ITVE20060082A1 - Dispositivo per la rimozione di polveri sottili dai gas di scarico generati dai motori a combustione - Google Patents

Description

CELLINI FRANCESCO E CELLINI ENRICO - SPINEA (VE)

TITOLO

DISPOSITIVO PER LA RIMOZIONE DI POLVERI SOTTILI

DAI GAS DI SCARICO GENERATI DAI MOTORI A

5 COMBUSTIONE

DESCRIZIONE

Il presente brevetto è attinente ai dispositivi per la depurazione dei gas di scarico di motori a combustibile ed in particolare concerne un nuovo dispositivo per la rimozione delle polveri sottili, o PM10, dai gas di scarico 10 generati da motori a combustibile, con particolare riferimento ai motori Diesel.

I gas di scarico prodotti dalla combustione che avviene nei motori a scoppio contengono principalmente anidride carbonica e vapor d’acqua, non immediatamente pericolosi per l’uomo e l’ambiente, e una pluralità di 15 sottoprodotti di combustione quali idrocarburi incombusti, monossido di carbonio, ossidi di azoto, VOC, e altre sostanze altamente inquinanti e dannose per l’uomo e per l’ambiente.

Sono noti i dispositivi per la depurazione dei gas di scarico emessi dai motori a combustibile, volti a ridurre l’emissione di sostanze inquinanti e 20 particolarmente di monossido di carbonio, ossidi di azoto, idrocarburi incombusti.

È noto il convertitore catalitico, comunemente chiamato marmitta catalitica, montato sullo scarico dei motori a combustibile, avente la duplice funzione di ridurre le emissioni sonore e di abbattere le emissioni nocive di gas di 25 scarico del motore.

Il noto convertitore catalitico è costituito sostanzialmente di un involucro metallico contenente un supporto ceramico, o metallico, ad elevata superficie specifica, sulla quale è depositato il materiale catalitico attivo, cioè una miscela di metalli nobili (platino, palladio, rodio).

5 Il gas di scarico prodotto dalla combustione del motore viene fatto fluire all’interno di detto involucro, sulla superficie di detto materiale catalitico attivo, avente la funzione di far avvenire reazioni ossidative e/o riduttive. Tali reazioni provocano la sensibile rimozione delle sostanze inquinanti che si formano o permangono durante la combustione, e particolarmente degli 10 idrocarburi incombusti, del monossido di carbonio e degli ossidi di azoto.

I convertitori catalitici noti hanno però un rendimento di abbattimento delle sostanze inquinanti dipendente da numerosi fattori, quali la temperatura di esercizio dello strato catalitico, il rapporto stechiometrico della miscela aria combustibile, lo stato di invecchiamento del supporto ceramico, eccetera. 15 In particolare, la temperatura dello strato catalitico dev’essere pari a circa 350°C per assicurare un’efficace abbattimento, condizione che si verifica solo qualche minuto dopo l’accensione. In sostanza, durante i primi minuti dopo l’avvio del motore, l’efficacia di abbattimento degli inquinanti è estremamente limitata.

20 D’altra parte, le elevate temperature di esercizio provocano l’invecchiamento del supporto del catalizzatore, riducendo l’efficienza del dispositivo.

Inoltre, la nota marmitta catalitica non contribuisce sostanzialmente all’abbattimento sostanziale delle polveri sottili, o particolato, comunemente 25 chiamato PM10, cioè l’insieme delle particelle solide o liquide sospese nell'aria, aventi diametro caratteristico uguale o inferiore a 10 µm.

Il PM10, uno degli inquinanti più noti e dannosi, è presente nell’aria in concentrazioni molto elevate. Le cause e le fonti di emissione di PM10 sono sia di tipo naturale, come l’erosione del suolo, i pollini e le spore, sia di tipo 5 antropico.

In particolare, nelle aree urbane, le principali fonti di emissione sono rappresentate dal traffico autoveicolare e, più marginalmente, dalle emissioni industriali.

Il PM10 è estremamente pericoloso per l’uomo, poiché le polveri fini 10 possono essere inalate e raggiungere il polmone profondo, interferendo con l’attività respiratoria dei bronchioli e degli alveoli polmonari.

