapore regola la quantità di vapore prodoto negli scambiatori di calore. Tali valvole possono operare anche in maniera pulsata secondo le modalità di operazione desiderate e selezionate attraverso il sistema di controllo. La pulsazione può generare pressioni molto più elevate negli scambiatori di calore e procurare una elevatissima accelerazione delle turbine a vapore quando le valvole di immissione si aprono. Il sistema di controllo ativa inoltre la pompa di circolazione del fluido quando le condizioni di pressione e temperatura all’ interno degli scambiatori di calore lo consentono. Tale pompa di ricircolo del fluido del sistema a vapore é collegata ad un inietore tipo diesel costituito da un ago caricato a molla che consente il flusso del fluido unicamente in una direzione al'interno degli scambiatori di calore. In particolare, gli scambiatori di calore sono costituiti da intercapedini metalliche separanti i gas di scarico dal fluido utilizzato per il ciclo a vapore ed in grado di trasferire calore dai gas di scarico al fluido attraverso meccanismi di convezione forzata e conduzione termica. Il materiale metallico costituente gli scambiatori di calore ha caratteristiche fìsiche tali da minimizzare o eliminare reazioni chimiche tra il vapore ad alta temperatura ed i materiali costituenti le superfici di contatto degli scambiatori di calore in modo da eliminare gli effetti di corrosione. Il materiale costituente gli scambiatori può anche essere trattato con vernici o ricoperture che prevengono la corrosione. Nel motore a vapore é importante conservare energia termica il più possibile, per questo motivo ogni scambiatore di calore é isolato termicamente dall’aria dell’ambiente circostante con materiali isolanti opportunamente sagomati per minimizzare le perdite di calore, oppure mediante evacuazione dell’aria in intercapedini separanti le superfici si scambio del calore con l’aria dell’ambiente circostante. Gli scambiatori di calore hanno geometrie con lunghezze e diametri che favoriscono un montaggio modulare e semplificativo e sono dotati di connettori con guarnizioni resistenti alle alte temperature e una serie di raccordi sagomati opportunamente per favorire il montaggio degli scambiatori di calore in qualsiasi configurazione all’interno del vano motore o in sostituzione di tubature delle marmitte, anche caratterizzate da severe curvature. Le intercapedini all’interno di tali scambiatori di calore sono progettate per allungare il tempo di residenza del vapore mentre transita da un’intercapedine all’altra per trasferirgli la massima energia. Gli scambiatori di calore sono inoltre dotati di una valvola di spurgo dell’acqua prodotta normalmente nelle reazioni di combustione e che si condensa e accumula nei punti più bassi del circuito idraulico all’interno del quale fluiscono i gas di scarico. Tale valvola di spurgo dell’acqua può essere installata all’interno di uno dei raccordi tra i vari scambiatori di calore oppure sullo scambiatore di calore stesso quando é posizionato nel punto ad elevazione più bassa del sistema costituente la marmitta dei gas di scarico.

Claims

RIVENDICAZIONI Un dispositivo alimentato a vapore in grado di trarre energia dalle sorgenti di calore normalmente disperse nell’ambiente e generate dai prodotti della combustione di un motore a combustione interna formato da: 1. Un gruppo espansore del vapore di dimensioni ridotte in grado di produrre forza motrice al suo asse sviluppando potenza in un ciclo termodinamico formante un motore a vapore la cui sorgente di calore é costituita dal calore disperso dai prodotti di combustione del motore a combustione interna; detto gruppo espansore é mantenuto separato termicamente dal gruppo compressore mediante una guarnizione isolante a bassa conducibilità termica ed é formato da una o più turbine; dette turbine possono essere di tipo tradizionale a stadio singolo o multiplo, oppure di tipo speciale formate da una serie di pale montate su circonferenze differenti di una stessa ruota collegata meccanicamente all’albero dell’espansore in maniera coassiale con la turbina dei gas di scarico e quella del compressore; il vapore costituente il fluido del ciclo termodinamico a vapore é prodotto da una serie di scambiatori di calore che trasferiscono l’energia dei gas di scarico al fluido; detto fluido circola in un circuito formante un ciclo chiuso nel quale la massa di fluido in circolazione non é mai in contatto con l’ambiente circostante e/o con i gas di scarico; detta massa di fluido é regolata per mezzo di valvole controllate da un sistema di controllo che misura temperatura e pressione ed in grado di ottimizzare la velocità di rotazione delle turbine a vapore. Il vapore prodotto in eccesso negli scambiatori di calore é accumulato in un serbatoio di accumulo e riutilizzato quando necessario.
