ITTO20060304A1

ITTO20060304A1 - Metodo e gruppo per l'alimentazione di gpl ad un motore a combustione interna

Info

Publication number: ITTO20060304A1
Application number: IT000304A
Authority: IT
Inventors: Marcello Franco Cane
Original assignee: M T M S R L
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-10-27
Also published as: US20080029072A1; EP1849988A8; JP5238183B2; PL1849988T3; KR101389847B1; EP1849988A3; CA2585988C; KR20070105899A; EP1849988B1; CA2585988A1; MX2007004971A; JP2007292077A; US7870849B2; EP1849988A2

Description

D E S C R I Z I ON E

Del brevetto per invenzione industriale

La presente invenzione è relativa ad un metodo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna .

Per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna è noto di utilizzare dispositivi di alimentazione comprendenti un serbatoio contenente gas GPL in parte in fase liquida ed in parte in fase gassosa, un gruppo riduttore/vaporizzatore riscaldato normalmente mediante il liquido di raffreddamento del motore, e due distinti circuiti di alimentazione del gas entrambi collegati al serbatoio in posizioni diverse per prelevare uno il GPL in fase gassosa e l'altro il GPL in fase liquida. I dispositivi di alimentazione noti comprendono, inoltre, un gruppo selettore per attivare il circuito di alimentazione del gas in fase gassosa quando la temperatura del liquido di raffreddamento è inferiore ad un valore di soglia determinato, ed il circuito di alimentazione del gas in fase liquida non appena la temperatura del citato liquido di raffreddamento supera il citato valore di soglia. In altre parole, il gruppo selettore comanda il passaggio di alimentazione da fase gassosa a fase liquida non appena il liquido di raffreddamento è in grado di cedere la quantità di energia termica necessaria per l'evaporazione del gas in fase liquida.

I dispositivi di alimentazione noti del tipo sopra descritto, anche se utilizzati, risultano essere particolarmente complessi dal punto di vista realizzativo, soprattutto per la presenza dei due distinti circuiti di alimentazione del gas e per la presenza del gruppo selettore.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un metodo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna, il quale consenta di risolvere in maniera semplice ed economica i problemi sopra esposti e permetta, nel contempo, di far funzionare il motore sempre in condizione di massima efficienza in qualsiasi condizione funzionale.

Secondo la presente invenzione fornito un metodo per l'alimentazione di GPL a d un motore a combustione interna come rivendicato nella rivendicazione 1.

La presente invenzione è, inoltre, relativa ad un gruppo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna.

Secondo la presente invenzione viene realizzato un gruppo per l'alimentazione di GPL* ad un motore a combustione interna come rivendicato nella rivendicazione 10. ;L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni allegati, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: ;la figura 1 è uno schema a blocchi di una preferita forma di attuazione di un gruppo per l'alimentazione di GPL ad un motore; ;la figura 2 illustra, schematicamente ed in sezione, una particolare del gruppo della figura 1; e ;le figure da 3 a 5 sono grafici illustranti gli andamenti di alcune variabili significative durante il funzionamento del gruppo di figura 1. ;Nella figura 1, con 1 è indicato, nel suo complesso, un motore a combustione interna di un veicolo (non illustrato) preferibilmente un veicolo per la movimentazione di merci, quali, ad esempio, un carrello elevatore, cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere in generalità . ;Il motore 1 è strutturato per funzionare unicamente a gas GPL in forma gassosa, ed è alimentato da un gruppo 2 di alimentazione comprendente un serbatoio 3, dal quale il GPL viene prelevato in fase liquida, uno o più *iniettori 4 di tipo noto e schematicamente illustrati atti ad inviare una portata effettiva Qg di gas in una camera la del motore 1, nella quale è anche alimentata una portata di aria controllata da un dispositivo di regolazione a farfalla, di tipo noto ed indicato con 6. Sempre con riferimento alla figura 1, il gruppo 2 comprende, inoltre, un dispositivo 7 di controllo della pressione del GPL alimentato agli iniettori 4, ed un dispositivo 8 di controllo della portata di GPL erogata dagli iniettori 4 stessi in funzione della pressione e della temperatura del GPL in ingresso agli iniettori 4 e delle condizioni di funzionamento del motore 1, come verrà meglio chiarito nel seguito.

