IT8982602A1 - Motore misto carburante-vapore a carica stratificata, privo di impianto di raffreddamento - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione avente per titolo "MO-TORE MISTO CARBURANTE-VAPORE A CARICA STRATIFICA-TA, PRIVO DI IMPIANTO DI RAFFREDDAMENTO"

E' notorio come il rendimento di un motore dipende dalla quantit? di calore che viene dispersa nell'ambiente e in concreto sappiamo come una grande quantit? di energia termica sfugge, negli attuali motori, attraverso il radiatore e i tumi di scarico (fig.3). Ecco perch? bisogna ribaltare il concetto classico del motore a partire dal presupposto che occorre concepirlo senza radiatore, eliminando l'irraggiamento e utilizzando quanto pi? possibile il calore dei fumi di scarico (fig. 4). Un motore quindi coibentato, che tenta di non cedere energia all'esterno. Il primo problema che si pone ad un'motore siffatto ? quello dello smaltimento del calore generato dalla combustione e della sua trasformazione interna in energia meccanica, pena il surriscaldamento e quindi il grippaggio.

Prendendo spunto dall'esperienza dei motori altere dal motore Diesel a iniezione indiretta e da quello misto gasolio-gpl, e utilizzando due iniettori per cilindro, uno per il carburante normale e l'altro per il vapore acqueo, riusciamo a risolvere il problema. In pratica il nuovo motore brueia una normale miscela aria-gasolio o aria-benzina in una precamera a turbolenza mentre un secondo iniettore immette vapore acqueo,riscaldato dallo stesso motore. Tale vapore genera pressione e incontrando i fumi surriscaldati del carburante in combustione aumenta la propria tensione interna e quindi la sua forza di espansione e nello stesso tempo assorbe il calore della combustione e raffredda testata e monoblocco. E' evidente che il rendimento va pi? che raddoppiato e l'inquinamento pi? che dimezzato.

Partendo dal principio che nulla si crea e nulla si distrugge ma tutto si trasforma e stabilito che esiste un rapporto diretto tra calore e lavoro si giunge al primo principio della termodinamica che afferma l'equivalenza tra calore e lavoro e l'esistenza di un rapporto costante tra i due termini:

L = K

Q

Ci? altro non ? che il principio di conservazione dell?energia e la formula esprime i lavori pioneri stici di Mayer. Joule determin? sperimentalmente tale principio-attraverso un dispositivo da lui. stesso ideato e trov? l'Equivalente Meccanico del Calore

Il primo principio della termodinamica anche se afferma che il lavoro si pu? trasformare in calore e viceversa non chiarisce i limiti di tale trasfor mazione. Kelvin enunci? che "? impossibile realizzare una trasformazione il cui solo e unico risultato sia assorbire calore da una sorgente e conver tirlo completamente in lavoro". E' questo un modo di indicare il secondo principio della termodinami ca. Clausius disse anche che "non ? possibile realizzare un trasferimento spontaneo di calore da un corpo freddo ad uno pi? caldo". Il pioniere rimane comunque Sady Carnot che anticip? addirittu ra il secondo principio con un suo teorema nel quale introduceva il rendimento di una, macchina termica {fig.1). L'energia interna di un .sistema termodinamico viene indicato con il termine U e indica il contenuto complessivo di tutte le forme valutare in assoluto tale termine ma in termodinamica ? sufficiente conoscere le differenze di stato prima e dopo una trasformazione. Indicando in Q e L rispettivamente le quantit? di calore e di lavoro che il sistema scambia per esempio con 1'am biente esterno, il primo principio si pu? esprimere anche in questo modo:

dove DU ? una costante e per conseguenza Q e L sono variabili correlate.

In una trasformazione termica isolata in cui il sistema preso in considerazione non assorbe n? cede calore all'esterno

Questa formula esprime una trasformazione adiabati_ ca.

Quando invece un sistema non produce n? subisce lavoro, calore e energia interna si equivalgono per cui

Il che vuol dire che se si scalda un gas in un contenitor? a volume costante si provoca solo un aumento dell'energia interna. Una trasformazione di questo tipo _si verifica nei motori a vapore la valvola di sfiato. In una trasformazione ciclica in cui il sistema una volta ritornato al punto iniziale riparte per un nuovo ciclo, DU non varia e perci? si considera nullo, il primo principio diventa

cio? tutto il calore ricevuto dal sistema si trasforma in lavoro. Ma ? a questo punto che intervie ne il secondo principio che chiarisce come non tutto il calore pu? trasformarsi in lavoro ma solo una parte poich? troveremo sempre alla fine del ciclo calore a temperatura pi? bassa. E' questo in sintesi il principio della degradazione dell'energia. Indicando con Q1 tutto il calore fornito dalla sorgente e con Q2 la quantit? di calore non trasformabile avremo che il lavoro di un motore a c.i. ? dato da

Questo significa che per produrre lavoro dal calore occorrono due corpi a temperatura diversa: la sorgente (combustione) e il refrigerante (condensa tore 0 ambiente).