2. Un gruppo espansore del vapore di dimensioni ridotte secondo la rivendicazione 1, contenente una serie di ugelli convergenti semplici fissi o equipaggiati con un meccanismo di regolazione mediante la chiusura/apertura fluidodinamica del getto di vapore attraverso degli aghi sagomati opportunamente ed integrati all’ interno dello statore del gruppo espansore rivendicato nella rivendicazione numero 1; detti ugelli sono inoltre posizionati in modo che le forze di controreazione risultanti dall’emissione del vapore sul corpo turbina/e siano in grado di controbilanciare le forze che si sviluppano contro il cuscinetto reggispinta annullando la spinta complessiva contro quest’ultimo. Il diametro della/e turbina/e a vapore, il numero delle pale e la massa totale di vapore uscente da detti ugelli costituiscono parametri progettati opportunamente per azzerare l’effetto di tutte le forze agenti sull’albero dell’espansore.
3. Un sistema di condensazione del vapore direttamente all’interno del gruppo espansore della rivendicazione 1 in grado di aumentare il gradiente di pressione tra il vapore in ingresso agli ugelli della rivendicazione 2 ed il fluido espanso all’uscita della/e turbina/e; detto sistema di condensazione é costituito da superfici in contatto termico con il corpo raffreddante del compressore sulle quali viene forzato il vapore espanso causando un improvvisa condensazione che a sua volta causa un crollo della pressione.
4. Un sistema di controllo della velocità della/e turbi na/e della rivendicazione 1 costituito da sensori elettronici e attuatori elettromeccanici o idraulici che consentono l’ottimizzazione delle caratteristiche dell’espansore in tempo reale modificando la posizione degli aghi interni agli ugelli della rivendicazione 2 per sfruttare al massimo le variazioni di pressione e temperatura del vapore all’ingresso del gruppo espansore della rivendicazione 1.
5. Un sistema di lubrificazione forzata dal movimento rotazionale dell’albero dell’espansore della rivendicazione 1; detto albero é dotato di microcanali opportunamente sagomati che combinati con la forma del cuscinetto a bronzina permettono la penetrazione di fluido lubrificante impartendo ad esso energia cinetica forzandone la circolazione con un effetto pompa consentendo la lubrificazione delle parti in movimento senza l’ausilio di mezzi esterni; dette microcanalature possono anche essere integrate all’interno di un albero dell’espansore cavo al suo interno in modo da consentire il trasferimento del liquido lubrificante da un gruppo di cuscinetti all’altro ed infine ad un serbatoio di raccolta e raffreddamento.
6. Un sistema di bilanciamento del gruppo formato dall’albero dell’espansore e le varie turbine meccanicamente connesse ad esso, incluse la turbina del gruppo compressore e quella del gruppo turbina gas di scarico; detto sistema di bilanciamento é formato da una serie di masse con peso opportuno collegate solidalmente con l’albero dell’espansore. Dette masse possono essere spostate all’interno di un blocco di registro in modo da costituire uno sbilanciamento rispetto all’asse dell’albero dell’espansore; tale sbilanciamento può essere regolato attraverso viti di regolazione e di bloccaggio poste nel blocco registro in modo da controbilanciare e annullare lo sbilanciamento causato da imperfezioni di lavorazione o costruttive del gruppo albero e turbine.
