IT201600109618A1 - Gassificatore catalitico per motori a combustione interna - Google Patents

Description

1.3 DESCRIZIONE dell’invenzione avente per TITOLO: “Gassificatore Catalitico per motori a combustione interna”, a nome di Condello Giovanni.

Testo della Descrizione

Settore della tecnica

La presente invenzione si riferisce ad un apparato catalitico per la gassificazione del carburante nei motori a combustione interna. Più specificamente, si riferisce ad un apparato in grado di fornire quantità di vapore costante, mantenendo omogenea la temperatura della miscela.

Stato dell'arte

Per gassificare un combustibile liquido, ci sono diversi sistemi.

Uno di questi comprende la miscelazione del carburante nebulizzato con un gas caldo, come ad esempio vapore surriscaldato che fornisce il calore richiesto per la vaporizzazione del carburante. Il problema di questo metodo è che è richiesta una produzione di calore molto elevata per produrre il gas caldo.

Un secondo sistema prevede l'utilizzo di sistemi spray, in grado di atomizzare il carburante in maniera più controllata, garantendo teoricamente una distribuzione di flusso pressoché costante. Nella realtà però non si riesce a produrre contemporaneamente goccioline molto piccole e uniformi miscelate in maniera opportuna con il flusso d'aria per ottenere la miscela stechiometrica esatta ed alla temperatura giusta.

Un altro sistema prevede lo scambio termico attraverso una parete calda. Questo sistema non fornisce normalmente un elevato tasso di vaporizzazione, ed anche l'utilizzo di monoblocchi di materiale catalitico attraverso i quali far passare il carburante liquido, sebbene migliori la produzione di vapore, porta comunque alla formazione di depositi che viaggiano lungo le tubazioni, ostruendole. ]] gassificatore, oggetto di questa invenzione, ovvia a questo inconveniente. Infatti la contemporanea presenza nella camera di vaporizzazione, di strati catalitici microforati sulle pareti della camera e di pastigliole catalitiche presenti nel volume inferiore della camera, contenute in dischi ceramici multiporosi, consente la produzione di grandi e costanti quantità di vapore che garantiscono la fornitura di gas al sistema di igniezione e contemporaneamente distribuiscono in maniera costante il calore all'interno della camera, ostacolando anche la formazione di depositi solidi, faciiitati invece dalla presenza di zone più fredde.

Descrizione dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un apparato catalitico che realizza la gassificazione del carburante ottenendo un'efficiente combustione della miscela combustibile-comburente presente nei motori a combustione interna. Il sistema migliora la combustione di un motore a benzina o diesel, aumentandone nel contempo anche l'efficienza. Quando un motore a combustione interna è in funzione, parte delle molecole del carburante non subisce una combustione completa creando delle emissioni indesiderate; le catene idrocarburiche più lunghe non evaporano fino alla fine del processo di combustione, quindi si ritiene opportuno catalizzare Le molecole dei carburante per un suo più efficiente utilizzo in tale processo.

Descrizione delle figure

• la Fig.1 mostra la sezione longitudinale del gassificatore catalitico per motori a combustione interna, nella configurazione preferita della presente invenzione. L'elemento 1 di Fig. 1 rappresenta la prima camera di gassificazione mentre l'elemento 2 di Fig, 1 rappresenta la seconda camera di gassificazione o più propriamente " camera di riscaldamento".

• La Fig. 2 mostra la sezione longitudinale della prima camera di gassificazione del gassificatore catalitico per motori a combustione interna nella configurazione preferita della presente invenzione. L'elemento 1 di Fig. 2 rappresenta la prima camera di. gassificazione, l'elemento 3 di Fig.2 rappresenta il tubo di pescaggio del carburante liquido; l'elemento 4 di Fig. 2 rappresenta l'ugello di immissione del carburante liquido; l’elemento 5 di Fig.2 rappresenta il canale di uscita del gas; l'elemento 6 di Fig.2 rappresenta lo strato catalitico circolare superiore in ottone bucherellato; l'elemento 7 di Fig.2 rappresenta il primo strato di materiale catalizzatore; l'elemento 8 di Fig. 2 rappresenta il secondo strato di materiale catalizzatore; l'elemento 9 di Fig.2 rappresenta il terzo strato di materiale catalizzatore; l'elemento 10 di Fig.2 rappresenta lo strato catalitico circolare inferiore in ottone bucherellato; l'elemento 11 di Fig.2 rappresenta il tappo inferiore che contiene al suo interno una valvola di sovrappressione schematizzata come elemento 12 di Fig.2. l'elemento 13 di Fig.2 rappresenta i dischi ceramici multi-porosi contenenti alcune pastigliette metalliche catalitiche. L'elemento 14 di Fig.2 rappresenta lo strato catalitico circolare intermedio in ottone bucherellato.

