ITTO20120271A1 - Ciclo termodinamico e macchina termica motrice, quale un motore alternativo a combustione interna od una turbina a gas, predisposta per eseguire tale ciclo termodinamico. - Google Patents

Description

TITOLO: “Ciclo termodinamico e macchina termica motrice, quale un motore alternativo a combustione interna od una turbina a gas, predisposta per eseguire tale ciclo termodinamico”

DESCRIZIONE

Settore tecnico

La presente invenzione si riferisce ad un ciclo termodinamico e ad una macchina termica motrice, quale un motore alternativo a combustione interna od una turbina a gas, predisposta per eseguire tale ciclo termodinamico.

Più specificamente la presente invenzione si riferisce ad un ciclo termodinamico e ad una macchina termica motrice secondo il preambolo dell’annessa rivendicazione 1, e rispettivamente, secondo il preambolo dell’annessa rivendicazione 6.

Sfondo tecnologico

E’ noto nel settore delle macchine termiche motrici, quali i motori alternativi a combustione interna e le turbine a gas, utilizzare serie di trasformazioni termodinamiche atte a convertire il calore generato dal compimento della combustione di un combustibile in energia meccanica, al termine delle quali il sistema si trovi nuovamente nella condizione iniziale. Queste trasformazioni costituiscono un cosiddetto ciclo termodinamico, di tipo diretto; vale a dire che esso converte l’energia termica presentata dal calore generato dalla combustione in energia meccanica.

Tipicamente i motori alternativi a combustione interna comprendono: uno o più cilindri, le cui pareti interne di ciascuno di essi definiscono una rispettiva cavità interna; uno o più pistoni, ciascuno di essi essendo scorrevole con moto alternativo e a tenuta di fluido in un rispettivo cilindro definendo una rispettiva camera a volume variabile; un albero motore, quale un albero a gomiti, predisposto per ruotare intorno ad un asse di rotazione e fornire potenza meccanica in uscita dal motore; un meccanismo di trasmissione, ad esempio includente una pluralità di manovellismi, predisposto per convertire il moto alternativo dei pistoni nella rotazione dell’albero motore. Nel funzionamento del motore a combustione interna, le camere di combustione definite fra i pistoni e i cilindri vengono riempite e scaricate ciclicamente da aria aspirata dall’ambiente esterno e da un combustibile immessi in maniera sincronizzata mediante opportuni sistemi di valvole o di luci, ad esempio controllati da un albero a camme. La combustione che avviene nei cilindri determina un notevole incremento di temperatura e pressione del fluido contenuto nella camera, rendendo possibile il compimento di un ciclo termodinamico con cessione di lavoro ai pistoni.

Nel settore automobilistico per azionare i motori a combustione interna sono generalmente sfruttati il ciclo Otto (denominato anche ciclo Beau de Rochas) del tipo ad accensione comandata in cui la combustione viene innescata mediante una scintilla generata nella camera, e il ciclo Diesel del tipo ad accensione diretta in cui la combustione si innesca spontaneamente in aria ad alta compressione dopo l’iniezione del combustibile in rapporto stechiometrico ed in eccesso volumetrico di comburente.

Con riferimento alla figura 1a è illustrato un ciclo Otto ideale (vale a dire costituito da trasformazioni in cui vengono presi in considerazioni gas ideali, senza tener conto delle modifiche dovute alle proprietà e ai comportamenti assunti dal fluido reale). Esso è costituito da quattro trasformazioni quali:

- una compressione isentropica (tratto 1-2),

- una trasformazione isometrica con un’adduzione di calore (tratto 2-3),

- un’espansione isentropica (tratto 3-4), ed

- una trasformazione isometrica con sottrazione di calore (tratto 4-1).

Come visibile nella figura 1a, per poter effettuare un ulteriore ciclo termodinamico al termine del ciclo precedente partendo nuovamente con una compressione isentropica (tratto 1-2), è necessario compiere inoltre i seguenti passi:

- uno scarico completo dei gas combusti presenti nella camera, in cui il pistone si riporta nuovamente nel punto morto superiore sospingendo i gas attraverso la valvola di scarico (tratto 1-5), e

- un’aspirazione di aria proveniente dall’esterno del cilindro dirigendola alla camera, mediante l’apertura di una valvola di aspirazione e la discesa del pistone nel punto morto inferiore (tratto 5-1).

In questo modo è possibile riprendere il ciclo termodinamico dall’inizio, effettuando nuovamente la compressione isentropica rappresentata dal tratto 1-2, al termine della quale l’aria contenuta nella camera assume un livello di pressione idoneo all’iniezione di carburante e all’avvio della combustione da parte del dispositivo di innesco.

Sintesi dell’invenzione

Uno scopo della presente invenzione è quello di realizzare un ciclo termodinamico ed una macchina termica motrice di tipo perfezionato ed in grado di migliorare le proprie prestazioni rispetto agli insegnamenti della tecnica anteriore.

Secondo la presente invenzione questo ed altri scopi vengono raggiunti mediante un ciclo termodinamico ed una macchina termica motrice definiti dalla annessa rivendicazione 1 e rispettivamente dalla rivendicazione 6 E’ da intendersi che le annesse rivendicazioni costituiscono parte integrante degli insegnamenti tecnici qui forniti nella descrizione in merito alla presente invenzione.