7. Un dispositivo ad espansione di vapore secondo la rivendicazione 1, 2, 3, e 4 accoppiato da un lato ad un corpo compressore centrifugo convenzionale e dall’altro ad un gruppo turbina dei gas di scarico; detto gruppo contenente il diffusore e la turbina dei gas di scarico é circondato da un involucro che costituisce uno scambiatore di calore nel quale il vapore può circolare senza contatto con i gas di scarico; detto involucro é inoltre isolato termicamente dall’ambiente esterno attraverso una copertura di materiale isolante, oppure con l’ausilio di una intercapedine sigillata nella quale si evacua l’arìa per mezzo di una valvola.
8. Uno o più serbatoi di raccolta del liquido lubrificante e circolante aH’interno dei circuiti idraulici del sistema di lubrificazione secondo la rivendicazione 5, oppure circolante per mezzo di una pompa esterna; detto serbatoio (o serbatoi) é in contatto termico con il corpo del compressore dell’aria ed é in grado di dissipare il calore accumulato nel liquido lubrificante mediante meccanismi di convezione dall’olio alle pareti del serbatoio e di conduzione termica dalle pareti del serbatoio al corpo del compressore che rimane sempre a temperature relativamente basse.
9. Una o più camere di espansione del vapore poste nel circuito di uscita del vapore espanso dalle pale della/e turbina e integrate all’interno del corpo espansore della rivendicazione 1; dette camere sono opportunamente dimensionate per offrire un volume minimo richiesto affinché il vapore espanso non trovi difficoltà a scaricare dal corpo espansore.
10. Un’espansore a vapore secondo la rivendicazione 1 accoppiato ad un gruppo compressore da un lato e ad un gruppo turbina dei gas di scarico dall’altro in cui lo scambiatore di calore, formato dalla superficie del corpo turbina dei gas di scarico e l’involucro circondante, é dotato di prese di ingresso e uscita del vapore tali da consentire il ricircolo del vapore al suo interno in maniera indipendente dal circuito idraulico del vapore all’interno dell’espansore a vapore.
11. Un sistema di ugelli multipli integrati all’intemo dell’espansore a vapore della rivendicazione 1; detti ugelli multipli sono diretti su una turbina speciale con pale montate su circonferenze differenti di una stessa ruota formante la turbina; dette pale sono sagomate in maniera differente da una circonferenza all’altra in modo da conservare la stessa direzione del moto di rotazione; detti ugelli multipli sono posizionati in canalature interne allo statore del corpo espansore e sono poste a diverse altezze rispettando le dimensioni delle varie circonferenze sulle quali si trovano dette pale; dette canalature hanno lo scopo di invertire la direzione del flusso del vapore uscente dagli ugelli in modo da bilanciare l’effetto della forza del vapore spingente sulle pale; detti ugelli sono convergenti con un diametro che varia da una circonferenza all’altra in modo da ricavare la massima velocità del getto d’uscita del vapore quando la pressione del vapore decresce nel passare dagli ugelli posti nella circonferenza più piccola a quelli posti in quella più larga. Il numero di ugelli utilizzati é variabile e la loro posizione é simmetrica rispetto all’asse in modo da produrre una risultante delle forze uniforme e distribuita lungo la circonferenza della turbina; detta forza di spinta risultante é progettata in modo da controbilanciare le forze di spinta derivanti dalla azione combinata della turbina del compressore e quella dei gas di scarico e agente sul cuscinetto di spinta.