Inoltre, spesso, tra le polveri sottili sono presenti microinquinanti molto nocivi per l’uomo, come metalli pesanti in traccia ed idrocarburi policiclici aromatici, che possono causare infiammazioni, fibrosi e neoplasie.

15 Il PM10 ha anche importanti effetti negativi sull’ambiente, poiché comporta alterazioni delle proprietà fisiche dell’atmosfera, come la visibilità, la riflessione e la rifrazione della luce.

E’ noto inoltre il problema dell’annerimento delle pareti esterne degli edifici e dei monumenti, provocato dall’adesione del particolato sulla superficie 20 esterna dei manufatti.

Il problema della concentrazione di PM10 nell’atmosfera è tutt’oggi un problema estremamente sentito, cui si cerca di far fronte con misure restrittive del traffico, mentre non sono noti dispositivi in grado di limitare l’emissione di particolato nell’atmosfera attraverso i gas di scarico dei 25 motori a combustione.

Per ovviare a tutti i suddetti inconvenienti si è studiato e realizzato un nuovo tipo di dispositivo per la rimozione delle polveri sottili dei gas di scarico generati da motori a combustibile.

Compito principale del presente trovato è abbattere l’emissione di polveri 5 sottili dai gas di scarico generati dai motori a combustibile, in particolare dai motori Diesel.

Altro scopo del presente trovato è essere applicato in aggiunta ai noti dispositivi di depurazione comunemente installati negli automezzi, aumentando l’efficacia complessiva di abbattimento degli inquinanti 10 generati.

Altro scopo del presente trovato è avere efficienza di abbattimento costante, indipendente dalle condizioni di temperatura, dal carburante utilizzato, dallo stato di invecchiamento e di usura, eccetera.

Uno dei vantaggi del presente trovato consiste nel poter essere installato a 15 valle del convertitore catalitico sia negli autoveicoli in fase di assemblaggio, sia negli autoveicoli già assemblati e commercializzati.

Questi ed altri scopi, diretti e complementari, sono raggiunti dal nuovo dispositivo per la rimozione delle polveri sottili dai gas di scarico emessi da motori a combustibile, in particolare dai motori Diesel.

20 Il presente trovato è frutto della realizzazione di prove tecniche eseguite sui gas di scarico prodotti da autoveicoli muniti di convertitore catalitico.

Il nuovo dispositivo per la rimozione delle polveri sottili dai gas di scarico è costituito nelle sue parti principali da un condensatore dei gas di scarico, da un separatore gas-condense e relativi condotti di scarico dei gas e di filtro 25 della condensa o suo eventuale ricircolo.

Nel dettaglio, detto condensatore comprende un involucro tubolare realizzato in materiale idoneo, preferibilmente metallico, installabile al condotto di scarico degli autoveicoli noti, a valle del convertitore catalitico. I gas di scarico prodotti dalla combustione del motore fluiscono all’interno 5 di detto involucro, dopo aver subito i trattamenti di abbattimento di sostanze inquinanti, quali CO, NOx, HC.

Detto involucro tubolare è internamente dotato di un sistema alettato con funzione di mix e scrubber ad alta efficienza, atto ad aumentare sia la superficie specifica di contatto del gas con le pareti interne dell’involucro, 10 sia il tempo di permanenza del gas all’interno dell’involucro stesso.

Detto involucro tubolare è inoltre rivestito con almeno una camicia esterna, che realizza un’intercapedine per la circolazione di fluido refrigerante, quale glicole, freon o altro.

In alternativa, detto condensatore può comprendere una serpentina di 15 raffreddamento avvolta intorno a detto involucro o alloggiata al suo interno.

I gas di scarico, in uscita dal convertitore catalitico e in entrata nel nuovo dispositivo di rimozione dei PM10, hanno una temperatura di circa 72°C. All’interno di detto condensatore avviene il raffreddamento dei gas di scarico, fino alla temperatura di circa 20°C, e viene conseguentemente 20 provocata la condensazione di parte del vapore acqueo prodotto dalla combustione e contenuto in detti gas di scarico.

Il gas saturo d’acqua in uscita dal condensatore risulta privo di particolato, come hanno evidenziato una serie di test del “nerofumo” eseguiti con garze bianche sterili poste a distanza ravvicinata dall’imboccatura di uscita del 25 gas.

