ITVR20130139A1 - Dispositivo starter di emergenza per veicoli con motore a combustione interna - Google Patents

Description

Titolo: “DISPOSITIVO STARTER DI EMERGENZA PER VEICOLI CON MOTORE A COMBUSTIONE INTERNAâ€

CAMPO DI APPLICAZIONE

La presente invenzione riguarda un dispositivo starter di emergenza per veicoli con motore a combustione interna.

Più particolarmente, la presente invenzione si riferisce ad un dispositivo di emergenza che consente l’avvio di veicoli provvisti di motore endotermico rimasti in panne nella fase di avvio ad esempio a causa di avaria della batteria.

Il dispositivo secondo l’invenzione à ̈ costituito da uno starter portatile comprendente una serie di componenti che determinano il raggiungimento di obiettivi sino ad oggi impensabili, ossia azzeramento dell’impatto ecologico, ridottissima autoscarica, insensibilità alle variazioni di temperatura, peso ridotto, ricarica in tempi brevissimi anche da parte della batteria scarica del veicolo.

Inoltre lo starter secondo l’invenzione prevede di essere sottoposto ad innumerevoli cicli di carica/scarica oltre ad essere evitate le reazioni chimiche che avvengono normalmente nelle tradizionali batterie elettriche.

La presente invenzione trova applicazione nel campo dei veicoli terrestri, nautici ed anche aerei che dispongano di motore a combustione interna, in particolare nel settore degli autoveicoli in genere a motore endotermico di qualsiasi tipo, dimensione e potenza.

STATO DELLA TECNICA

È noto che tutti i tradizionali sistemi di avviamento dei veicoli a motore endotermico sono basati sull’utilizzo di accumulatori di carica elettrica o batterie chimiche, normalmente al piombo o nel migliore dei casi al litio.

Gli accumulatori di carica elettrica o batterie ricaricabili o pile secondarie o accumulatori (abbreviato in accu/akku) sono batterie la cui carica può essere completamente ristabilita mediante l'applicazione di un'adeguata energia elettrica.

Le caratteristiche fondamentali sono la tensione ai morsetti (espressa in volt) e la capacità (espressa in ampere/ora).

Alcuni tipi di batterie ricaricabili sono suscettibili di danni dovuti a una scarica completa (Pb, Li-ion) mentre altre devono essere ciclicamente scaricate onde evitare un rapido degrado delle prestazioni (effetto memoria).

Ne esistono di vari tipi, con diverse capacità elettriche, differenti composizioni chimiche, forma e dimensioni.

La batteria piombo-acido (o accumulatore al piombo o accumulatore piombo-acido), à ̈ il tipo più vecchio di batteria ricaricabile, molto usata per automobili, moto e altri veicoli a motore per alimentare il motorino d'avviamento. È formata da sei celle in serie per una differenza di potenziale o forza elettromotrice totale di 12,73 V a circuito aperto e in piena carica (2,13 V per la singola cella) e di 12 V quando à ̈ in funzione (2 V per la singola cella).

Il problema che si manifesta con l’utilizzo nei veicoli a motore endotermico dotati delle tradizionali batterie chimiche riguarda il fatto che dopo un certo periodo di utilizzo, generalmente dopo qualche anno di attività, oppure dopo un certo periodo di inutilizzo, più o meno improvvisamente possono esaurirsi impedendo il corretto avviamento del veicolo.

In questi casi à ̈ necessario provvedere all’avviamento in emergenza del veicolo richiedendo l’intervento del servizio di assistenza, oppure utilizzando una batteria ausiliaria oppure facendo “ponte†con i cavi tra un veicolo e l’altro.

In alcuni casi, soprattutto quando la batteria del veicolo si à ̈ esaurita a causa del non utilizzo, à ̈ possibile che la ricarica completa della batteria consenta il suo normale riutilizzo, mentre in altri casi, in particolare quando la batteria à ̈ “esaurita†, à ̈ richiesta la sua sostituzione con una batteria nuova.

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

La presente invenzione si propone di mettere a disposizione un dispositivo del tipo a starter utilizzabile in caso di necessità su veicoli dotati di motore endotermico, in grado di eliminare o quantomeno ridurre gli inconvenienti sopra evidenziati.