la Fig.3 mostra la seconda camera di gassificazione, indicata col numero 2 che è presente anche in Fìg. 1. L'elemento 15 dì Fig. 3 rappresenta il condotto di ingresso del refrigerante del motore, l’elemento 16 di Fig. 3 rappresenta il condotto di uscita del refrigerante del motore, l'elemento 17 di Fig. 3 rappresenta la valvola ìimitatrice di temperatura.

Descrizione di una forma preferita di realizzazione dell'invenzione

In una forma preferita di realizzazione dell'invenzione, il dispositivo, è formato da un cilindro metallico esterno(Fig,1 elemento 2 e Fig. 3 elemento 2) contenente un cilindro interno (Fig.1 elemento 1 e Fig. 2 elemento 1)e quindi di diametro inferiore. I due cilindri sono realizzati in acciaio inox. Il cilindro esterno ha la funzione dì camera di riscaldamento che trae calore dal liquido refrigerante del motore, il quale sottrae calore al motore e lo cede alla camera di riscaldamento, riscaldandola. La camera di riscaldamento trasmette calore, soprattutto per conducibilità termica, al cilindro interno. Quest'ultimo è la camera di gassificazione del carburante liquido ed ha al suo interno determinati catalizzatori. Gli elementi catalitici contenuti nella camera di gassificazione sono costituiti da un insieme di strati di metalli diversi ma tutti ionizzati a potenziale positivo e che fungono da catalizzatori(in Fig.2 l'elemento 7 è il primo strato; in Fig.2 l'elemento 8 è il secondo strato; in Fig.2 elemento 9 è il terzo strato). ! dischi(Fig,2 elementi 13) che racchiudono le sfere sono ceramici multi-porosi ottenuti da una miscela di polvere di bario e titanio, che viene compressa per formare il composto bario titanato. Il tipo di miscela e lo spessore determinano la resistenza elettrica dei dischi.

Quando il liquido di raffreddamento del motore viene deviato attraverso la camera di riscaldamento(Fig.1 elemento 1 e Fig. 2 elemento 1 ), il calore viene trasferito alla camera di gassificazione (Fig. 1 elemento 2 e Fig. 3 elemento 2), riscaldando il carburante liquido, li carburante riscaldato, mentre comincia a trasformarsi in gas, viene in contatto con l’insieme dei catalizzatori che ne facilitano il passaggio allo stato gassoso, rilasciando anche una certa quantità di idrogeno libero; questo produce una miscela gassosa di aria e idrogeno e combustibile gassificato, che fluisce attraverso l'uscita del dispositivo dirigendosi al motore per la combustione. Poi il carburante, allo stato gassoso, passa attraverso l'ugello di uscita del gas ( Fig.2 elemento 5) e va nel percorso classico presente in tutti i motori e perciò qui non rappresentato, che lo porta agii iniettori del motore a combustione interna, dove si realizza una combustione più efficiente. E' noto che un motore a combustione interna brucia solo una parte del carburante, il resto è perso in emissioni nei gas di scarico; l'efficienza del carburante potrebbe quindi essere migliorata mediante la catalizzazione e gassificazione del combustibile, prima che questo venga introdotto nelle camere di combustione del motore. Qui di seguito si riporta il dispositivo oggetto della presente invenzione nella sua realizzazione preferita:

E E' presente una prima camera avente forma cilindrica interna, costituita dai seguenti elementi.