In una trasformazione ciclica sappiamo che

a trasformare tutto il calore in lavoro. Ci? signi_ fica che il lavoro prodotto da un motore a c.i. ha un rendimento termico che viene definito dalla quantit? di lavoro prodotto divisa per la quantit? di calore introdotto nel sistema. Da tutto ci? deriva che rendimento e quantit? di calore dispe.rso sono termini di una funzione inversa: maggiore ? la quantit? di calore prodotto (e non utilizzabi le) e minore ? il lavoro che il motore produce. (fig. 2).

Gli studi recenti per migliorare i motori a c.i. mirano soprattutto al risparmio del carburante e alla riduzione dei gas di scarico che risultano inquinanti. E' da considerare che a parte l'innova zione dell'applicazione della turbina i motori a c.i. sia essi a ciclo Otto che Diesel sono prati_ camente gli stessi da quando sono nati. Malgrado tutti i miglioramenti apportati negli ultimi anni e in particolare tra il 1975 e il 1985 anni a cavallo di crisi energetiche ed economiche il rendimento dei motori circolanti non ? aumentato in modo significativo. Oggi sempre pi? macchine marcia no con il motore Diesel che di per s? ha il rendimento pi? alto di tutti i motori alternativi a oscilla intorno al 40% e qualche volta lo supera. Un motore a ciclo Otto non supera di molto il 30% di rendimento. Ci? ? stato evidentemente un forte motivo di scelta verso questo tipo di propulsore specie se si considera che brucia prodotti di frazionamento del petrolio di basso prezzo. Rimangono irrisolti invece i problemi legati alla forte presenza dei fumi inquinanti; molte sostanze inquinan ti si formano per l'intermittenza della combustione e la discontinuit? termica che comporta forte produzione oltre che di CO e.CO2 anche di ?0x (miscele di ossidi di azoto).

Se questi sono i problemi e i pregi dei motori ? evidente che bisogna fare delle considerazioni completamente nuove nella progettazione di motori alternativi senza per? sottovalutare l'enorme espe rienza acquisita nei motori a c.i. specie di quello Diesel che come abbiamo visto ? quello a pi? alta resa fra i motori a pistoni e in genere il pi? usato nei trasporti.

L'utilizzo dell'acqua come additivo dei combustibi li nei motori termici non ? una novit? assoluta; l'uso del vapore per? crea problemi di diversa natura. Innanzi tutto il vapore acqueo risulta piccola percentuale di acido linoleico dimerizzato. Durante la combustione si formano infatti vari ossidi che con l'acqua tendono a formare ossiacidi e idrossidi. La temperatura poi influisce sulla fragilit? dei metalli in presenza di vapore al di sopra dei 600?C. L'acqua in fase di vapore tende a dissociarsi e a liberare radicali di idrogeno nascenti; gli atomi in questione hanno una marcata instabilit? e quindi tendono a reagire anche con i metalli del motore rendendoli fragili. L'uso della ceramica o di acciai speciali permette di risolvere in modo egregio il problema come dimostrano alcuni motori a turbina per automobili che hanno superato le prove sperimentali. In ogni caso mantenendo la temperatura media sotto i 600? la questione diventa trascurabile.

In fase di avviamento a freddo entra in azione soltanto l'iniettore del carburante che assolve alla funzione anche di portare a temperatura ottimaler la camera di combustione. Il gasolio ha un potere calorico quasi identico alla benzina (9950* 10700 Kcal/Kg) e una temperatura teorica di combustione intorno ai -2135?C. Nelle pratiche applicazioni anche con preriscaldamento spinto dell'aria cilindro la ?temperatura della fiamma non supera i 2200? 2300?C; temperatura che si abbassa istanta neamente a contatto con i metalli che formano il motore, con l'espansione dei gas e soprattutto con il contatto al vapor acqueo. La presenza di vapore nella miscela aumenta notevolmente la velocita di ossidazione, a causa anche degli ossidrili che sono presenti, e provoca reazioni endotermiche. La fase di avviamento non risulta problematica ma identica a quella di un normale Diesel. Sar? da regolare ovviamente l'afflusso di carburante nelle pompe di iniezione. Prima di arrivare alla temperatura di esercizio un motore misto gasolior acqua funziona .totalmente come un Diesel; raggiunta la temperatura di 550?600?C delle parti meccani che adiacenti le camere di scoppio, un termostato fa entrare in funzione l'iniettore di vapore. Il vapore come il gasolio va regolato nel suo afflus-. so in modo automatico nel senso che maggiore ? la temperatura e maggiore ? la quantit? di vapore e viceversa. In pratica ad un maggior afflusso di gasolio corrisponder? un aumento,di vapore che avr? la funzione di prevenire il surriscaldamento del blocco motore e naturalmente quella di espan* ste condizioni la legge di Charles ha Doca influen za). Alla temoeratura d'esercizio l'asta a cremaoliera agir? simultaneamente sui due iniettori.