Breve descrizione dei disegni

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno chiari dalla descrizione dettagliata che segue, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui: - la figura 1 è una vista schematica di un ciclo termodinamico realizzato secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione;

- la figura 1a è una vista schematica di un ciclo termodinamico di tipo Otto realizzato secondo la tecnica anteriore; e

- le figure 2-4 rappresentano una serie di condizioni operative in cui è atta a trovarsi una porzione di una macchina termica predisposta per eseguire il ciclo termodinamico illustrato nella figura 1 e realizzata secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione.

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Con riferimento alla figura 1, è illustrato un ciclo termodinamico secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione. Tale ciclo termodinamico è illustrato per motivi di semplicità e concisione in maniera ideale (vale a dire senza considerare le modifiche dovute alle proprietà e ai comportamenti dei gas reali) e rappresenta un’evoluzione migliorativa rispetto ad un ciclo Otto a quattro tempi di tipo per sé noto.

Con riferimento alle figura 2-4, è illustrata una porzione di una macchina termica motrice strutturata secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione. Nella forma di realizzazione illustrata la macchina termica motrice è un motore alternativo a combustione interna a due tempi.

Il motore alternativo a combustione illustrato nei disegni comprende:

almeno un cilindro 10 le cui pareti interne definiscono una rispettiva cavità interna 11;

almeno un pistone 12 scorrevole con moto alternativo e a tenuta di fluido nella cavità interna 11 del rispettivo cilindro 10 in modo tale da definire una rispettiva camera 14 avente un volume variabile fra una valore minimo ed un valore massimo corrispondente ad una posizione di escursione minima, o cosiddetto “punto morto superiore” (figura 2), e rispettivamente a una posizione di escursione massima, o cosiddetto “punto morto inferiore” (figura 3), relative alla corsa di detto pistone 12;

un organo motore, indicato schematicamente con 16, predisposto per essere condotto dal moto alternativo del pistone 12 e fornire potenza meccanica in uscita al motore;

un meccanismo di trasmissione, indicato nel suo complesso con 18, predisposto per convertire il moto alternativo del pistone 12 in uno spostamento dell’organo motore 16;

almeno un iniettore 22 predisposto per immettere un fluido operatore nella camera 14;

almeno un dispositivo di innesco 20 predisposto per generare un punto caldo atto ad innescare una combustione nel fluido operatore immesso dall’iniettore 22 nella camera 14; ed

almeno una valvola di scarico 24 normalmente chiusa e predisposta per aprire in modo controllato la camera 14 in modo tale da consentire l’espulsione verso l’esterno dei gas esausti della combustione.

Il fluido operatore immesso direttamente nella camera 14 dall’iniettore 22 comprende una quantità di un propellente in forma liquida, preferibilmente un miscuglio includente un combustibile ottenuto da idrocarburi e/o da biomasse (cosiddetto “biocombustibile”) correntemente in commercio e di per sé noto, e un comburente a base di ossidanti, già mescolati od uniti in quantità stechiometrica o sub-stechiometrica al di fuori della camera 14, per realizzare la combustione in seguito all’azione del dispositivo di innesco 20. L’iniettore 22 è predisposto per iniettare la suddetta quantità di propellente direttamente nella camera 14 quando il pistone 12 si trova nella posizione di minima escursione e detta valvola di scarico è chiusa (figura 2).

Preferibilmente, come è tipico nella configurazione dei motori nel settore automobilistico, il motore alternativo a combustione interna può comprendere una pluralità di cilindri 11. Secondo un esempio noto per la disposizione di tali cilindri 11, essi possono essere previsti in numero singolo o multiplo e disposti in linea o a V.

Preferibilmente i cilindri 11 del motore alternativo sono realizzati su un basamento motore, realizzabile mediante fusione per colata, ad esempio di alluminio o ghisa, collegato superiormente con una testata ed inferiormente con un carter o coppa dell’olio. Il basamento motore, la testata e la coppa dell’olio sono elementi di tipo per sé noto ad un tecnico del settore e pertanto, per ragioni di concisione, non saranno qui di seguito più dettagliatamente descritti.

Tale motore può comprendere elementi migliorativi ed opzionali rispetto a quanto normalmente noto ed utilizzato nel settore automobilistico, ad esempio il cielo del pistone 12 può essere realizzato con scudo termico in ceramica, se necessitato dalle alte temperature non altrimenti contrastabili.

Preferibilmente il dispositivo di innesco è una candela 20 a punto caldo. Ad esempio, la candela è in grado di riscaldare la camera 14,e di raggiungere una temperatura di circa 600°C – 800°C, in maniera tale da innescare la combustione nella camera 14.

Preferibilmente l’organo motore è un albero motore 16 ruotabile intorno al proprio asse longitudinale. Più preferibilmente l’albero motore è un albero a gomiti 16.

Preferibilmente il meccanismo di trasmissione 18 comprende una o più bielle 26, ciascuna di esse essendo montate su un associato pistone 12 in maniera tale per cui esse agiscono come elemento snodato, mentre l’albero a gomiti 16 opera come elemento di “manovella”.