L’invenzione si propone inoltre di fornire un dispositivo starter che sia di semplicissima realizzazione e che offra notevoli vantaggi pratici tali in particolare da evitare tutte le problematiche inerenti alla difficoltà di utilizzare una batteria ausiliaria oppure di fare “ponte†con i cavi tra un veicolo e l’altro.

Ciò à ̈ ottenuto mediante un dispositivo starter per veicoli a motore endotermico, le cui caratteristiche sono descritte nella rivendicazione principale.

Le rivendicazioni dipendenti della soluzione in oggetto delineano forme di realizzazione vantaggiose dell’invenzione.

I principali vantaggi di questa soluzione, oltre a tutti quelli che derivano dalla semplicità costruttiva, riguardano innanzitutto il fatto di basarsi sull’utilizzo di supercondensatori, opportunamente disaccoppiati dal circuito elettrico del motore sul quale dovremo intervenire.

L’utilizzo di questa tecnologia offre innumerevoli e indubbi vantaggi, di seguito evidenziati.

a) Impatto ecologico azzerato;

b) Autoscarica ridottissima;

c) Insensibilità alle variazioni di temperatura; d) Peso sensibilmente ridotto;

e) Ricarica in tempi brevissimi;

f) Possibilità di essere ricaricato anche dalla batteria scarica;

g) La batteria ha una grossa riserva di energia, ma una bassa disponibilità di potenza;

h) Innumerevoli cicli di carica scarica;

i) Nessuna reazione chimica interna.

Non vi sono reazioni chimiche, ma solo fisiche, con tutti i vantaggi che in parte sono già stati spiegati.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Altre caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risulteranno evidenti, alla lettura della descrizione seguente di una forma di realizzazione dell’invenzione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con l'ausilio dei disegni illustrati nelle tavole allegate, in cui:

- la figura 1 rappresenta la vista schematica frontale di un esempio costruttivo di dispositivo starter di emergenza secondo l’invenzione;

- la figura 2 ne illustra una vista schematica in pianta;

- la figura 3 Ã ̈ una vista schematica laterale e

- la figura 4 mostra uno schema elettrico con gli essenziali collegamenti del sistema secondo l’invenzione;

- le figure da 5 a 7 rappresentano viste schematiche rispettivamente di fronte, in pianta e di lato del pacco di condensatori, comprensivi di dissipatore, utilizzato nel dispositivo starter secondo l’invenzione.

DESCRIZIONE DI UNA FORMA DI REALIZZAZIONE DELL’INVENZIONE Facendo riferimento alle figure allegate, il dispositivo starter di emergenza per autoveicoli, à ̈ sostanzialmente costituito da una scatola di contenimento 10 dotata di impugnatura 11 su ciascuno dei cui due lati esterni contrapposti sono collocate rispettive pinze con polo positivo 12 e negativo 13 di collegamento agli elettrodi di una batteria mediante cavi 14 e 15 ad esempio di tipo avvolgibile su appositi rocchetti di supporto 16.

All’interno della scatola di contenimento 10 sono disposti i componenti che consentono di alimentare di corrente elettrica a 12 V le pinze 12 e 13, in modo tale che tali pinze opportunamente collegate consentano l’avviamento di un veicolo in panne a causa dell’esaurimento della propria batteria in dotazione.

Con riferimento allo schema di figura 4 i componenti secondo l’invenzione utilizzati per il funzionamento dello starter sono i seguenti:

a) R1 = Resistenza 0.2 ohm 200W (2 x 0.1100W in serie su dissipatore);

b) R2 = Resistenza 1ohm 100W su dissipatore;

c) D1 = Diodi 4 x 120A in parallelo su dissipatore;

d) C1 = Supercondensatore 250F 16V (6 x 1500F 2.75V in serie);

e) SK1 = Presa 12V 25° (per collegamento cavo accendisigari).

I simboli positivo “+†e negativo “-†sono connessi ai cavi 14 e 15 (uno rosso ed uno nero) da 25 mm<2>con le relative pinze 12 e 13 per collegamento alla batteria da avviare.

