ITUB20156861A1 - EXOTHERMIC MOTOR WITH DIRECT STEAM GENERATION OF ELECTRONIC WATER INJECTION - Google Patents
EXOTHERMIC MOTOR WITH DIRECT STEAM GENERATION OF ELECTRONIC WATER INJECTION Download PDFInfo
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Description
MOTORE ESOTERMICO CON GENERAZIONE DIRETTA DI VAPORE A INIEZIONE ELETTRONICA DELL’ACQUA. EXOTHERMAL ENGINE WITH DIRECT GENERATION OF STEAM WITH ELECTRONIC WATER INJECTION.
RIASSUNTO SUMMARY
Si tratta di un motore a vapore senza caldaia, mono o pluricilindrico, a bassa pressione alimentato a gas (gpl, metano, idrogeno) per cogenerazione, ad uso domestico e non, di energia elettrica e termica controllato elettronicamente. It is a steam engine without boiler, single or multi-cylinder, low pressure fueled by gas (LPG, methane, hydrogen) for cogeneration, for domestic and non-domestic use, of electronically controlled electrical and thermal energy.
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Nei prossimi venti anni saremo certamente obbligati ad abbassare i livelli di inquinamento globale dovuti ai sottoprodotti di combustione delle macchine endotermiche, esotermiche ed altro, per non peggiorare il delicato equilibrio del confermato riscaldamento del pianeta, che è lento nel reagire ma agisce. Considerando l'imperdonabile ritardo tecnologico nel settore delle energie alternative e propulsive (fare più ricerca in questo settore e meno per i “telefonini”) riscopriamo anche le macchine a vapore innovative per risolvere in parte il problema. I cogeneratori (del tipo elettrico e termico) attuali sono mossi generalmente da motori a scoppio, alimentati a nafta, benzina, gas, ma anche da propulsori tipo stirling, turbina, a vapore ecc. . Tante e diverse soluzioni ma tutte in comune hanno un elenco di difetti che ne limitano l’utilizzo. I più evoluti e perfezionati hanno caratteristiche e rendimenti superiori ma certamente sono più costosi e questo è molto importante perché ne limitano la diffusione. In the next twenty years we will certainly be forced to lower the levels of global pollution due to the combustion by-products of endothermic, exothermic and other machines, in order not to worsen the delicate balance of confirmed global warming, which is slow to react but acts. Considering the unforgivable technological delay in the alternative and propulsive energy sector (to do more research in this sector and less for “mobile phones”) we also rediscover innovative steam engines to partially solve the problem. Current cogenerators (of the electric and thermal type) are generally driven by internal combustion engines, fueled by naphtha, petrol, gas, but also by stirling, turbine, steam engines, etc. . Many and different solutions but all in common have a list of defects that limit their use. The most advanced and perfected have superior characteristics and yields but they are certainly more expensive and this is very important because they limit their diffusion.
Il trovato introduce concetti innovativi su un nuovo tipo di propulsore a vapore che mira soprattutto ad The invention introduces innovative concepts on a new type of steam engine which aims above all at
Abbassare: Lower:
- inquinamento: dovuto all’emissione di sottoprodotti di combustione a temperature elevate per l’ambiente, e indirettamente a manutenzioni varie, es. sostituzione marmitte, fluidi di raffreddamento, ecc.; - pollution: due to the emission of combustion by-products at high temperatures for the environment, and indirectly to various maintenance, eg. replacement of mufflers, cooling fluids, etc .;
- rumorosità: dovuto alla fase di scoppio e espansione dei gas, nonché a molti organi meccanici in movimento (distribuzione, vent., ecc.); - noise: due to the gas explosion and expansion phase, as well as to many moving mechanical parts (distribution, fan, etc.);
- complessità: dovuto a valvole/distribuzione, centraline di accensione, tensori:, meccanismi di servo assistenza, motorini di avviamento e pompe varie, così anche elettroniche in ogni dove; - complexity: due to valves / distribution, ignition control units, tensors, servo assistance mechanisms, starter motors and various pumps, as well as electronic ones everywhere;
- maggiori costi: dovuti all’irrazionale architettura e configurazioni della componentistica lavorata e precollaudata, nonché dall’utilizzo di materiali speciali e sofisticati; - manutenzione extra: dovuto alla complessità e eventuale difettosità della macchina; - higher costs: due to the irrational architecture and configurations of the processed and pre-tested components, as well as the use of special and sophisticated materials; - extra maintenance: due to the complexity and possible defects of the machine;
- consumi: dovuti al rendimento totale dei propulsori, certamente ancora molto bassi per tutti i tipi di motori endotermici conosciuti, o noti come prototipi sperimentali; - dimensioni/peso: dovuti all’architettura e soluzioni tecniche scelte in fase di progettazione. - consumption: due to the total efficiency of the engines, certainly still very low for all types of known endothermic engines, or known as experimental prototypes; - dimensions / weight: due to the architecture and technical solutions chosen during the design phase.