Tre o più strati di catalizzatori: in Fig.2 l'elemento 7 è il primo strato; in Fig.2 l’elemento 8 è il secondo strato; in Fig.2 elemento 9 è il terzo strato.

· un ingresso per ricevere un combustibile liquido(Fig.2 elemento 3);

• un'uscita per lo stesso combustibile(Fig.2 elemento 4) che è l'ugello di immissione del carburante nel condotto che porta al motore , - un'uscita del gas (Fig.2 elemento 5) prodotto;

• tre piatti catalitici in ottone bucherellato (Fig. 2 elementi 6, 10 e 14);

- un'uscita di ritorno (Fig.2 elemento 11) del carburante al sistema di alimentazione principale;

<■>una sonda (Fig.2 elemento 12) che comunica con la valvola di arresto del flusso di carburante liquido o valvola di dosaggio;

<»>dei dischi ceramici multi-porosi (Fig.2 elementi 13) contenenti pastigliette composte da elementi scelti nel gruppo costituito da platino, iridio, palladio, o da metalli come Nichel, Rame Zinco ricoperti galvanicamente da platino o iridio o palladio

• Ε' presente una seconda camera di forma cilindrica(Fig. 1 elemento 2 e Fig. 3 elemento 2) con intercapedine in cui circola liquido caldo che , fornisce calore alla prima camera di gassificazione ad una temperatura predisposta, li sistema di riscaldamento è fisicamente collegato ai sistema di raffreddamento del motore. Il liquido refrigerante che sottrae calore al motore a combustione, lo cede alla prima camera.

La pompa del carburante, presente nel serbatoio del motore, invia il combustibile alla linea di mandata del gassificatore e l'ugello (Fig.2 elemento 4) lo inietta nella pnma camera di gassificazione (Fig. 1 elemento 1 e Fig. 2 elemento 1). Il liquido refrigerante del motore fornisce calore alla seconda camera di gassificazione, ossia quella esterna che poi lo cede alla prima camera che viene scaldata insieme agli strati metallici dei catalizzatori (Fig. 2 elementi 6, 7, 8, 9). Il carburante fluisce poi negli stadi dei catalizzatori e così raggiunge lo stato di gas. Come già detto si libera anche una certa quantità di idrogeno. La miscela così prodotta esce dal condotto 16 di Figura 3 e una valvola di dosaggio (Fig. 3 elemento 17) lo dosa in una quantità specifica prima di consentire ad una altra quantità di carburante liquido di entrare nella camera di gassificazione. Il combustibile gassificato, uscito dalla camera di gassificazione e dosato dalla valvola, viene inviato agli iniettori delle camere di combustione del motore; il calore, grazie alla presenza dei catalizzatori, è sufficiente a portare il carburante dallo stato liquido allo stato gassoso e il gas così.prodotto viene indirizzato agli iniettori. Nell'alloggiamento della camera di gassificazione, come già detto, vi sono disposti dischi ceramici multi-porosi contenenti pastigliette (Fig 2 elementi 13) catalitiche, e che vengono utilizzati nell'operazione di scambio termico. Il carburante gassificato non utilizzato dagli iniettori, passa attraverso un regolatore secondario e ritorna al serbatoio tramite la linea dì ritorno, raffreddandosi e condensando mentre viaggia verso il serbatoio. Il dispositivo comprende, inoltre, una valvola di sicurezza posizionata all'interno del collettore (Fig. 2, elemento 11 ), configurata per aprirsi, quando la pressione all'interno della prima camera chiusa, supera una soglia predeterminata e per dirigere il combustibile gassificato verso al sistema di alimentazione del motore. Tramite una doppia - via, il combustibile liquido può passare direttamente dalla linea di alimentazione del gassificatore al sistema di alimentazione tradizionale del motore a combustione. Il sistema doppia - via è configurato per essere aperto solo quando la prima camera non può fornire la giusta quantità di combustibile allo stato di gas, ossia quando questo è insufficiente a soddisfare le richieste della combustione interna del motore. La prima camera dispone di un condotto di scarico (Fig. 2 elemento 3) del carburante liquido che è collegato al sistema di alimentazione, ossia ritorna a monte della camera. La prima camera comprende un'estremità superiore ed un'estremità inferiore; la presa del combustibile in stato di gas (Fig. 2 elemento 5), si trova in prossimità dell'estremità superiore. Se la pressione del gas nella prima camera supera una soglia predeterminata e quindi la valvola di sovrappressione dirige il combustibile gassificato nella linea di alimentazione del combustibile liquido attraverso l'elemento 11 di Fig.2., il dispositivo garantisce comunque una portata di carburante sufficiente a soddisfare le esigenze di combustione. Qualora questo non si verifichi, invia un segnale elettrico alla valvola a doppia - via e in tal caso il motore continua a funzionare in regime ordinario. Il dispositivo ha la possibilità, tramite una valvola, di chiudere il flusso· del liquido riscaldante qualora la temperatura superi una soglia predeterminata.