12. Un espansore a vapore secondo la rivendicazione l accoppiato ad un compressore simmetrico dotato di una turbina del compressore rovesciata con ingresso dell’aria in maniera uniforme e radiale su tutta la circonferenza; detta turbina del compressore é collegata meccanicamente all’albero dell’espansore a vapore ed é affacciata ad un corpo diffusore che convoglia l’aria di ingresso al compressore in modo uniforme su tutta la circonferenza senza provocare sbilanciature; detta aria di ingresso alla turbina del compressore uscendo dalla punta delle pale con massima energia cinetica entra in un ugello divergente perfettamente simmetrico lungo tutta la circonferenza formato dalla composizione concentrica di un cilindro ed un cono oppure due coni concentrici e caratterizzati da diametri e altezze differenti; detto ugello divergente é distribuito simmetricamente fungo tutta la circonferenza ed é dotato di alette sagomate in modo da raddrizzare il moto rotatorio dell’aria all’uscita della girante (turbina); dette alette sagomate trasformano ulteriormente l’energia cinetica di rotazione dell’aria in energia nella forma di pressione statica.
13. Un sistema di valvole di by-pass deH’aria per il dispositivo espansore del vapore della rivendicazione 1, accoppiato ad un compressore simmetrico descritto nella rivendicazione 12; dette valvole di by-pass sono posizionate sul corpo del compressore simmetrico; dette valvole possono essere collocate in qualsiasi posizione lungo il percorso dell’aria uscente dalla turbina del compressore e si aprono in caso di depressione all’uscita del compressore; dette valvole possono essere composte da membrane in materiale elastico formante una chiusura ermetica se la pressione all’intemo del compressore é superiore a quella atmosferica; dette membrane possono essere formate da elementi in gomma con uno spessore e modulo di torsione opportuno in modo da consentire l’ingresso di aria dalPestemo per una condizione di depressione anche minima all’uscita del compressore; dette valvole sono valvole di non riflusso (consentono il flusso del fluido in una sola direzione) e possono anche essere formate da una guarnizione caricata a molla con una costante di elasticità molto bassa per consentire una facile apertura in caso di depressione.
14. Un espansore a vapore secondo la rivendicazione 1, formato da una turbina a stadio singolo tradizionale ed almeno due ugelli, o un numero di ugelli tale da mantenere simmetria rispetto all’asse dell’albero dell’espansore; detti ugelli sono posizionati e dimensionati in modo da annullare l’effetto delle forze di spinta contro il cuscinetto reggispinta.
15. Un espansore a vapore secondo la rivendicazione 1, formato da una serie di turbine a stadio multiplo con ugelli assemblati sullo statore del corpo espansore e dimensionati in modo che la sommatoria delle forze di reazione di tutti gli ugelli sia in grado di contrastare la forza di spinta contro il cuscinetto reggispinta.
16. Una turbina speciale da applicare alFinterno del corpo espansore a vapore secondo la rivendicazione 1, formata da una serie di pale montate su circonferenze differenti di una stessa ruota; detta serie di pale può variare a seconda del diametro totale, della massa di vapore da espandere, e della coppia totale che si vuole generare.
17. Un gruppo di espansione del vapore completo secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 13, 14, e 15 accoppiato meccanicamente al corpo di un compressore centrifugo di tipo convenzionale da un lato e al gruppo turbina dei gas di scarico e relativo diffusore dall’altro anche questo di tipo convenzionale.
18. Un gruppo di espansione del vapore completo secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 13, 14, e 15 accoppiato ad un compressore centrifugo convenzionale da un lato, e sigillato da un coperchio termicamente isolante dall’altro.