Preferibilmente l’iniettore 22 è collegato con un serbatoio (non illustrato) contenente un volume del suddetto propellente includente il combustibile e gli ossidanti già in quantità stechiometrica o substechiometrica. In alternativa l’iniettore 22 è predisposto per erogare nella camera 14 la quantità di propellente proveniente da due serbatoi separati (non mostrati) fra cui un primo serbatoio contenente il combustibile e un secondo serbatoio contenente il comburente comprendente gli ossidanti. Il primo e il secondo serbatoio sono collegabili con l’iniettore 22 in maniera tale per cui ad esso è fornita direttamente la quantità di propellente, già mescolata, da immettere nella camera 14 nella suddetta proporzione stechiometrica o sub-stechiometrica e presentante la pressione necessaria di iniezione, affinché il dispositivo di innesco 20 sia in grado di esserne colpito per potere avviare la combustione.

Ad esempio, le valvole di scarico 24 potranno comprendere superfici otturanti e sedi realizzabili in materiali resistenti al calore, se necessario, quali stellite, tungsteno, ceramiche o simili.

Preferibilmente l’apertura e la chiusura della valvola di scarico 24 è controllata mediante un dispositivo di sincronizzazione (non illustrato) regolato opportunamente in fase con l’albero motore 16. Ad esempio il dispositivo di sincronizzazione è un albero a camme od un attuatore idraulico (non illustrato) di tipo per sé noto ed atto a regolare in maniera controllata l’apertura e la chiusura delle valvole di scarico 24 secondo criteri conosciuti ad un tecnico del settore.

Secondo un altro esempio le canne cilindro possono essere realizzate in ghisa, materiale sinterizzato, ghisa o alluminio cromato a forte spessore o rivestiti con ceramica a seconda di quanto richiedono le temperature di esercizio.

Il ciclo termodinamico compiuto dal motore alternativo a combustione interna sopra esposto si svolge come qui di seguito descritto.

Con riferimento alla figura 1, la condizione indicata dal riferimento 2 corrisponde ad una condizione iniziale del ciclo termodinamico in cui il pistone 12 si trova nella posizione di minima escursione (o punto morto superiore) e il volume della camera 14 assume il valore minimo. La valvola di scarico 24 è inoltre nella sua posizione normale chiusa.

In questa fase, l’iniettore 22 inietta nella camera 14 la quantità di propellente sopra citato verso il dispositivo di innesco 20 che è riscaldato ad una temperatura esemplificativa di 600°C – 800°C, e comunque tale da innescare la combustione di tale quantità di propellente. Di conseguenza la temperatura e la pressione nella camera 14 aumentano in maniera significativa, in quanto la chiusura della valvola di scarico 24 impedisce al propellente in combustione di fuoriuscire dalla camera 14. Quindi il motore assume la condizione indicata dal riferimento 3 (figura 2).

La fase sopra citata, vale a dire il passaggio della condizione indicata con 2 alla condizione indicata con 3, corrisponde in un ciclo termodinamico ideale ad una trasformazione isometrica con adduzione di calore. Ad esempio,la temperatura istantanea di combustione può essere prevista fino a circa 3.500°C, con le derivate conseguenze sul volume dei gas combusti.

Nella fase successiva, la quantità di propellente in combustione nella camera 14 esercita la propria pressione sospingendo il pistone 12 che si sposta dalla posizione di minima escursione verso la posizione di massima escursione (o punto morto inferiore) e il volume della camera 14 assume il valore massimo. Pertanto il motore assume la condizione indicata dal riferimento 4 (figura 3).

La fase sopra citata, vale a dire il passaggio dalla condizione indicata con 3 alla condizione indicata con 4, corrisponde in un ciclo termodinamico ideale ad una trasformazione di espansione isentropica.

Nella fase successiva, la valvola di scarico 24 viene aperta e i gas combusti prodotti dalla combustione della suddetta quantità di propellente sono liberi di uscire dalla camera 14. Pertanto il motore assume la condizione indicata dal riferimento 1.

La fase sopra citata, vale a dire il passaggio dalla condizione indicata con 4 alla condizione indicata con 1, corrisponde in un ciclo termodinamico ideale ad una trasformazione isometrica con sottrazione di calore. I gas di scarico che giungono al collettore di scarico possono essere previsti ad una temperatura esemplificativa fino a circa 900°C.

Nella fase successiva il pistone 12 viene sospinto verso la sua posizione di minima escursione (o punto morto superiore), mentre la valvola di scarico 24 rimane nella condizione di apertura. Particolarmente nel caso delle strutture tipicamente impiegate nel settore automobilistico, come sopra descritto, un esempio ampiamente diffuso di motore alternativo a combustione interna comprende una pluralità di cilindri 10, in cui l’organo motore è un albero a gomiti 16 collegato con i pistoni attraverso un meccanismo di trasmissione includente un manovellismo 18; com’è noto ad un tecnico del settore in questa configurazione il pistone 12 al termine della fase precedente viene richiamato verso la posizione di minima escursione per effetto dalla combustione che avviene nel/i cilindro/i adiacente/i o da un volano.