La resistenza R1 serve a limitare la corrente quando si connettono le pinze e consente una carica rapida dello starter (circa 1 minuto).

La resistenza R2 limita la corrente ad un max di 12 ampere in caso di ricarica tramite presa accendisigari (tempo di ricarica circa 5 minuti).

D1 serve per disaccoppiare il condensatore e la batteria in modo da evitare un virtuale corto circuito quando si connette la batteria. Ricordiamo che la resistenza interna di C1 e di soli 3 milliohm. D1 Ã ̈ in tecnologia shottky, questo permette di avere una caduta di tensione di soli 0.4V.

Il supercondensatore C1 garantisce con i suoi 250 Farad picchi di corrente di oltre 4000 ampere con una caduta di tensione di 0.7 volt per una normale accensione.

Un supercondensatore (detto anche supercapacitore) à ̈ un particolare condensatore che ha la caratteristica di accumulare una quantità di carica elettrica eccezionalmente grande rispetto ai condensatori tradizionali. Infatti mentre questi ultimi hanno valori di capacità dell'ordine dei mF, i supercondensatori posso arrivare oltre i 5000 F (farad).

Sono dispositivi di conversione ed accumulo dell'energia caratterizzati da elevate potenze specifiche ed energie di gran lunga superiori rispetto ai condensatori convenzionali.

I supercondensatori sono prevalentemente utilizzati come accumulatori di energia elettrica. Rispetto agli accumulatori chimici presentano il vantaggio di poter essere caricati o scaricati quasi istantaneamente, garantendo così un'elevatissima potenza specifica. Inoltre hanno un numero di cicli di carica/scarica molto più elevato rispetto agli accumulatori tradizionali.

Lo svantaggio più rilevante, sempre rispetto agli accumulatori chimici, à ̈ la bassa energia immagazzinata.

I supercondensatori sono di solito costituiti da due elettrodi di materiale vario (in genere alluminio) ricoperti di carbone attivo ad elevata area superficiale (fino a 2000 m2/g), un separatore ed un elettrolita. Il separatore ha la funzione di indirizzare meglio il flusso di ioni soprattutto ad alta densità di corrente. In alcuni dispositivi gli elettrodi possono essere costituiti da ossidi di metalli (es. ossido di rutenio) o polimeri conduttori; in questo caso la reazione di carica/scarica del supercondensatore non à ̈ di tipo elettrostatico bensì faradico pseudo-capacitivo, sono cioà ̈ reazioni di tipo faradico di velocità confrontabile con quelle di tipo elettrostatico.

Gli elettroliti sono tipicamente acquosi od organici, i primi garantiscono l'utilizzo in finestre di potenziale ridotte, circa un volt, mentre gli organici possono avere finestre di potenziale di utilizzo di quasi tre volt. Un nuovo tipo di elettroliti per questi dispositivi à ̈ costituito dai liquidi ionici che permettono di lavorare in finestre di potenziale nettamente superiori, fino a sei volt.

L'energia immagazzinata à ̈ superiore rispetto ad un condensatore classico poiché la separazione di carica si ha nel doppio strato elettrodico che avviene a distanze di scala molecolare.

L’utilizzo di questa tecnologia offre innumerevoli e indubbi vantaggi, che di seguito vengono elencati ed esplicati poi singolarmente.

a) Impatto ecologico azzerato:

I supercondensatori (ultracapacitors) sono costituiti da un contenitore di alluminio con all’interno un film dielettrico cosparso di nano-particelle di carbone allo spessore molecolare. Tutti elementi comunque facilmente riciclabili, a differenza del piombo e degli acidi contenuti in una batteria tradizionale.

b) Autoscarica ridottissima:

L’autoscarica di un condensatore à ̈ virtualmente inesistente: Nel caso del supercondensatore vi à ̈ una auto scarica nei primi giorni di circa 1 volt per poi ridursi a circa 5 mV al giorno, dovuta alle caratteristiche costruttive.

c) Insensibilità alle variazioni di temperatura:

Non si manifestano cadute di prestazioni da -65 a 65°C. Le batterie al PB perdono sensibilmente efficacia sotto 0°C, proprio quando il motore, a causa della densità dell’olio, richiede spunti di accensione maggiori.

d) Peso sensibilmente ridotto:

Il pacco di capacitori calcolato per l’accensione di ICE fino a 3.2 litri Diesel e 5 litri benzina, pesa circa 2 Kg, non paragonabile al peso dei sistemi tradizionali.

e) Ricarica in tempi brevissimi:

La ricarica potrebbe essere istantanea, ma nel progetto si à ̈ preferito aumentare il tempo a circa 100 secondi per non sovraccaricare la fonte di energia.