19. Un impianto idraulico specializzato formante il motore a vapore della rivendicazione 1; detto impianto idraulico di medio/bassa/alta pressione é costituito da tubature isolate termicamente attraverso materiali isolanti o attraverso la creazione di sottovuoto spinto in intercapedini circondanti le tubature; detto impianto idraulico collega le valvole di regolazione del vapore agli espansori del vapore delle rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 13, 14, 15, 17, e 18; detto impianto idraulico é caratterizzato da una pompa di pressurizzazione, una valvola iniettore di non ritorno, un collegamento in serie e/o parallelo di uno o più scambiatori di calore, una valvola a tre vie, o più valvole con scopi similari, un sistema di valvole collegate ad un serbatoio di accumulo del vapore in eccesso, almeno un sensore di pressione e almeno un sensore di temperatura collegati all’interno degli scambiatori di calore mediante apposite penetrazioni come descritto nella rivendicazione 34; detto impianto idraulico é sagomato per accomodare gli spazi ridotti disponibili nel vano di un motore a combustione interna ed é costituito da materiali in grado di resistere alle alte temperature e agenti di corrosione presenti all’interno di detto vano; detti materiali non contengono zirconio o altri elementi che reagiscono con vapore acqueo ad elevata temperatura generando idrogeno o gas tossici o infiammabili; detto impianto idraulico é inoltre dotato di una valvola di sicurezza che scarica vapore super-riscaldato in caso di sovrapressione; la massa di vapore in circolazione in detto circuito idraulico é determinata dalla portata della pompa ed é controllata da un sistema elettronico; detta massa di vapore é comunque derivata da una massa totale di fluido senza mai entrare in contatto con l’ambiente esterno o i gas di scarico; detto fluido può essere acqua o un fluido con tensione di vapore e punto di ebollizione inferiori a quelli dell’acqua; detto fluido con tensione e punto di ebollizione inferiore a quello dell’acqua deve avere caratteristiche termodinamiche che non consentono la dissociazione dei suoi componenti chimici quando esposto alle elevate temperature degli scambiatori di calore delle rivendicazioni 20, 25, e 33; detto impianto idraulico utilizza un radiatore ad aria convenzionale per la condensazione del vapore di scarico dalle turbine o il vapore in eccesso dagli scambiatori di calore.
20. Scambiatore di calore secondo le rivendicazioni 1, posto sui collettori dei gas di scarico costituito da avvolgimenti in tubatura in contatto termico diretto con i gas di scarico, o indiretto attraverso il metallo dei collettori di scarico stessi; detti avvolgimenti possono essere ricoperti da materiali isolanti, o circondati da un involucro chiuso che mantiene un’intercapedine d’aria di isolamento tra lo scambiatore di calore e l’ambiente esterno; detto scambiatore può inoltre essere formato da canalature ricavate internamente al blocco metallico costituente l’insieme dei collettori dei gas di scarico.
21. Involucro contenente lo scambiatore di calore della rivendicazione 20 caratterizzato da lamelle metalliche termicamente isolate (o altri materiali termicamente isolanti) collegate a leveraggi meccanici che formano un involucro ermeticamente chiuso attorno a detto scambiatore di calore; detto involucro rimane chiuso durante il normale funzionamento del circuito idraulico della rivendicazione 19 costituente il motore a vapore complessivo e si apre automaticamente attraverso i leveraggi meccanici per consentire il raffreddamento dello scambiatore di calore nel caso di anomalia o perdita del fluido da detto circuito idraulico evitando il danneggiamento dei collettori di scarico.
22. Motore a vapore con almeno una turbina a vapore e almeno una sorgente di calore secondo la rivendicazione 1 formato daU’impianto idraulico della rivendicazione 19; detto motore a vapore può funzionare a giri medi costanti oppure in maniera pulsata; detto motore a vapore é caratterizzato da un ciclo termodinamico chiuso in assenza di gas non condensabili al suo interno nel quale la massa complessiva del fluido circolante rimane invariata; detta massa di fluido si trasforma in massa di vapore regolata dalla portata della pompa di pressurizzazione che può anche essere attivata da un termostato attivante un teleruttore o attraverso una termocoppia inserita nello scambiatore di calore con maggior trasferimento del calore; detto termostato o termocoppia può essere montato/a su una delle superfici dello scambiatore di calore delle rivendicazioni 7, 10, 20, e 33; detta pompa può anche essere attivata meccanicamente mediante ingranaggio collegato all’albero del motore a combustione, fornendo quindi una portata di fluido proporzionale al numero di giri del motore a combustione; detto motore a vapore utilizza almeno un espansore a turbina per produrre forza motrice e può usare il vapore in eccesso mediante l’uso di almeno un espansore a turbina ausiliario in grado anch’esso di produrre forza motrice; la potenza erogata all’asse di tale espansore ausiliario é regolata dal circuito elettronico di controllo attraverso la valvola a tre vie che a sua volta é attivata da un circuito di controllo indipendente o centralizzato (descritto nella rivendicazione 23); il vapore in eccesso può inoltre essere accumulato in un serbatoio di accumulo per poter essere riutilizzato quando necessario durante il funzionamento del motore a combustione interna; detto serbatoio di accumulo del vapore permette di operare il motore a vapore con potenza/giri costanti oppure in maniera pulsata.