Il preriscaldamento del vapore avviene in due fasi: facendo passare l'acqua proveniente dal serbatoio lunqo un condotto a contatto diretto con il collettore di scarico in controcorrente e nella fase finale direttamente con il monoblocco e si trasforma in vapore surriscaldato intorno ai 300?C. In pratica si tratta di applicare una caldaia a tubi con economizzatore e un duomo che si apre in fase di scoppio. Emerge il concetto che il moto re risulta dalla sommatoria tra quello a vapore e il Diesel.

In pratica un motore misto gasolio-acqua a carica stratificata ? dotato di due serbatoi separati; uno per l'acqua e l'altro per il gasolio. Durante la stagione fredda il primo problema che si pone ? quello della solidificazione dell'acqua. L'aggiunta di etanolo p metanolo al 5?6% forma una soluzione omogenea che durante la stagione inverna le aiuta il motore a mantenere la temperatura d'esercizio.

Essendo questo un motore a ciclo aperto abbiamo tazione e risolvere il problema del deposito di sali nello scambiatore di calore. Per evitare ci? basta utilizzare acqua deionizzata attraverso resi ne a scambio ionico (il costo ? irrisorio).

L'acqua di alimentazione si trasforma in vapore attraverso convezione forzata.La formula

ci permette di stabilire la temperatura di arrivo del vapore in entrata nel cilindro.

Dalla legge di Boyle sappiamo che in una massa gassosa considerata a temperatura costante il prodotto del volume per la pressione ? anch'esso una costante; ci? significa che a11'aumentare di un termine diminuisce proporzionalmente l'altro

Il diagramma di questa legge ? un ramo di iperbole equilatera.

Da ci? possiamo ricavare che

sostituendo abbiamo:

.

La costante P.V ha le dimensioni del lavoro ed ? legata alla temperatura. Dalla legge di Voltamiscela di gas ? uguale alla somma delle tensioni che ogni aeriforme avrebbe se occupasse da solo il volume della miscela?. Ci? spiega e chiarisce ulteriormente perch? introducendo vapore acqueo aumentiamo la pressione del sistema e quindi l'energia cinetica e alla fine il lavoro. Inoltre l?acqua, dall'esperienze di Papin, alla pressione di 5,10,20,40 atm. bolle rispettivamente a 155?, 180?,215?,250?C. Dall'esperienza di Andrews sappia mo che nessun vapore pu? essere liquefatto (anche se la pressione ? grandissima) se si trova al di sopra della temperatura critica. Per l'acqua tale temperatura ? di 374?C. Per evitare quindi che il vapore immesso crei condensa di acqua basta mantenere la temperatura all'interno dei cilindri al di sopra di 374?C. Considerando che la temperatura di combustione del gasolio ? di circa 2200?C e che l'acqua entri intorno ai 300? significa che se la quantit? in peso del carburante e dell' H2O sono in rapporto 1:2 avremo una temperatura finale di 600-700?. L'esperienza -ci dimostra che quando due sostanze a temperatura diversa vengono mescola te esse costituiscono quello che in matematica si chiama invariante; cio? la quantit? di calore Inoltre all'aspetto fisico occorre sommare le reazioni endotermiche simultanee che abbassano ulteriormente la temperatura portandola ai valori,otti mali.

Quanto sinora affermato vale anche per tutti gli altri motori a combustione interna; in particolare per quello a benzina e di questo si presta meglio la versione a iniezione.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI PARTI ESSENZIALI:

1) L'assemblaggio meccanico tra un motore a combustione interna e una caldaia.

2) L'eliminazione dell'impianto di raffreddamento attraverso l'uso del vapore.

3) L'utilizzo del motore a combustione come bruciatore per la caldaia.

4) La coibentazione del motore a scoppio.