Il dispositivo 7 comprende un blocco 9 di memoria, nel quale è memorizzata una curva limite pressione/temperatura del GPL, indicata con A nella figura 3. Come si rileva dal grafico di figura 3, la curva limite A separa una zona 10, in cui il GPL è in fase liquida da una zona 11, nella quale il GPL è in fase gassosa. Il dispositivo 7 comprende, inoltre un blocco 12 di determinazione per determinare la temperatura del GPL alimentato agli iniettori 4. Nel particolare esempio descritto, il blocco 12 è in grado di determinare la suddetta temperatura sia rilevandola direttamente a monte degli iniettori 4 e/o negli iniettori 4 stessi, sia calcolandola in funzione della temperatura del liquido di raffreddamento del motore 1 e/o della portata del GPL. In quest'ultimo caso, una tubazione 13 del fluido di raffreddamento collega il motore 1 al blocco 12. Un andamento indicativo della variazione nel tempo della temperatura del GPL a partire dall'avviamento e con una variazione dei giri del motore rappresentata dalla curva N è indicata dalla linea T di figura 4. I blocchi 9 e 12 sono collegati ad un blocco 15, il quale costituisce parte del dispositivo 7 ed è atto a determinare, per ciascun valore di temperatura ricevuto dal blocco 12, un corrispondente valore limite di pressione del gas. Al fine di alimentare GPL sempre in fase gassosa, il suddetto valore limite viene ridotto dallo stesso blocco 15 utilizzando un fattore di correzione di sicurezza variabile ottenendo, per ciascun valore di temperatura, un valore di pressione ottimale massimo di esercizio in sicurezza. Nel preferito esempio descritto, i valori di pressione ottimale massimi di esercizio costituiscono parte della linea B di figura Sempre con riferimento alla figura 1, il dispositivo 7 comprende, inoltre, un blocco 18 di confronto e regolazione atto a controllare la pressione del GPL alimentato agli iniettori 4 in modo tale per cui nei vari istanti risulti sostanzialmente identica a quella ottimale massima determinata.

Secondo quanto illustrato in particolare nella figura 2, il blocco 18 comprende una valvola 19 di intercettazione/riduzione di pressione, la quale presenta un ingresso 20 collegato al serbatoio 3 di GPL o ad un ambiente a diversa pressurizzazine, ed una uscita 21 collegata agli iniettori 4, e, a sua volta, comprende una camera 23 comunicante con l'uscita 21 e con l'ingresso 20 attraverso un passaggio 24. La valvola 19 comprende, inoltre, una camera 25 separata a tenuta di fluido dalla camera 23 da una membrana 27 flessibile, ed un otturatore 28 portato dalla membrana 27 e mobile sotto la spinta della membrana 27 e di una molla 29 tra una posizione di chiusura (illustrata in figura 2), in cui isola la camera 23 dall'ingresso 20 chiudendo il passaggio 24 ed una posizione di apertura, in cui consente un passaggio di GPL tra l'ingresso 20 e la camera 23.