Pertanto i gas combusti vengono espulsi all’esterno della camera 14, e quando il pistone 12 raggiunge la sua posizione di minima escursione, la valvola di scarico 24 viene nuovamente portata nella sua condizione di chiusura. Quindi il motore si trova nuovamente nella condizione indicata dal riferimento 2, corrispondente alla condizione iniziale del ciclo.

Si può notare dunque che, rispetto ad un ciclo Otto ideale di tipo tradizionale ed illustrato nella figura 1a, è assente l’aspirazione di aria (tratto 5-1) dall’esterno del cilindro 10 e la successiva compressione dell’aria aspirata (tratto 1-2) nella camera 14 prima dell’iniezione di combustibile. Invece, nella forma di realizzazione esemplificativa del ciclo termodinamico secondo l’invenzione, la fase di scarico (tratto 1-2 della figura 1 coincidente con il tratto 1-5 della figura 1a) non prevede una ulteriore fase di aspirazione successiva (il tratto 5-1 della figura 1a è assente nella figura 1), ma può essere iniziata direttamente la fase di trasformazione isometrica con adduzione di calore. Infatti l’aspirazione dell’aria e la successiva compressione di quest’ultima prima dell’iniezione di combustibile viene “delegata” alla struttura fisico-chimica del propellente che è direttamente immesso nella camera 14 dall’iniettore 22 nella opportuna proporzione stechiometrica o sub-stechiometrica combustibile/comburente già al di fuori della camera 14, per avviare la combustione per azione del dispositivo di innesco 20. Questo propellente può essere già fabbricato in tali condizioni stechiometriche (o sub-stechiometriche) mediante una miscelazione fisica affinché esso presenti gli atomi del combustibile e del comburente (ad esempio, atomi di carbonio, idrogeno ed ossigeno) già ravvicinati e distribuiti in maniera omogenea, e non semplicemente mescolati dalle turbolenze ed avvicinati dalla compressione del pistone,come nel ciclo Otto.

Il propellente sopra citato ed iniettato in quantità predeterminate e secondo modalità prestabilite nella camera 14 è preferibilmente un miscuglio formato con gli attuali carburanti esistenti in commercio, con additivazione in miscelazione o per iniezione parallela di forti ossidanti noti nell’industria chimica, da proporzionare in quantità stechiometrica o sub-stechiometrica. Il fatto che il miscuglio di combustibile ed ossidante possa essere proporzionato in quantità sub-stechiometrica contribuisce ad evitare eventuali effetti esplosivi prima dell’immissione della suddetta quantità di miscuglio nella camera 14.

Più in dettaglio, il miscuglio utilizzato può comprendere:

- uno o più combustibili ad esempio formati da idrocarburi, di per sé noti e disponibili commercialmente, selezionati nell’insieme costituito da benzina, gasolio, cherosene e nafte pesanti e/o uno o più biocombustibili selezionati nell’insieme costituito da alcooli e glicerolo; e

- uno o più ossidanti ad esempio selezionati nell’insieme costituito da protossido d’azoto (nella quantità che il suddetto combustibile e/o biocombustibile può ritenere in esso disciolto stabilmente) e perossido di idrogeno (nella quantità necessaria a completare il rapporto stechiometrico o lievemente sub-stechiometrico, se necessario ai fini della sicurezza di utilizzo).

In modo ulteriormente vantaggioso il suddetto miscuglio può includere inoltre uno o più regolanti, ad esempio selezionati nell’insieme costituito da:

- acqua (nella quantità del 10% sul totale complessivo al fine di ridurre la temperatura sul cielo del pistone e del centro della camera di scoppio; inoltre se essa è immessa per diluizione con il perossido di idrogeno ne conferisce una migliorata stabilità);

- urea (in minima percentuale, con il fine di eliminare dalle emissioni gli ossidi di azoto); e

- chelanti EDTA (con il compito di stabilizzare ulteriormente il miscuglio nelle fasi di trasporto, stoccaggio e permanenza nel serbatoio di bordo, e di progressivante nella combustione).

Chiaramente e come noto nel settore il suddetto miscuglio è suscettibile di essere assoggettato ad adattamenti dovuti all’effettuazione di prove al banco e/o su strada della macchina termica per eseguire il ciclo termodinamico secondo la presente invenzione, nonché in funzione di affinamenti richiesti dalle case petrolifere e dal Ministero dei Trasporti.

Inoltre il motore alternativo a combustione interna realizzato secondo la presente invenzione comporta numerosi vantaggi e benefici tecnici.

Ad esempio, l’assenza della necessità di effettuare l’aspirazione e la successiva compressione dell’aria all’interno del cilindro 10 nella camera 14 permette di omettere l’apparato di trattamento dell’aria, dal filtro aria alle valvole di aspirazione. Questa conseguenza permette dunque di semplificare la struttura ed i meccanismi del motore alternativo a combustione interna, nel contempo evitando la dissipazione di energia meccanica dovuta all’aspirazione e compressione dell’aria nei motori e nei cicli termodinamici realizzati secondo la tecnica anteriore.