Sistema di controllo

La maggior parte degli autoveicoli sono oggi dotati di centralina elettronica. Esistono dei sensori che misurano le emissioni di scarico, controllano i parametri di alimentazione e molto alto ancora. La centralina utilizza informazioni dal sensore di ossigeno (02) per determinare il rapporto aria/combustibile della miscela, quindi per capire se la miscela è troppo ricca o troppo magra, infatti la maggior parte dei veicoli sono progettati per funzionare ad un rapporto stechiometrico aria/benzina di 14,7 a 1. Tutto ciò è compatibile con la presente invenzione, per cui non si dovrebbero incontrare dei problemi con i parametri impostati dal computer dell’autoveicolo. Quando entra in funzione il gassificatore, si ha un leggero aumento di ossigeno e il rapporto aria/combustibile viene leggermente modificato. Se ciò dovesse comportare dei problemi per qualche motore particolare, basterebbe collegare un circuito tra ii sensore e la centralina per compensare e regolare il segnale dei sensore.

I Materiali

La prima camera è in acciaio inox. La camera ha forma cilindrica, di spessore realizzabile tra i 2,5 e i 3mm massimo. A questo spessore va aggiunto lo spessore degli strati di ossido, pari a 2mm circa, il che porta a 0,5cm lo spessore della camera. Il diametro esterno è di circa 6cm e il diametro interno di 5cm, mentre la lunghezza è di circa 15cm. Le estremità del cilindro sono filettate per avvitare i tappi di chiusura che sono di acciaio. Le estremità dei tappi sono filettate internamente per facilitare l'avvitamento delle tubazioni di alimentazione. Le uscite e le entrate sono collegate tramite boccole di ottone avvitate alle estremità dei tappi. Vi sono due guarnizioni che sono posizionate all'interno del cilindro, alle due estremità e che verranno serrate attraverso i tappi. Il tappo terminale ha una filettatura cilindrica e comprende un o-ring che è interposto tra l'involucro e la testa del tappo che viene avvitato. Il tubo di pescaggio può essere di ottone o di acciaio inossidabile. I materiali che compongono le sfere catalitiche sono costituite da metalli come Nichel, Rame Zinco. Le sfere vengono placcate o rivestite per via galvanica da metalli quali platino, iridio, palladio.

Il sistema completo si compone nel seguente modo:

• un motore a combustione interna (esterno al meccanismo); un sistema di riscaldamento (che usa il refrigerante del motore); un serbatoio (esterno al meccanismo); una pompa di carburante; una linea di combustibile; una valvola;

• una prima valvola di espansione; una seconda valvola di espansione; un gassificatore/catalizzatore; un iniettore di combustibile del gas; un iniettore di combustibile liquido; un sensore di temperatura; un sensore di pressione; un controllore che fornisce la elaborazione dei segnali;

La linea di trasporto del combustibile fornisce il flusso tra il serbatoio e la pompa. La pompa del carburante può essere posizionata in una porzione della tubazione di alimentazione oppure può essere inclusa all'interno del serbatoio. La pompa eroga il combustibile a ciascuna delle valvole di espansione ed agli iniettori. La linea di combustibile può comprendere numerose sezioni separate. La valvola di flusso è una valvola di controllo unidirezionale o valvola di non ritorno e fa in modo che il carburante possa fluire nella direzione- della freccia e venga impedito il flusso inverso.