Sempre con riferimento alla figura 2, il blocco 18 comprende, inoltre, una elettrovalvola 31 di correzione monostabile normalmente chiusa, la quale presenta un ingresso collegato all'ingresso 2 0 ed una uscita comunicante con la camera 25. Alla camera 25 è anche collegato un ingresso di una ulteriore elettrovalvola 32 sempre monostabile normalmente chiusa, la cui uscita è collegata all'uscita 21. Le elettrovalvole 31 e 32 sono controllate e selettivamente attivate da una centralina 33 che è collegata ad un sensore 35 di pressione associato all'uscita 21 per ricevere il valore della pressione effettiva del GPL alimentato agli iniettori 4, ed al blocco 15 per ricevere il corrispondente valore di pressione ottimale massimo. La centralina 33 comprende un blocco comparatore 34, il quale a seguito della comparazione dei due citati valori di pressione ricevuti invia un segnale di scarto, sulla base del quale la centralina 33 attiva l'una o l'altra delle elettrovalvole 31 e 32. L'andamento nel tempo della pressione effettiva del GPL è indicativamente rappresentata dalla curva C di figura 4.

Ancora con riferimento alla figura 1, gli iniettori 4 sono controllati da una loro centralina 37 per alimentare una portata di GPL ottimale al motore 1. Nel particolare esempio descritto, la portata di GPL nel tempo è indicata dalla curva F di figura 4.

La centralina 37 costituisce parte del dispositivo 8, il quale comprende, inoltre, il sensore 35 ed un ulteriore sensore 39 di pressione atti ad inviare alla centralina 37 stessa un segnale corrispondente alla pressione effettiva del GPL addotto agli iniettori 4 e, rispettivamente, un segnale corrispondente alla pressione nella camera la, comunemente nota come Pmap. Sulla base dei due segnali ricevuti e, in particolare, sulla base del rapporto tra i segnali stessi, delle caratteristiche realizzative degli iniettori e della temperatura determinata, la centralina 37 controlla il grado ed il tempo di apertura degli iniettori 4 affinché al motore 1 venga alimentata la portata richiesta di GPL. Sempre con riferimento alla figura 1, il dispositivo 8 comprende, inoltre, una centralina 41 per limitare la pressione all'interno della camera la in determinate condizioni di funzionamento. In particolare, la centralina 41 comprende un blocco di memoria, nel quale è memorizzata una pluralità di valori massimi della pressione Pmap nella camera la. L'insieme di tali valori di pressione massima definisce la curva D illustrata in figura 4. Tali valori di pressione massima sono determinati numericamente sulla base dei valori della pressione effettiva del GPL in ingresso agli iniettori 4, delle caratteristiche dimensionali degli iniettori, del valore della portata di GPL inviata nella camera la del motore 1 determinata dalla centralina 37 e della temperatura determinata'del GPL stesso. Convenientemente, la centralina 41 determina, in ciascun istante di funzionamento, il valore della pressione massima accettabile nella camera la sulla base del grafico di figura 5 che riporta il valore della pressione massima nella camera la in funzione della portata di GPL e al variare della pressione e temperatura effettiva del GPL stesso in ingresso agli iniettori 4. Nel grafico di figura 5, sono riportate per semplicità solo alcune curve; ciascuna curva è una isobara corrispondente ad un determinato valore della pressione del GPL in ingresso agli iniettori 4 e ad un determinato valore di temperatura. Le curve sono ordinate per pressione crescente nella direzione della freccia K di figura 5.

Una relazione matematica che lega fra loro la pressione nella camera la, la pressione e la temperatura effettiva del gas, le caratteristiche degli iniettori e la portata del gas è la seguente:

dove con Pg è indicata la pressione effettiva del gas rilevata dal sensore 38, con Pmap è indicata la pressione nella camera la rilevata dal sensore 39, con Qg è indicata la portata di GPL inviata al motore, con S è indicata la sezione equivalente degli ugelli e dove R e T sono la costante di elasticità e, rispettivamente, la temperatura del gas e k è l'esponente della politropica di espansione del gas. Dalla precedente relazione, fissate le diverse variabili viene ricavata la pressione massima nella camera la in presenza della quale gli iniettori sono in grado di erogare la portata richiesta.