Inoltre, secondo la presente invenzione, in un motore alternativo a combustione interna è concepibile dimezzare il numero dei cilindri complessivamente impiegati e mantenere sostanzialmente una parità di prestazioni con i motori secondo la tecnica anteriore per il fatto che il ciclo secondo la presente invenzione è sostanzialmente a due tempi rispetto ai quattro tempi previsti in un ciclo Otto di tipo tradizionale.

Il motore alternativo a combustione interna e l’associato ciclo termodinamico realizzati secondo la presente invenzione non saranno più di tipo aspirato o turbocompresso, perché essi non prevedono l’aspirazione e la compressione di aria, e l’effetto turbo potrà essere sostituito dalla quantità di miscuglio che si vorrà iniettare.

Il motore alternativo a combustione interna secondo l’invenzione può rendere facili e redditizie le seguenti ulteriori applicazioni:

una frenatura elettromagnetica con recupero di energia e valida soprattutto nei veicoli a trazione anteriore, e una trazione a quattro ruote motrici con trasmissione elettrica anziché meccanica.

L’alta temperatura istantanea di esplosione, prevedibile a circa 3.500°C, confrontata con i 2.500°C del ciclo Otto, è in grado di generare una dissociazione della CO2in molecole di C ed O2, le quali potranno essere separate e destinate, la prima ad un captatore che la catturi trasformandola in nero-fumo anziché in polveri ultrasottili, e la seconda restituita all’atmosfera.

Ulteriormente i gas di scarico ad alta temperatura, aventi ad esempio circa 900°C ed essendo ad alta riserva di energia, possono essere utilizzati per un attento recupero energetico con una turbina multistadio accoppiata con un generatore elettrico di alta potenza, allo scopo di limitare l’inquinamento termico dell’atmosfera ed utilizzarne l’energia in un motore elettrico accoppiato in ibrido a quello termico.

Secondo una ulteriore possibilità realizzativa della presente invenzione, invece del miscuglio sopra citato, il propellente può essere un composto chimico avente formula, o gruppi di formule, e struttura spaziale specifica (dato l’elevato numero di differenti formule presenti nei carburanti che sono correntemente disponibili commercialmente, le quali possono anche essere compresenti in numero di circa duemila nel medesimo carburante, con un unico elemento comune rappresentato dal carbonio. Ad esempio, la formula chimica bruta del suddetto composto può essere CnHnOnNn.

L’uso del carbonio, che costituisce l’unico elemento comune nella/e formula/e impiegate nel suddetto composto chimico, presenta i seguenti vantaggi:

- il carbonio presenta elevate possibilità di legami chimici;

- il carbonio presenta possibilità di formare strutture spaziali a catena lineare ed esagonale, piane, bidimensionali o tridimensionali, le quali offrono la possibilità di formare un elevatissimo numero di isomeri; e - il notevole numero dei suddetti isomeri permette di trovare il composto avente le caratteristiche fisicochimiche meglio rispondenti alla sicurezza di utilizzo, temperatura di esplosione, quantità di gas prodotto, pulizia chimica dei gas di scarico combusti, ed altro ancora, date le numerose possibilità offerte al progettista chimico.

Nella formula del composto l’inserimento dell’ossidante, quale O2e/o NO2, consentirà un forte potenziamento energetico, da sfruttare per ottenere maggiori potenze o miniori consumi nell’ordine prevedibile del 50%, dovuto all’ulteriore riduzione delle distanze interatomiche ed alla perfetta stechiometria.

Inoltre non vi sarà più il vincolo di prelevare ossigeno dalla sola atmosfera, ma si potranno vantaggiosamente utilizzare o creare altri serbatoi naturali od industriali, quali l’acqua, gli ossidi, i sali, gli acidi, i neo-ossinitrili, trascinando così l’elevato effetto ecologico di ridurre drasticamente il prelievo di ossigeno dall’atmosfera.

Questi ultimi, gli ossinitrili, hanno il prefisso “neo” perché sono nascentemente prodotti da batteri, in elevata quantità negli impianti fognari urbani e in quelli degli allevamenti intensivi di animali. Un elevato fattore ecologico dovuto alla loro captazione ed utilizzo vantaggioso è dato dalla riduzione dell’inquinamento complessivo a livello globale. Infatti viene considerevolmente ridotta la quantità di NO2che si trasforma in acido nitrico, quindi in nitrati, che vanno poi a inquinarne le acque superficiali di terra e quelle prossimali alle foci dei fiumi nei mari, con l’effetto dell’eutrofizzazione.

Per realizzare il suddetto composto è possibile seguire in modo esemplificativamente analogo le modalità con cui è stato sintetizzato il trinitrotoluene, esplosivo stabile di riferimento per tutti gli altri, mediante il processo di nitrificazione del toluene. Più in dettaglio, si dovrebbe perciò procedere con la nitrificazione, eventualmente unita all’ossigenazione, degli idrocarburi noti e correntemente disponibili in commercio ed utilizzati in miscela con l’aria atmosferica nei vari motori a combustione interna costruiti per l’utilizzo di carburanti specifici, quali benzina, gasolio, cherosene, nafte pesanti.