DESCRIZIONE DEL TROVATO DESCRIPTION OF THE FOUND
Nel disegno di fig. 1 tav. 1 abbiamo, visto in sezione, il solo gruppo testa/cilindro di un motore a vapore del tutto normale, nel basamento non raffigurato, a un quattro tempi benzina o diesel tradizionali. In the drawing of fig. 1 tab. 1 we have seen in section only the head / cylinder unit of a completely normal steam engine, in the crankcase not shown, a traditional four-stroke petrol or diesel engine.
Il cilindro C1_, fig. 1 tav, 1 , realizzato con una lega anticorrosione (cuprailumini speciali) non è provvisto di intercapedini o a Iettature per il raffreddamento forzato considerando le basse temperature d’esercizio, ed è fissato tramite le viti Vt al basamento BS1. C1. fig. 1 tav. 1 , è munito di due fori, il primo in basso è una luce di scarico del vapore bassa pressione (LS) con relativo condotto di raccordo espansore (RE), fissato al cilindro con viti, che conduce al condensatore di vapore. Il secondo in alto, è un foro obliquo con battuta (F1) che ospita insieme ad un anello di compressione il gambo dell’iniettore acqua ]JN, fissato con la relativa staffa munita di vite SF. The cylinder C1_, fig. 1 tab, 1, made with an anti-corrosion alloy (special cuprailumini) is not equipped with cavities or jets for forced cooling considering the low operating temperatures, and is fixed by means of the screws Vt to the BS1 base. C1. fig. 1 tab. 1, is equipped with two holes, the first at the bottom is a low pressure steam discharge port (LS) with relative expander connection duct (RE), fixed to the cylinder with screws, which leads to the steam condenser. The second at the top is an oblique hole with stop (F1) which houses, together with a compression ring, the stem of the water injector] JN, fixed with the relative bracket equipped with SF screw.
Il pistone PI, con il cielo sopra la testa cava, completa la parte inferiore del gruppo. Nella parte superiore di fig. 1 tav. 1 abbiamo naturalmente la testata XI che è essa stessa l’elemento essenziale e caratterizzante di questo propulsore a vapore e comprende: il corpo base della testata radiante di calore (T1) che chiude, tramite la guarnizione speciale termoisolante GR, il cilindro CI bloccata con le viti V2 allo stesso. The PI piston, with the crown above the hollow head, completes the lower part of the unit. In the upper part of fig. 1 tab. 1 we naturally have the head XI which is itself the essential and characterizing element of this steam engine and includes: the base body of the radiant heat head (T1) which closes, by means of the special thermal insulating gasket GR, the cylinder CI blocked with screws V2 to the same.
La parte inferiore di TI, fig, 1 tav. 2, è una testata radiante di calore multi coassiale con ampia superficie e un tipo di configurazione per ottenere il massimo scambio termico e la massima pressione del vapore nella direzione del cielo del pistone concavo, evitando dannose contropressioni sfasate, dovute dalle pareti del cilindro (C1) nella fase idi espansione, che peggiorerebbero la silenziosità e il rendimento. The lower part of TI, fig, 1 tab. 2, is a multi coaxial radiant heat head with large surface and a type of configuration to obtain maximum heat exchange and maximum vapor pressure in the direction of the concave piston crown, avoiding harmful offset back pressures, due to the cylinder walls (C1 ) in the expansion phase, which would worsen the silence and performance.