La centralina 41 comprende, inoltre, un blocco comparatore 45, il quale confronta il valore istantaneo della pressione nella camera la con un corrispondente valore massimo calcolato e quando il valore di pressione rilevato supera tale valore calcolato, invia un segnale ad un blocco di controllo 45 che comanda il dispositivo 6 a farfalla in modo da limitare la pressione nella camera la al di sotto del valore massimo calcolato e, conseguentemente, la potenza erogata dal motore 1. In condizioni di funzionamento controllato, i valori della pressione nella camera la costituiscono parte della curva E di figura 4.

Il funzionamento del gruppo 2 a partire dall'avviamento del motore 1 verrà ora descritto con riferimento alla figura 1 ed ai grafici delle figure 3-5. All'avviamento del motore 1 e in una pluralità di istanti successivi e sostanzialmente fino a raggiungere una condizione di regime, il blocco 12 determina la temperatura del gas alimentato agli iniettori 4 mentre i sensori 35 e 39 rilevano la pressione del GPL all'ingresso degli iniettori 4 e nella camera la del motore. In ciascun istante di funzionamento o per almeno parte di essi, il blocco 12 invia un valore di temperatura al blocco 15, il quale, con riferimento alla curva A memorizzata nel blocco 9, determina il valore di pressione ottimale massimo del GPL tale per cui il GPL continui a permanere in fase gassosa. Tale valore di pressione ottimale massimo viene ottenuto ricavando sulla curva A un valore limite di pressione e riducendo tale valore mediante un fattore di correzione di sicurezza variabile ottenendo una serie di valori di pressione ottimale massima costituenti la linea B di figura 3. In ciascun istante, il blocco 18 regola la pressione effettiva del gas inviata agli iniettori portandola ad un valore prossimo al corrispondente valore di pressione ottimale massimo. La regolazione avviene nel modo seguente: il sensore 35 rileva la pressione effettiva del GPL nell'uscita 21 e la comunica alla centralina 33 che la confronta con il corrispondente valore di pressione ottimale massimo determinato. Se la pressione effettiva rilevata è maggiore del corrispondente valore pressione ottimale massimo, la centralina 33 attiva l'elettrovalvola 32 che pone in collegamento la camera 25 con l'uscita 21. In questo modo, la pressione nella camera 25 diminuisce arrivando al limite ad eguagliare la pressione nella camera 21. Per effetto della differenza di pressione sulla membrana 27 e della molla 29, l'otturatore 8 viene spostato nella sua posizione di chiusura determinando una diminuzione di pressione. Quando, invece, la pressione nell'uscita 21 è minore del corrispondente valore di pressione ottimale massimo la centralina 33 attiva l'elettrovalvola 31 che determina un innalzamento della pressione nella camera 25 e, quindi, per effetto dell'incrementata differenza di pressione sulla membrana 27, l'otturatore viene spostato nella sua posizione di apertura provocando un incremento di pressione. In questo modo, la pressione effettiva del GPL nell'uscita 21 oscilla sempre nell'intorno del valore ottimale massimo determinato senza mai discostarsi da questo.

In ciascuno dei citati istanti di funzionamento i sensori 35 e 39 rilevano i corrispondenti valori di pressione e li comunicano alla centralina 37 che, anche in funzione della temperatura, regola il tempo ed il grado di apertura degli iniettori in modo da ottenere la portata richiesta di GPL. Il limite fisico di portata di efflusso attraverso gli iniettori 4, quando questi operano in condizioni sub-critiche è gestito dalla centralina 41, la quale in funzione della pressione nella camera la del motore, della pressione effettiva del GPL e sulla base della portata erogata dagli iniettori e della temperatura del gas determina, per almeno parte dei citati istanti di funzionamento, un valore di pressione massima accettabile all'interno della camera la e quando la pressione nella camera la stessa supera tale valore interviene agendo sul dispositivo 6 di regolazione a valvola a farfalla che controlla il valore della pressione nella camera la e la comanda in modo da mantenere la pressione a tale valore limite o al di sotto. E' evidente che la pressione massima nella camera la deve tenere in considerazione la portata di gas in quanto tale valore può essere mantenuto tanto più elevato quanto minore è la portata di gas richiesta. In ogni caso il valore limite della pressione nella camera la è definito, nel caso di motori non sovralimentati, dalla pressione atmosferica.