Naturalmente, fermo restando il principio dell’invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall’ambito dell’invenzione come definito nelle annesse rivendicazioni.

Ad esempio, il medesimo principio termodinamico applicato al motore alternativo a combustione interna può essere applicato ad altre macchina termiche motrici, ad esempio alle turbine a gas, impiegabili in ambito aeronautico e navale, con una significativa riduzione di consumi per effetto di una conseguente eliminazione del compressore. Infatti il compressore non risulta più necessario grazie all’immissione del suddetto miscuglio in proporzione stechiometrica o sub-stechiometrica e già nelle condizioni di pressione di iniezione necessarie per avviare la combustione.

Come chiaro ad un tecnico del settore, secondo la presente invenzione, nel caso delle turbine a gas è applicabile una variante migliorativa del ciclo di Brayton, come precedentemente indicato per i cicli Otto e Diesel.

A titolo di esempio, una turbina a gas realizzabile secondo una forma di realizzazione della presente invenzione comprende:

- una camera;

- un iniettore predisposto per immettere un fluido operatore nella camera;

- un dispositivo di innesco predisposto per innescare una combustione nel fluido operatore immesso dall’iniettore nella camera; ed

- una girante motrice predisposta per essere condotta in rotazione da detto fluido operatore in espansione in modo tale da fornire potenza meccanica in uscita.

In una siffatta turbina a gas, il fluido operatore è immesso direttamente dall’iniettore e comprende un flusso di un miscuglio includente un combustibile ottenuto da idrocarburi e/o da biomasse, e un comburente a base di ossidanti, già uniti o miscelati in quantità stechiometrica o sub-stechiometrica al di fuori della camera, in modo tale da iniziare la combustione per azione del dispositivo di innesco (ad esempio, una candela). Le caratteristiche e proprietà del suddetto miscuglio possono essere vantaggiosamente le medesime precedentemente descritte con riferimento al motore alternativo a combustione interna secondo la presente invenzione.

Anche in questo caso l’avvio della combustione si realizza soltanto per azione del dispositivo di innesco e senza l’aspirazione e/o compressione di aria proveniente dall’esterno. Inoltre, come evidente per un tecnico del settore, a differenza del motore alternativo a combustione interna, nella turbina a gas la combustione avviene e prosegue in modo continuo.