In pratica, il particolato viene trasferito nell’acqua di condensa, assieme ad altri sottoprodotti di combustione organici solubili. In sostanza, l’impiego del nuovo dispositivo di depurazione applicato a valle della marmitta catalitica, per il trattamento dei gas di scarico prodotti dalla combustione nei 5 motori a scoppio, consente di ridurre drasticamente l’emissione in aria di particolato sottile e di altri sottoprodotti della combustione.

Queste sostanze non vengono quindi liberate nell’atmosfera come gas, ma vengono scaricate con l’acqua di condensa e non possono pertanto essere inalate dalle persone, né possono provocare alterazioni nelle condizioni 10 dell’atmosfera.

Il presente trovato comprende anche un separatore gas-condensa, posto a valle di detto condensatore, all’interno del quale la condensa viene separata dal flusso di gas di scarico sovrasaturo d’acqua. Detta separazione avviene ad esempio per coalescenza delle microgocce d’acqua mediante sistema 15 filtrante a membrane o a griglie.

Detto gas di scarico, privo di particolato, viene emesso all’esterno attraverso apposito condotto di scarico.

La soluzione preferita prevede che la condensa venga fatta fluire in un filtro ai carboni attivi e successivamente venga scaricata direttamente a terra. 20 In alternativa al passaggio attraverso il filtro ai carboni attivi e seguente scarico, l’acqua di condensa può essere ricircolata a monte di detto condensatore, e immessa in un pre-riscaldatore/evaporatore. All’interno di detto pre-riscaldatore/evaporatore, l’acqua di condensa viene riscaldata per effetto del passaggio dei gas di scarico generati dalla combustione e aventi 25 una temperatura di circa 70-75°C. In questo modo vengono recuperati i vapori organici incombusti presenti nell’acqua di condensa.

L’acqua di condensa, così ulteriormente depurata, viene quindi scaricata, mentre i vapori organici vengono alimentati in aspirazione al motore, riducendo pertanto ulteriormente gli sprechi e i consumi.

5 E' possibile prevedere che l'acqua di condensa sia avviata ad altri trattamenti esterni.

Le caratteristiche del presente trovato saranno meglio chiarite dalla seguente descrizione con riferimento alla tavola di disegno, allegata a titolo di esempio non limitativo.

10 In figura 1 è visibile una rappresentazione schematica del nuovo dispositivo (K), nella soluzione con pre-riscaldatore/evaporatore (E).

In figura 2 è rappresentata una possibile applicazione del presente trovato ad un autoveicolo provvisto di convertitore catalitico.

Il nuovo dispositivo (K) per la rimozione delle polveri sottili dai gas di 15 scarico è costituito nelle sue parti principali da un condensatore (C) dei gas di scarico, da un separatore gas-condense (S) e relativi condotti di scarico (U) dei gas, da un filtro a carboni attivi (M) con condotto di eventuale ricircolo (R) della condensa.

Detto condensatore (C) comprende un involucro tubolare (T) con 20 un’estremità (I) conformata in modo da consentire l’installazione del nuovo dispositivo (K) al condotto di scarico (X) degli autoveicoli noti, a valle del convertitore catalitico (M).

I gas di scarico prodotti dalla combustione del motore fluiscono all’interno di detto involucro (T), internamente dotato di un sistema alettato (A) con 25 funzione di mix e scrubber ad alta efficienza. Detto involucro tubolare (T) è inoltre rivestito con almeno una camicia (V) esterna, che realizza un’intercapedine (D) per la circolazione di fluido refrigerante (F), quale glicole, freon o altro.

All’interno di detta intercapedine (D) può essere collocato un sensore (H) di 5 regolazione di alimentazione del refrigerante (F), collegato ad apposita valvola (J).

All’interno di detto condensatore (C) avviene la condensazione di parte del vapore acqueo prodotto dalla combustione e contenuto in detti gas di scarico.

10 A valle di detto condensatore (C) è collocato un separatore (S) gascondensa, all’interno del quale la condensa viene separata dal flusso di gas di scarico sovrasaturo d’acqua.

Detto gas di scarico, privo di particolato, viene emesso all’esterno attraverso detto condotto di scarico (U).