Da quanto precede appare evidente che il rilevamento istantaneo della temperatura del gas erogato e la determinazione, per ciascun valore della temperatura stessa, di un corrispondente valore di pressione obiettivo del gas prossimo ad un corrispondente valore limite consente di operare sempre in condizioni limite di gas in fase gassosa e quindi di massima efficienza senza mai utilizzare GPL in fase liquida.

Parallelamente, il controllo degli iniettori sulla base di una pressione effettiva di alimentazione in quanto direttamente rilevata e della temperatura effettiva del gas alimentato permette di controllare e regolare con accuratezza la portata di GPL inviata al motore sia in condizioni normali di funzionamento, sia quando gli iniettori operano o tendono ad operare in condizioni subcritiche. In quest'ultima condizione, infatti, il gruppo 2 descritto è in grado, sulla base delle pressioni a monte ed a valle degli iniettori, delle caratteristiche geometriche degli stessi della temperatura e dell'effettiva portata attraversante gli iniettori, di intervenire sul controllo del motore limitando la pressione nella camera di ingresso aria-GPL e conseguentemente la potenza erogata dallo stesso.

Questo è estremamente importante e riveste una particolare valenza nel transitorio che segue l'avviamento del motore come risulta evidente dall'andamento delle variabili riportate in figura 4. In tale transitorio, infatti, la pressione del gas cresce con la temperatura fino ad un valore massimo scelto in fase di progettazione. Tale valore massimo è funzione della portata richiesta dal motore e delle caratteristiche di portata degli iniettori.

Da quanto precede appare evidente che al metodo ed al gruppo 2 descritti possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall'ambito protettivo definito dalle rivendicazioni. In particolare, possono essere utilizzate curve e relazioni diverse da quelle indicate a titolo di esempio sia per determinare la pressione massima ottimale, sia la portata di gas che la pressione nella camera la.