23. Un sistema di controllo del motore a vapore delle rivendicazioni 1; detto sistema di controllo può essere di tipo elettronico centralizzato, se si desidera una ottimizzazione del ciclo a vapore in tempo reale, oppure può essere formato dalla combinazione di attuatori elettromeccanici o idraulici in grado di regolare grossolanamente l’apertura/chiusura delle varie valvole nel circuito idraulico della rivendicazione 19 in base a segnali elettrici via sensori di temperatura e di pressione campionati in vari componenti del motore a vapore; detto sistema di controllo può essere inoltre costituito da diversi sistemi di controllo indipendenti e dedicati al corretto funzionamento di ogni singolo componente del motore a vapore della rivendicazione 22; detti sistemi di controllo indipendenti possono essere specializzati per una regolazione indipendente dell’espansore a turbina di potenza, oppure dell’espansore accoppiato alla turbina del compressore, delle valvole di regolazione del vapore immesso nelle varie turbine, della portata di fluido iniettato negli scambiatori di calore, del vapore accumulato nel serbatoio di accumulazione; detti sistemi di controllo, potendo operare indipendentemente gli uni dagli altri, sono sistemi specializzati e ottimizzati per il controllo del singolo componente formante il motore a vapore della rivendicazione 22, per esempio uno dei sistemi di controllo può essere dedicato esclusivamente al controllo della velocità della turbina/e dell’espansore accoppiato al compressore della rivendicazione 1 o 12 in base alla sensorizzazione della temperatura, pressione del vapore all’ingresso della turbina, e il segnale dal sensore di movimento riportante la velocità della turbina.
24. Sistema di controllo elettronico centralizzato secondo le rivendicazioni 1, 22, e 23; detto sistema di controllo centralizzato é costituito da una centralina elettronica che gestisce le operazioni dei sistemi di controllo indipendenti della rivendicazione 23 considerando l’intero motore a vapore in modo complessivo; detto sistema di controllo elettronico può essere formato da una struttura a microprocessore dotato di memoria mappata e di un convertitore analogico digitale che condiziona i vari segnali analogici provenienti dai sensori di pressione, temperatura, e di movimento posizionati nei vari componenti formanti il motore a vapore; detto sistema a microprocessore può essere programmato per far funzionare il motore a vapore in modo pulsato o a potenza/velocità costante; detto modo pulsato é conseguito mediante la chiusura delle valvole, la regolazione della portata della pompa dell’impianto idraulico della rivendicazione 19; detto modo pulsato é conseguito mediante la chiusura delle valvole che regolano rimmisione del vapore alle varie turbine in modo da aumentare la pressione e temperatura del vapore e, raggiunto un livello desiderato di pressione e temperatura, dette valvole possono essere riaperte in concomitanza con un segnale di accelerazione del motore a combustione interna dando così un impulso alla pressurizzazione dell’aria nei condotti di aspirazione del motore a combustione e/o per scaricare una maggior potenza di spunto direttamente all’albero del motore a combustione mediante la turbina ausiliaria della rivendicazione 26; detto modo a velocità costante invece viene selezionato dal sistema a microprocessore che in questo caso regola Papertura/chiusura delle valvole di immissione del vapore alle turbine in maniera da mantenere la massima velocità di esercizio costante ed in modo ottimizzato e, qual’ora il motore a combustione interna si trovasse a produrre poco calore per tempi prolungati, il sistema di controllo può attivare una valvola di regolazione del vapore accumulato nel serbatoio di accumulazione (descritto nella rivendicazione 25) e mantenere la velocità degli espansori costante; detti modi pulsato o a velocità costante di operazione del motore a vapore possono essere selezionati dall’utente con un interruttore per esempio posto nel cruscotto del veicolo. Il sistema di controllo centralizzato può inoltre attivare le lamelle dell’involucro della rivendicazione 21 per permettere il raffreddamento degli scambiatori di calore, e un sistema di allarme ottico e/o sonoro che avverte Putente di un guasto nel motore a vapore.