15 La condensa prodotta da detto condensatore (C) può essere avviata verso dei trattamenti esterni (Z), oppure può essere preferibilmente avviata da una apposita pompa (P) verso un filtro a carboni attivi (N) e successivamente scaricata come acqua depurata, oppure ricircolata (R) a monte di detto condensatore (C) ed immessa in un pre-riscaldatore/evaporatore (E).

20 All’interno di detto pre-riscaldatore/evaporatore (E) vengono recuperati i vapori organici incombusti presenti nell’acqua di condensa.

L’acqua di condensa, così ulteriormente depurata, viene quindi scaricata (Q), mentre i vapori organici (W) vengono alimentati in aspirazione al motore, riducendo pertanto ulteriormente gli sprechi e i consumi.

25 Una valvola a tre vie (G) oppure due distinte valvole convogliano la condensa verso il filtro a carboni attivi (N) o verso il preriscaldatore/evaporatore (E).

Queste sono le modalità schematiche sufficienti alla persona esperta per realizzare il trovato, di conseguenza, in concreta applicazione potranno 5 esservi delle varianti senza pregiudizio alla sostanza del concetto innovativo.

Pertanto con riferimento alla descrizione che precede e alla tavola acclusa si esprimono le seguenti rivendicazioni.

Claims (7)

1. RIVENDICAZIONI 1. Nuovo dispositivo (K) di depurazione dei gas di scarico generati dai motori a combustibile ed emessi da relativi condotti di scarico (X), caratterizzato<dal fatto di comprendere:> 5 • un condensatore (C) di detti gas di scarico formato da un involucrotubolare (T) con sistema alettato (A) interno e camicia (V) di rivestimento e/o serpentina per la circolazione di fluido refrigerante (F), e dove detto condensatore (C) provoca la condensazione del vapor d’acqua contenuto in detti gas di scarico (X) e la solubilizzazione del 10 particolato e di altri sottoprodotti organici di combustione; • un separatore (S) gas-condense, posto a valle di detto condensatore (C),e all’interno del quale avviene la separazione di detta acqua di condensa dal gas sovrasaturo d’acqua, che viene scaricato in atmosfera attraverso<apposito condotto di scarico (U);> 15 • una pompa (P) atta a convogliare l’acqua di condensa prodotta da detto<condensatore (C) verso un filtro a carboni attivi (N);> • un filtro a carboni attivi (N) atto a separare l'acqua di condensa dalparticolato e dalle polveri in essa disciolti.
2. 2. Dispositivo (K) di depurazione, come da rivendicazione 1, caratterizzato dal 20 fatto di essere installato su detto condotto di scarico (X) del motore a combustibile, a valle di un convertitore catalitico.
3. 3. Dispositivo (K) di depurazione, come da rivendicazioni 1, caratterizzato dal fatto che detto separatore (S) gas-condense è un dispositivo di filtrazione a coalescenza. 25
4. 4. Dispositivo (K) di depurazione, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere un pre-riscaldatore/evaporatore (E) posto a monte di detto condensatore (C) ed una valvola a tre vie (G) posta fra l'uscita di detta pompa (P), detto pre-riscaldatore/evaporatore (E) e detto filtro a carboni attivi(N), e dove detta valvola a tre vie (G) convoglia l'acqua 5 di condensa proveniente dal separatore (S) e mandata da detta pompa (P) in detto pre-riscaldatore/evaporatore (E), e dove detta acqua di condensa, riscaldata per effetto del passaggio di detti gas di scarico, rilascia i vapori organici e gli incombusti (W), che vengono alimentati in aspirazione al motore. 10
5. 5. Dispositivo (K) di depurazione, come da rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta acqua di condensa (Q) in uscita da detto preriscaldatore/evaporatore (E), depurata dai vapori organici, viene scaricata all’esterno del dispositivo (K) stesso.
6. 6. Dispositivo (K) di depurazione, come da rivendicazioni precedenti, 15 caratterizzato dal fatto di comprendere un ulteriore scarico (Z) dell'acqua di condensazione da avviare ad un trattamento esterno.
7. 7. Dispositivo (K) di depurazione, come da rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di comprendere almeno un sensore (H) di regolazione dell’alimentazione del fluido refrigerante (F), collocato internamente 20 all’intercapedine (D) realizzata tra detta camicia (V) esterna di rivestimento e la parete di detto involucro tubolare (T) di detto condensatore (C).