Claims

R IV EN D ICA ZION I 1.- Metodo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna, il metodo comprendendo le fasi di inviare, tramite mezzi iniettori (4), una portata variabile di GPL in fase gassosa verso il motore, ed essendo caratterizzato dal fatto di determinare in una pluralità di istanti di funzionamento del motore rispettive temperature del GPL alimentato ai detti mezzi iniettori, di determinare, per almeno parte delle dette temperature del GPL, un corrispondente valore di pressione ottimale massimo tale per cui il GPL permanga in fase gassosa, e di regolare la pressione effettiva del GPL in ingresso ai mezzi iniettori in modo che sia sostanzialmente uguale al corrispondente valore di pressione ottimale massimo determinato. 2.- Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la determinazione di ciascuna delle dette temperature viene effettuata rilevando direttamente una corrispondente temperatura del GPL in ingresso o all'interno dei detti mezzi iniettori. 3.- Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la determinazione di ciascuna delle dette temperature del GPL viene effettuata sulla base della temperatura di un liquido di raffreddamento del detto motore nel medesimo istante . 4.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la determinazione del detto valore di pressione ottimale massimo del GPL viene effettuata memorizzando una curva limite del GPL che separa una zona di gas in fase gassosa da una zona di gas in fase liquida, e ricavando su detta curva, per almeno parte delle dette temperature determinate, corrispondenti valori di pressione . 5.- Metodo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto di ridurre il detto valore di pressione ricavato mediante un fattore di riduzione determinato e variabile in funzione della detta temperatura per ottenere il detto valore di pressione ottimale massimo. 6.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la regolazione della detta pressione effettiva viene effettata rilevando, in ciascun detto istante, la pressione del gas inviato agli iniettori, confrontando la detta pressione rilevata con il corrispondente detto valore di pressione ottimale massimo ed attivando selettivamente una prima ed una seconda elettrovalvola di correzione della detta pressione effettiva. 7.- Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che, nei detti istanti,· la detta portata di GPL viene controllata variando il tempo di apertura degli iniettori almeno in funzione della detta pressione effettiva del gas. 8.- Metodo secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che, in almeno parte dei detti istanti, la portata di GPL viene controllata anche in funzione del rapporto tra la pressione in un camera di ingresso aria-GPL del detto motore e la detta pressione effettiva del GPL. 9.- Metodo secondo la rivendicazione 7 o 8, caratterizzato dal fatto che la detta pressione nella detta camera di ingresso aria-GPL, in almeno parte dei detti istanti di funzionamento, viene limitata al di sotto di un valore di soglia determinato almeno in funzione della detta pressione effettiva e della portata di GPL inviata nella detta camera di ingresso aria-GPL . 10.- Gruppo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna, il gruppo comprendendo mezzi iniettori per inviare una portata variabile di GPL in fase gassosa verso il motore, ed essendo caratterizzato dal fatto di comprendere, inoltre, primi mezzi di determinazione per determinare in una pluralità di istanti di funzionamento del motore rispettive temperature del GPL alimentato ai detti mezzi iniettori, secondi mezzi di determinazione per determinare, per almeno parte delle dette temperature del GPL, un corrispondente valore di pressione ottimale massimo del GPL tale per cui il GPL permanga in fase gassosa, e mezzi regolatori per regolare la pressione effettiva del GPL in ingresso ai mezzi iniettori in modo che sia sostanzialmente uguale al corrispondente valore di pressione ottimale massimo determinato. 11.- Gruppo secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che i detti secondi mezzi di determinazione comprendono mezzi di memoria per memorizzare una curva limite del GPL che separa una zona di gas in fase gassosa da una zona di gas in fase liquida, e mezzi di calcolo per determinare su detta curva e per almeno parte delle dette temperature corrispondenti valori di pressione. 12.- Gruppo secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi regolatori comprendendo una valvola di intercettazione comprendente un ingresso atto ad essere collegato ad un serbatoio di GPL, una uscita atta ad essere collegata ai detti mezzi iniettori, una prima camera comunicante con la detta uscita ed con il detto ingresso, una seconda camera separata dalla detta prima camera da una membrana flessibile ed un otturatore azionato dalla detta membrana e mobile tra una posizione di chiusura, in cui isola la detta prima camera dal detto ingresso ed una posizione di apertura, in cui consente un passaggio di gas tra il detto ingresso e la detta prima camera, una prima elettrovalvola di correzione interposta tra il detto ingresso e la detta seconda camera, ed una seconda elettrovalvola di correzione interposta tra la detta seconda camera e la detta uscita; mezzi di controllo essendo previsti per azionare selettivamente le dette prima e seconda elettrovalvola . 13.- Gruppo secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di controllo comprendono mezzi comparatori per confrontare in ciascun detto istante il valore della pressione del GPL nella detta uscita con il detto valore di pressione ottimale massimo e per emettere un segnale di attivazione verso l'una o l'altra delle dette elettrovalvole in funzione del detto confronto. 14.- Gruppo secondo una delle rivendicazioni da 10 a 13, caratterizzato dal fatto di comprendere, inoltre, ulteriori mezzi di determinazione per determinare, in almeno parte dei detti istanti, un valore di soglia della pressione in una camera di ingresso aria-GPL almeno in funzione della detta pressione effettiva e della portata di GPL inviata nella detta camera di ingresso aria-GPL, e mezzi limitatori per limitare la pressione nella detta camera di ingresso al di sotto di detto valore di soglia. 15.- Metodo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna, sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure allegate. 16.- Gruppo per l'alimentazione di GPL ad un motore a combustione interna sostanzialmente come descritto con riferimento alle figure allegate.