La parte superiore di ΤΊ, fig. 1 tav. 1, è un cilindro che racchiude la camera di combustione catalitica ed è composta da: The upper part of ΤΊ, fig. 1 tab. 1, is a cylinder that encloses the catalytic combustion chamber and is composed of:
- pannello catalitico multistrato PC di forma circolare, con spessoramento assiale per uscita fumi; - circular PC multilayer catalytic panel, with axial shimming for smoke outlet;
- miscelatore/diffusore gas (MGA); - gas mixer / diffuser (MGA);
- termocoppia di “guardia” temperatura TK; - TK temperature "guard" thermocouple;
- elettrodo alta tensione scintillato re/accenditore EA; - sparked high voltage electrode / EA igniter;
- calotta ingresso aria con raccordo GIN; - air inlet cap with GIN fitting;
- calotta anulare uscita fumi COUT; - COUT annular smoke outlet cap;
- sonda termometrica controllo differenza di temperatura con TK esterna/interna STE; - materiale termoisolante MTl. - thermometric probe for temperature difference control with external / internal TK STE; - MTl thermal insulation material.
il tutto alloggiato, disposto e fissato in configurazione coassiale, ispezionarle dall’alto. Sulla tav. 1 fig. 1 le sigle AP, PI, ST, GAS, EHT, TEM, indicano: all housed, arranged and fixed in coaxial configuration, inspect them from above. On plate 1 fig. 1 the abbreviations AP, PI, ST, GAS, EHT, TEM, indicate:
AP → tubo alimentazione acqua a pressione all'iniettore; AP → pressure water supply pipe to the injector;
PI → pilotaggio elettrico dell’iniettore dall”eiettronica; PI → electrical piloting of the injector from the electronics;
ST → uscita segnale sonda termocoppia (TK) che serve l’elettronica; ST → thermocouple probe signal output (TK) which serves the electronics;
- GAS → alimentazione gas modulato (combustibile) al miscelatore/diffusore; - GAS → modulated gas supply (fuel) to the mixer / diffuser;
- EHT → extra alta tensione per lo scintillatore d’accensione del combustore; - EHT → extra high voltage for the combustor ignition scintillator;
- TEM → segnale uscita sonda temperatura testata esterna di “T1”, STE. - TEM → external head temperature probe output signal of “T1”, STE.
DESCRIZIONE FUNZIONAMENTO DEL TROVATO FUNCTIONING DESCRIPTION OF THE FOUND
È decisamente intuitivo, It is very intuitive,
il pistone (P1), fig. 1 tav. 1, dal P.M.l. risale il cilindro (C1), e a circa - 142 gradi chiude la luce di scarico vapore (LS), a - 120 gradi, dipendente dal numero dei giri, e temperatura testata, l'iniettore (IN) nebulizzerà nel cilindro (C1) acqua dosata e demìneraìizzata, abbassandone la temperatura interna, creando in parte una depressione, nella fase successiva della risalita del pistone avverrà una compressione, quindi un aumento di temperatura che avrà il suo “picco” nel P.M.S. dove ci sarà il massimo scambio termico con la testata radiante di calore (T1) la cui superficie è a 380 gradi centigradi, e generazione diretta di vapore a alta pressione 12/15 bar che nell’espansione spingerà il pistone (P1) in basso perdendo in parte la temperatura, che avrà il suo ciclo di lavoro potenziale minimo scoprendo la luce di scarico vapore (LS), dove espanso ulteriormente dal raccordo RE già da subito inizierà il processo di condensazione nel radiatore RC fig. 1 tav. 4, dove avverrà il recupero acqua e il ciclo si ripeterà in due tempi. the piston (P1), fig. 1 tab. 1, by the P.M.l. goes up the cylinder (C1), and at about - 142 degrees closes the steam exhaust port (LS), at - 120 degrees, depending on the number of revolutions, and cylinder head temperature, the injector (IN) will nebulize water in the cylinder (C1) dosed and de-energized, lowering the internal temperature, partially creating a depression, in the subsequent phase of the piston rising there will be a compression, therefore an increase in temperature which will have its "peak" in the TDC. where there will be the maximum heat exchange with the radiant heat head (T1) whose surface is at 380 degrees centigrade, and direct generation of high pressure steam 12/15 bar which in the expansion will push the piston (P1) downwards, losing partly the temperature, which will have its minimum potential duty cycle when uncovering the steam exhaust port (LS), where further expanded by the RE fitting will immediately begin the condensation process in the RC radiator fig. 1 tab. 4, where the water will be recovered and the cycle will be repeated in two stages.