25. Un serbatoio di accumulo del vapore secondo la rivendicazione 1 con isolamento termico mediante intercapedine nella quale viene creato il vuoto spinto mediante un apposita valvola, costituito da un certo volume di vapore da accumulare ad una certa temperature e pressione controllate dal sistema di controllo della rivendicazione 23 e/o 24; detto vapore accumulato deriva dal vapore in eccesso regolato da un sistema di valvole descritto nella rivendicazione 19 e viene riutilizzato dal motore a vapore mediante l’apertura di una valvola che immette detto vapore accumulato direttamente nell’ingresso della turbina accoppiata al compressore o turbocompressore e/o alla turbina di potenza ausiliaria; detto vapore proveniente dal serbatoio di accumulo non può ricircolare negli scambiatori di calore poiché nel suo circuito idraulico viene interposta una valvola di non ritorno che consente di pressurizzare unicamente la conduttura alla/e turbina/e.
26. Un espansore del vapore secondo la rivendicazione 1, costituito da una turbina di potenza composta con materiale pesante per un effetto volano con aumentata inerzia rotazionale e per la conversione del vapore in eccesso, o derivante dal serbatoio di accumulo del vapore, in energia meccanica trasferita al motore a combustione interna; detta turbina può essere collegata direttamente all’albero motore attraverso una flangia meccanica di accoppiamento, oppure ad un sistema ad ingranaggi per ridurre la velocità; detta turbina può inoltre essere collegata ad una frizione di tipo centrìfugo, idraulico, o elettromeccanico, controllata da un sistema elettronico indipendente della rivendicazione 23 e/o 24, attraverso sensori della velocità riportanti le velocità dell’albero motore e quelle della turbina oppure da un sistema di controllo centralizzato della rivendicazione 24; detto sistema elettronico di controllo indipendente o centralizzato può attivare la frizione e collegare meccanicamente l’albero di detta turbina a quello del motore quando la turbina e il motore a combustione raggiungono velocità prestabilite da consentire l’accoppiamento senza strappi; detta frizione può essere anche collegata ad un sistema di riduzione della velocità ad ingranaggi messo in movimento da detta turbina.
27. Flangia di accoppiamento secondo la rivendicazione 14, appositamente sagomata e dotata di un interfaccia in gomma antiurto montato come disaccoppiatore delle vibrazioni dell’albero motore alla turbina della rivendicazione 14.
28. Corpo turbina di potenza secondo la rivendicazione 14 contenente la turbina, la frizione, il sistema di riduzione della velocità ad ingranaggi, un vano olio di lubrificazione con prese di ingresso e di uscita dell’olio, e sensori di velocità; detto corpo turbina di potenza é meccanicamente fissato al motore a combustione interna o al telaio di quest’ultimo.
29. Un espansore del vapore accoppiato ad un compressore deH’aria secondo le rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, e 13 nel quale l’uscita dell’aria compressa dal compressore é collegata alla presa dell’ingresso dell’aria nel contenitore del filtro dell’aria.
30. Un espansore del vapore accoppiato ad un compressore secondo le rivendicazioni 1,2, 3, 4, 5, 6, 12, e 13 nel quale l’uscita del compressore dell’aria é collegata ad un ugello convergente in modo da generare un jet di aria compressa alFintemo dell’impianto di aspirazione del veicolo; l’ingresso dell’aria. di detto compressore é idraulicamente collegato all’uscita dell’aria filtrata nel contenitore del filtro dell’aria.