La turbina può essere raffreddata in corrispondenza della camera di scoppio, della girante e dei gas attivi, al fine di contenere le temperature di esercizio compatibili con la resistenza dei materiali che si possono o vogliono impiegare nella costruzione. Ciò per mezzo di un dispositivo di raffreddamento, ad esempio del tipo turbofan oppure del tipo cosiddetto “turbowater”, vale a dire una pluralità di spruzzatori di acqua di raffreddamento “a perdere” che realizzano una nebulizzazione di acqua intorno alla camera di scoppio. Entrambe le suddette tipologie di dispositivi di raffreddamento, di tipo per sé noto, hanno anche la funzione di potenziatori, in virtù dell’elevato volume di gas che vanno ad aggiungere a quello naturalmente prodotto dalla combustione.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Ciclo termodinamico per una macchina termica motrice, quale un motore alternativo a combustione interna o una turbina a gas; detto ciclo termodinamico comprendendo nell’ordine le seguenti operazioni: - immettere direttamente in una camera (14) una quantità di un miscuglio propellente liquido, comprendente un combustibile ottenuto da idrocarburi e/o da biomasse, e un comburente a base di ossidanti; detto miscuglio propellente avendo detto combustibile e detto comburente già preliminarmente mescolati od uniti in quantità stechiometrica o sub-stechiometrica al di fuori di detta camera (14); - innescare la combustione di detta quantità di miscuglio propellente immessa in detta camera (14); - far espandere detta quantità di miscuglio propellente in combustione in detta camera (14), convertendo l’energia erogata da detta quantità di miscuglio propellente in espansione in lavoro meccanico; e - scaricare da detta camera (14) i gas derivanti dalla combustione di detta quantità di miscuglio propellente. 2. Ciclo termodinamico secondo la rivendicazione 1, in cui detta quantità di miscuglio propellente non viene assoggettata ad una compressione in detta camera (14) dopo che essa è stata immessa in detta camera (14) e prima che venga innescata detta combustione. 3. Ciclo termodinamico secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui non viene aspirata aria dall’esterno di detta camera (14). 4. Ciclo termodinamico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre la fase di predisporre un serbatoio contenente un volume di detto miscuglio propellente ed atto a fornire detta quantità di miscuglio propellente a detta camera (14). 5. Ciclo termodinamico secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta camera (14) è a volume variabile fra un valore minimo e un valore massimo in funzione della posizione di un pistone (12) delimitante detta camera (14) e sospinto con moto alternativo da detta quantità di miscuglio propellente in espansione in modo tale da convertirne l’energia erogata in lavoro meccanico; detta camera (14) essendo normalmente chiusa e controllabile in apertura rispetto all’ambiente esterno; detta quantità di detto miscuglio propellente essendo iniettato nella camera (14) e detta combustione essendo innescata quando detta camera (14) presenta un volume minimo ed è chiusa. 6. Macchina termica motrice comprendente: - almeno una camera (14); - almeno un iniettore (22) predisposto per immettere un fluido operatore nella camera (14); - almeno un dispositivo di innesco (20) predisposto per innescare una combustione nel fluido operatore immesso dall’iniettore (22) nella camera (14); ed - un organo motore (16) predisposto per essere condotto da detto fluido operatore in modo tale da fornire potenza meccanica in uscita dalla macchina termica motrice; detta macchina essendo caratterizzata dal fatto che detto fluido operatore immesso direttamente da detto almeno un iniettore (22) comprende una quantità di un miscuglio propellente liquido includente un combustibile ottenuto da idrocarburi e/o da biomasse, e un comburente a base di ossidanti, già mescolati od uniti in quantità stechiometrica o sub-stechiometrica al di fuori di detta camera (14), in modo tale da iniziare la combustione per azione del dispositivo di innesco (20). 7. Macchina secondo la rivendicazione 6, in cui essa è un motore alternativo a combustione interna comprendente: - almeno un cilindro (10) le cui pareti interne definiscono una rispettiva cavità interna (11); - almeno un pistone (12) scorrevole con moto alternativo e a tenuta di fluido in detta cavità interna (11) di detto almeno un cilindro (10) in modo tale da definire una rispettiva camera (14) avente un volume variabile fra un valore minimo ed un valore massimo corrispondenti ad una posizione di escursione minima e rispettivamente a una posizione di escursione massima relative alla corsa di detto pistone (12); - un albero motore (16) predisposto per essere azionato in rotazione dal moto alternativo di detto almeno un pistone (12) e fornire potenza meccanica in uscita dal motore; - un meccanismo di trasmissione (18) predisposto per convertire il moto alternativo di detto almeno un pistone (12) nella rotazione di detto albero motore (16); - un iniettore (22) associato a detto almeno un cilindro (10) e predisposto per immettere un fluido operatore in detta camera (14); - un dispositivo di innesco (20) associato a detto almeno un cilindro 10 e predisposto per generare un punto caldo atto ad innescare una combustione nel fluido operatore immesso dall’iniettore (22) nella camera (14); ed - una valvola di scarico (24) associata a detto almeno un cilindro (10), normalmente chiusa e predisposta per aprire in modo controllato detta camera (14) in modo tale da consentire l’espulsione verso l’esterno dei gas di scarico prodotti durante la combustione; detto motore essendo caratterizzato dal fatto che detto fluido operatore immesso direttamente nella camera (14) dall’iniettore (22) comprende una quantità di un miscuglio propellente liquido includente un combustibile ottenuto da idrocarburi e/o da biomasse, e un comburente a base di ossidanti; detto combustibile e detto comburente essendo già mescolati in quantità stechiometrica ottimale al di fuori di detta camera (14) in modo tale da realizzare la combustione per azione di detto dispositivo di innesco (20); detto iniettore (22) iniettando detta quantità di miscuglio propellente nella camera (14) e detto dispositivo di innesco (20) attivando la combustione di detta quantità di miscuglio propellente quando detto pistone (12) si trova nella posizione di minima escursione e detta valvola di scarico (24) è chiusa. 8. Macchina secondo la rivendicazione 7, in cui essa è una turbina a gas comprendente: - una camera; - un iniettore predisposto per immettere un fluido operatore nella camera; - un dispositivo di innesco predisposto per innescare una combustione nel fluido operatore immesso dall’iniettore nella camera; ed - una girante motrice predisposta per essere condotta in rotazione da detto fluido operatore in espansione in modo tale da fornire potenza meccanica in uscita; detta turbina essendo caratterizzata dal fatto che detto fluido operatore è immesso direttamente da detto iniettore e comprende un flusso di un miscuglio propellente liquido includente un combustibile ottenuto da idrocarburi e/o da biomasse e un comburente a base di ossidanti; detto combustibile e detto comburente essendo già mescolati od uniti in quantità stechiometrica o sub-stechiometrica al di fuori di detta camera in modo tale da iniziare la combustione per azione del dispositivo di innesco. 