Le preregolazioni dell'iniezione dell’acqua nel cilindro CI da parte di ]N sono elettroniche sia nella durata che nella portata, ottimizzandone il rapporto, che sarà automatico a regime dinamico. The pre-settings of the injection of water into the cylinder CI by] N are electronic both in terms of duration and flow rate, optimizing the ratio, which will be automatic at dynamic regime.
FASI OPERATIVE OPERATIONAL PHASES
Fase 1: comando di accensione [ON] su pannello di controllo, la centralina elettronica CEC fig. 1 tav. 4, fa un’auto diagnosi, e diagnosi delle periferiche (tensione batt.·* motore pompa acqua, termocoppia, sonda temperatura, impedenza iniettore, sonda rtwgas disperso, resistenza di riscaldamento del catalizzatore nella versione raggi infrarossi, ecc.) e subito, se tutto ok, il programma apre la valvola di sicurezza gas (VGS), fig. 1 tav. 4, e con un ritardo di pochi secondi la valvola motorizzata (VGM) che regola la pressione gas di accensione del miscelatore/diffusore (MGA), istantaneamente l'elettrodo scintillatore (EA) accende il mix gas/aria e inizia il processo di combustione nel catalizzatore (PC). La sonda termocoppia (TK) “rivela" la temperatura che sale nel fondello della camera di combustione di XI insieme alla sonda di temperatura esterna (STE) di XI e la differenza dei due valori deve essere sempre coerente, pena il “blocco" del processo e la chiusura della valvola gas di sicurezza VGS e VGM. Da programmazione elettronica, raggiunti da X1 185 gradi centigradi già la macchina può essere avviata ma è bene aspettare l’illuminazione di un led verde che indica la temperatura minima d’esercizio della testa radiante di calore XI, che è di circa 380 gradi centigradi (modulabili), e può essere portata tranquillamente oltre i 500 gradi con tarature elettroniche specifiche, con tutti i vantaggi sull’aumento del numero di giri e risposta alle accelerazioni. Phase 1: ignition command [ON] on the control panel, the CEC electronic control unit fig. 1 tab. 4, carries out a self-diagnosis, and diagnosis of the peripherals (batt. Voltage * water pump motor, thermocouple, temperature probe, injector impedance, lost rtwgas probe, heating resistance of the catalyst in the infrared version, etc.) and immediately, if everything is ok, the program opens the gas safety valve (VGS), fig. 1 tab. 4, and with a delay of a few seconds the motorized valve (VGM) that regulates the ignition gas pressure of the mixer / diffuser (MGA), instantly the scintillator electrode (EA) ignites the gas / air mix and starts the combustion process in the catalyst (PC). The thermocouple probe (TK) "reveals" the temperature rising in the bottom of the combustion chamber of XI together with the external temperature probe (STE) of XI and the difference of the two values must always be consistent, otherwise the process will "block" and the closure of the safety gas valve VGS and VGM. From electronic programming, reached from X1 185 degrees centigrade the machine can already be started but it is good to wait for the illumination of a green LED that indicates the minimum operating temperature of the radiant head of heat XI, which is about 380 degrees centigrade ( modulable), and can be easily brought over 500 degrees with specific electronic calibrations, with all the advantages on the increase of the number of revolutions and response to accelerations.