3 1. Ugello convergente secondo la rivendicazione 30, sagomato per creare una depressione alle sue spalle che attrae aria dal filtro dell’aria e la comprime all’interno del condotto di aspirazione dell’aria per motori a combuastione equipaggiati con un sistema turbocompressore, ma anche per motori non equipaggiati di turbocompressore.
32. Un espansore del vapore secondo la rivendicazione 1 accoppiato ad un compressore nel quale l’aria di ingresso é filtrata con un sistema di filtraggio indipendente da quello normalmente utilizzato dal motore a combustione interna.
33. Scambiatore di calore universale da collegare in modo ermetico, attraverso un’apposita guarnizione e raccordo, alla tubatura della marmitta oppure in sostituzione delia marmitta stessa; detto scambiatore di calore é formato da tubi concentrici chiusi alle estremità da flange saldate (o avvitate con guarnizione); detti tubi concentrici permettono il passaggio dei gas di scarico e del vapore nel loro interno senza contatto fisico tra i due fluidi; alFintemo di uno di detti tubi concentrici fluisce il gas di scarico che trasferisce calore alle pareti del tubo che é a sua volta circondato da un’intercapedine formata da un altro tubo concentrico nel quale viene iniettato il fluido da vaporizzare che riceve calore dalle pareti del tubo nel quale circolano i gas di scarico; il fluido da vaporizzare in detta intercapedine deve compiere un percorso allungato causato da lamelle posizionate in modo da aumentare la superficie di contatto, favorendo il trasferimento del calore, e costringendo il fluido da vaporizzare a rimanere più a lungo all’interno di detta intercapedine; dette lamelle possono formare una struttura elicoidale nel quale il fluido da vaporizzare si “avvita” al suo interno, oppure possono formare degli scompartimenti grossolanamente rettangolari in collegamento idraulico tra loro; detti scambiatori di calore universali consentono una facile installazione e possono essere collegati in serie o parallelo.
34. Prese per l’ingresso/uscita del vapore dagli scambiatori di calore secondo la rivendicazione 33 posizionate sulle flange di chiusura dei tubi concentrici o sul corpo esterno al tubo concentrico contenente l’intercapedine nella quale fluisce il fluido da vaporizzare; dette prese possono essere saldate o filettate sulle flangie o sul corpo esterno e possono essere poste in numero maggiore di uno per flangia in modo da facilitare il collegamento della tubatura del vapore del circuito idraulico della rivendicazione 19 secondo gli spazi e le geometrie consentite dal vano motore a combustione dove gli scambiatori di calore possono essere collocati; se si assume di posizionare due prese per flangia, una presa può essere utilizzata per l’ingresso/uscita del vapore, l’altra per l’inserimento di una sonda di temperatura o di pressione.
35. Involucro formante un’altra intercapedine circondante lo scambiatore di calore della rivendicazione 33; detta intercapedine viene utilizzata per generare il vuoto spinto mediante una apposita valvola per garantire il massimo isolamento tra il tubo concetrico nel quale fluisce il vapore, quello nel quale fluiscono i gas di scarico, e l’ambiente circostante.
36. Raccordi di giunzione dei tubi concentrici delle rivendicazioni 34, formati da giunzioni a qualsiasi angolo che consentono il collegamento in serie o parallelo degli scambiatori di calore della rivendicazione 33; detti raccordi hanno un diametro interno diensionato in modo da formare una guarnizione ermetica e resistente alle alte temperature dei gas di scarico; detti raccordi possono avere il diametro interno coincidente con il diametro esterno dei tubi di marmitta convenzionali per consentire l’unione ermetica tra gli scambiatori di calore e tali tubi; detti raccordi di giunzione possono essere equipaggiati di una valvola per lo spurgo dell’acqua derivante dalla condensazione dei prodotti di combustione.