Una porzione della tubazione di alimentazione, qui denominata "di pertinenza alpha" è posizionata in prossimità di almeno una porzione del sistema refrigerante del motore. Quando il combustibile presente nella porzione di tubazione qui considerata, viene riscaldato e la valvola rimane chiusa, il carburante tenta di espandersi in altre porzioni della linea di combustibile, ma la valvola impedisce a tale flusso di andare indietro.

Le valvole di espansione sono in grado di erogare carburante dal gassificatore, mentre com'è noto, gli iniettori erogano carburante direttamente nei cilindri del motore.

I dati provenienti dai sensori presenti nelle valvole di espansione e negli iniettori, quali temperatura e pressione vengono letti dal controllore che poi li utilizza per fornire un controllo in controreazione alla centralina del motore.

Il sistema sopra descritto, funziona dirigendo il combustibile attraverso la linea di alimentazione che va dalla pompa del carburante, all’iniettore di combustibile liquido quando il refrigerante del motore è freddo, come per esempio durante l'avvio iniziale.

In questa fase, un sensore di temperatura rileva una bassa temperatura del combustibile nel condotto del carburante e si fa in modo che le valvole di espansione rimangano chiuse e che l'iniettore del gas non venga azionato. In tale fase quindi il motore funziona convenzionalmente, ossia con il combustibile liquido che viene iniettato nei cilindri del motore attraverso gli iniettori.

Quando il sensore indica che “il combustibile liquido in parte alpha” ha raggiunto la temperatura ottimale, la valvola viene aperta in modo che il carburante liquido venga trasformato in gas dal gassificatore e l'iniettore venga controllato dal regolatore/controiiore. I! motore continua a funzionare con combustibile gassificato inviato dagli iniettori al motore finché questo non viene arrestato. Quando il motore viene successivamente avviato, il sensore potrebbe ancora indicare che il carburante è allo stato di gas surriscaldato e se questo è il caso, il controllore apre la valvola che permette al combustibile liquido di entrare nel gassificatore e raffreddare il gas. Un sensore consente al controllore di regolare la portata di combustibile da inviare alle valvole, in modo da mantenere la temperatura idonea del gas nel gassificatore e in modo che il funzionamento del motore possa continuare in “modalità gas”, ossia con combustibile gassificato. La massa del carburante che viene iniettato attraverso l'iniettore è regolata dal controllore che, come già detto, è in grado di rilevare la temperatura e la pressione tramite i sensori del gassificatore e regola la durata dell'iniezione mantenendo una portata in massa di combustibile adeguata.

Applicabilità industriale

L'invenzione trova particolare, ma non esclusiva, applicazione industriale ne! campo automobilistico, nel campo delle macchine agricole, nella produzione dell'energia e in tutti quei campi in cui si utilizzano motori a combustione interna.

L'apparato preferito, sopra descritto è suscettìbile di varianti e modificazioni rientranti nello stesso principio inventivo.

Claims (4)

1.4 Rivendicazioni 1. Un apparato per la gassificazione catalitica di un fluido combustibile, per motori a combustione interna che comprende: a) una camera di gassificazione; b) una camera di riscaldamento; c) un gassificatore catalitico multi-strato; d) delle pasticche catalitiche; e) almeno un iniettore di combustibile liquido; f) almeno un’uscita per il combustibile gassoso; caratterizzato dal fatto che le pasticche catalitiche sono costituite da metalli come platino o iridio o palladio o alternativamente da Nichel o Rame o Zinco ricoperti/rivestiti di platino o iridio o palladio.

2. Un apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che all’interno della camera di gassificazione le pasticche di catalizzatori metallici sono contenute in dischi ceramici porosi.

3. Un apparato secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i catalizzatori sono disposti sia sulla parete della camera, in vari strati, che all’interno della stessa, formando un volume catalitico piuttosto che un letto catalitico.

4. Un apparato secondo la rivendicazione 1 e 3, in cui la tipologia dei catalizzatori e la distribuzione geometrica degli stessi all'interno della camera consente una distribuzione uniforme di temperatura