La temperatura su XI fig. 1 tav. 1 viene mantenuta continuamente modulata, dal circuito combinato di controreazione TK STE VGM; The temperature on XI fig. 1 tab. 1 is kept continuously modulated by the combined feedback circuit TK STE VGM;
Fase 2: avviamento motore Phase 2: engine start
avviene con un potenziometro, manuale o a pedale dalla posizione zero fermo a scelta di valori più alti che vanno a comandare, tramite l’elettronica, la portata dell’iniezione d’acqua di IN nel cilindro (C1) che determinerà potenza e giri, che rimarranno costanti dopo la regolazione, anche con carichi diversi perché stabilizzati dal sensore di posizione (SP) fig. 1 tav. 4, montato a rilevare gradi d’angolo e giri di una ruota incrementale montata in asse sull’albero motore di questo propulsore; takes place with a potentiometer, manual or pedal from the zero position stopped at choice of higher values that go to control, through the electronics, the flow rate of the water injection of IN into the cylinder (C1) which will determine power and revolutions, which they will remain constant after adjustment, even with different loads because they are stabilized by the position sensor (SP) fig. 1 tab. 4, mounted to detect degrees of angle and revolutions of an incremental wheel mounted in axis on the crankshaft of this engine;
Fase 3: spegnimento motore Phase 3: engine shutdown
Portando a zero il potenziometro reg. accelerazione, e comando di accensione su [OFF], in questo caso vengono chiuse le valvole di sicurezza VGS VGM quindi non è più in attesa. By setting the reg. acceleration, and ignition command to [OFF], in this case the safety valves VGS VGM are closed so it is no longer waiting.
NOTE NOTE
1) Il cilindro (C1) può essere realizzato anche con acciai inox o materiali ceramizzati, la testa radiante (T1) con leghe Cu-Ni-Si ed altre; 1) The cylinder (C1) can also be made with stainless steel or ceramic materials, the radiant head (T1) with Cu-Ni-Si alloys and others;
2) È indispensabile l’utilizzo di acqua demineralizzata o piovana per alimentare l'iniettore |N o iniettori; 2) It is essential to use demineralized or rain water to feed the injector | N or injectors;
3) Nel motore monocilìndrico è indispensabile il motorino d’avviamento ... non nei pluricilindrici che sono una soluzione vantaggiosa anche per altri aspetti; 3) The starter motor is essential in the single-cylinder engine ... not in the multi-cylinder engines which are an advantageous solution for other aspects as well;
4) Il pistone (P1) ha fasce di tenuta anche nella parte bassa per non permettere l’eventuale emulsione olio vapore sul condensatore, ma è allo studio una lubrificazione sul basamento con lo stesso vapore di condensa; 4) The piston (P1) has sealing bands also in the lower part to prevent any oil vapor emulsion on the condenser, but lubrication on the base with the same condensate vapor is being studied;
5) L’anticipo iniezione acqua nel cilindro da parte di |N è in rapporto, naturalmente, con i giri del motore e la temperatura relativa della testa radiante multi coassiale XI con un algoritmo mem. sull’elettronica; 5) The advance of water injection into the cylinder by | N is, of course, in relation to the engine revolutions and the relative temperature of the XI multi coaxial radiant head with a mem algorithm. on electronics;
6) La modulazione della temperatura della testata radiante (T1) è ovviamente dipendente dalla richiesta dì potenza e giri, e scende in automatico a 140 gradi centigradi, regolabili, se non c’è carico; 6) The modulation of the temperature of the radiant head (T1) is obviously dependent on the demand for power and rpm, and automatically drops to 140 degrees centigrade, adjustable, if there is no load;
7) Può essere recuperata energia termica dal condensatore di vapore (RC), fig. 1 tav. 4 (si chiede protezione per il solo motore, non del cogeneratore); 7) Thermal energy can be recovered from the vapor condenser (RC), fig. 1 tab. 4 (protection is requested for the motor only, not for the cogenerator);
8) L’alimentazione dell’elettronica è a 12 V. da batteria ricaricata dallo stesso generatore elettrico azionato; 8) The electronics power supply is 12 V. from a battery recharged by the same electric generator operated;
9) È previsto naturalmente un rivelatore ambiente di gas, e CO<2>; 9) Naturally, an ambient gas detector is provided, and CO <2>;
10) Una serie di dispositivi (filtro acqua di condensa, depressori, rubinetti, calotte di isolamento termico, ecc.); non descritti hanno funzioni secondarie; 10) A series of devices (condensate water filter, depressors, taps, thermal insulation caps, etc.); not described have secondary functions;
11) 1 disegni delle tavole 3 e 4 raffigurano particolari meccanici e lo schema d’insieme dei collegamenti elettrici e idraulici del motore con le unità periferiche, asservite o al servizio. 11) 1 drawings of tables 3 and 4 depict mechanical details and the overall diagram of the electrical and hydraulic connections of the motor with the peripheral units, enslaved or in service.
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2015
- 2015-11-16 IT ITUB2015A006861A patent/ITUB20156861A1/en unknown
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