9. Macchina secondo la rivendicazione 8, dotata di un dispositivo di raffreddamento del tipo turbo-fan o turbowater. 10. Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 9, in cui essa è priva di una valvola di aspirazione predisposta per aspirare aria dall’esterno di detta camera. 11. Macchina secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 6 a 10, comprendente inoltre un serbatoio predisposto per contenere un volume di detto miscuglio propellente ed atto a fornire detto miscuglio propellente a detta camera (14) attraverso detto iniettore (22). 1. A thermodynamic cycle for a driving heat engine, such as an reciprocating internal combustion engine or a gas turbine; said thermodynamic cycle comprising, in sequence, the following steps: - directly introducing into a chamber (14) a quantity of a liquid propellant mixture comprising a fuel obtained from hydrocarbons and/or biomasses, and a comburent with oxidizers; said propellant mixture having said fuel and said comburent already preliminarily mixed or joined in a stoichiometric or sub-stoichiometric quantity outside of said chamber (14); - triggering the combustion of said quantity of propellant mixture introduced into said chamber (14); - causing said quantity of propellant mixture to expand in said chamber (14) during the combustion, thus converting the energy delivered by said expanding quantity of propellant mixture into mechanical work; and - discharging from said chamber (14) the gases resulting from the combustion of said quantity of propellant mixture.
2. 2. Thermodynamic cycle according to claim 1, wherein said quantity of propellant mixture is not subject to a compression inside said chamber (14) after it has been introduced into said chamber (14) and before said combustion is triggered.
3. 3. Thermodynamic cycle according to claim 1 or 2, wherein air is not sucked in from the outside of said chamber (14).
4. 4 . Thermodynamic cycle according to any of the previous claims and comprising, furthermore, the step of providing a tank, which contains a volume of said propellant mixture and adapted to deliver said quantity of propellant mixture to said chamber (14).
5. 5 . Thermodynamic cycle according to any of the previous claims, wherein said chamber (14) has a variable volume that varies from a minimum value to a maximum value as a function of the position of a piston (12) delimiting said chamber (14) and pushed with a reciprocating motion by said expanding quantity of propellant mixture, so as to convert the energy delivered into mechanical work; said chamber (14) being normally closed and being suited to be opened with respect to the outside in a controllable manner; said quantity of said propellant mixture being injected into the chamber (14) and said combustion being triggered when said chamber (14) presents a minimum volume and is closed.
6. 6. A heat engine comprising: - at least one chamber (14); - at least one injector (22), for introducing an operating fluid into the chamber (14); - at least one triggering device (20), for triggering a combustion in the operating fluid introduced by the injector (22) into the chamber (14); and - a driving organ (16), to be driven by said operating fluid so as to provide mechanical power at the outlet of the driving heat engine; said heat engine being characterized in that said operating fluid directly introduced by said at least one injector (22) comprises a quantity of a liquid propellant mixture comprising a fuel obtained from hydrocarbons and/or biomasses, and a comburent with oxidizers, which have already been preliminarily mixed or joined in a stoichiometric or substoichiometric quantity outside of said chamber (14), so as to start the combustion due to the action of the triggering device (20) .
7. 7. Heat engine according to claim 6, wherein the heat engine itself is a reciprocating internal combustion engine comprising: - at least one cylinder (10), whose inner walls define respective inner cavity (11); at least one piston (12), which slides with a reciprocating motion and in a fluid-tight manner inside said inner cavity (11) of said at least one cylinder (10), so as to define a respective chamber (14) having a variable volume that varies from a minimum value to a maximum value corresponding to a minimum travel position and a to maximum travel position, respectively, with reference to the stroke of said piston (12); a driving shaft (16), for being rotated by the reciprocating motion of said at least one piston (12) and for providing mechanical power at the outlet of the engine; a transmission mechanism (18), for converting the reciprocating motion of said at least one piston (12) into the rotation of said driving shaft (16); - an injector (22), which is associated to said at least one cylinder (10) and adapted to introduce an operating fluid into said chamber (14); - a triggering device (20), which is associated to said at least one cylinder (10) and adapted for generating a hot spot, for triggering a combustion in the operating fluid introduced by the injector (22) into the chamber (14),<■>and - a discharge valve (24), which is associated to said at least one cylinder (10), normally closed, and adapted to open in a controlled manner said chamber (14), so as to allow the exhaust gases produced during the combustion to be discharged towards the outside; said engine being characterized in that said operating fluid directly introduced into the chamber (14) by the injector (22) comprises a quantity of a liquid propellant mixture comprising a fuel obtained from hydrocarbons and/or biomasses, and a comburent with oxidizers; said fuel and said oxidizing agent being already mixed in an optimal stoichiometric quantity outside of said chamber (14), so as to obtain the combustion due to the effect of said triggering device (20); said injector (22) injecting said quantity of propellant mixture into the chamber (14) and said triggering device (20) activating the combustion of said quantity of propellant liquid when said piston (12) is arranged in the minimum travel position and said discharge valve (24) is closed.
8. 8. Heat engine according to claim 7, wherein the heat engine itself is a gas turbine comprising: - a chamber; - an injector, which is suited to introduce an operating fluid into the chamber; - a triggering device, for triggering a combustion in the operating fluid introduced by the injector into the chamber; and - a driving rotor, for being rotated by said expanding operating fluid, so as to provide mechanical power as an output , said turbine being characterized in that said operating fluid is directly introduced by said injector and comprises a flow of a liquid propellant mixture comprising a fuel obtained from hydrocarbons and/or biomasses, and a comburent agent with oxidizers; said fuel and said comburent being already mixed or joined in a stoichiometric or sub-stoichiometric quantity outside of said chamber, so as to start the combustion due to the action of the triggering device.
9. 9. Heat engine according to claim 8 and provided with a cooling device of the turbo-fan or turbo-water type.
10. 10. Heat engine according to any of the claims from 6 to 9, wherein said heat engine is not provided with a suction valve, for sucking air from the outside of said chamber.
11. 11 . Heat engine according to any of the claims from 6 to 10 and comprising, furthermore, a tank, for containing a volume of said propellant mixture and for delivering said propellant mixture to said chamber (14) through said injector (22).