Possibilità di essere ricaricato anche dalla batteria scarica Questo concetto, che può sembrare irrealistico, à ̈ spiegabile conoscendo il comportamento chimico degli accumulatori al piombo: quando proviamo ad accendere il motore di una vettura fermo da più di un mese, ci può capitare che il motorino di avviamento stenti a spuntare, ma se misuriamo la tensione della batterie leggeremo probabilmente 12.5 V (anziché 12.8 di piena carica). È probabile però che l’energia disponibile sia solo dimezzata e che siano disponibili ancora 30/40Ah. Questo fatto si spiega considerando che la resistenza interna delle celle per un accumulatore da 70Ah à ̈ di circa 3 mohm; considerando una corrente di spunto di 400Ah, per la legge di Ohm si ottiene una caduta di tensione di 1.2V (V=RI) che sottratti ai 12.8 nominali danno una tensione di spunto di 11.8V, perfettamente compatibili con l’accensione. Purtroppo la resistenza interna a mezza carica può raggiungere anche 15mohm che portano la caduta di tensione a 4.5V, rendendo impossibile l’avviamento motore.

La resistenza interna del pacco condensatori sperimentato à ̈ sempre di 3mohm, ma si mantiene costante per ogni livello di carica. Per avviare un ICE di media cilindrata à ̈ sufficiente circa 1 Wh, che se condensato in un tempo massimo di 1 sec, ci danno una disponibilità di potenza di 3.6 KW (1h=3600s).

La batteria ha una grossa riserva di energia, ma una bassa disponibilità di potenza. Il condensatore può accumulare pochissima energia, ma può esprimerla con grande potenza (nel nostro caso fino a 4000Ah di spunto). Quindi riassumendo: se noi chiediamo grossa potenza ad una batteria quasi scarica non la otterremo, ma se la stessa energia la chiediamo in un tempo molto più lungo di quello di un avviamento (100 sec anzichà ̈ 1 sec), ecco che otterremo il risultato voluto.

f) Innumerevoli cicli di carica scarica:

I supercondensatori accettano fino ad un milione di cicli (contro 400/500 dei sistemi tradizionali) senza subire variazioni apprezzabili di prestazioni; questo conduce anche ad una durata di vita notevolmente superiore.

g) Nessuna reazione chimica interna;

Non vi sono reazioni chimiche, ma solo fisiche, con tutti i vantaggi che in parte sono già stati spiegati.

In conclusione non vi sono svantaggi riscontrabili, ma solo miglioramenti inequivocabili da parte dello starter oggetto del brevetto.

Qui di seguito vengono evidenziati i risultati di quattro test eseguiti con lo starter in oggetto.

Test effettuati su autovetture benzina 2000cc e diesel 2200cc, utilizzando la seguente strumentazione: Fluke 190 oscilloscopio digitale;

Fluke 175 multimetro digitale;

Fluke 376 pinza amperometrica in DC.

â— Primo test:

Temperatura ambiente -5°C, motore diesel, distacco completo della batteria e avviamento con solo starter precaricato.

Tempo di avviamento 850 msec.

Corrente di spunto (CA) 490 Ah.

â— Secondo test:

Come sopra, ma temperatura 0°C:

Tempo di avviamento 620 msec.

Corrente di spunto (CA) 375 Ah.

â— Terzo test:

Come sopra, ma temperatura 8°C.

Tempo di avviamento 450 msec.

Corrente di spunto (CA) 290 Ah.

â— Quarto test:

Temperatura ambiente 8°C, motore benzina, batteria parzialmente scarica (dopo 2 mesi di fermo) dimostratasi incapace di avviamento ma con tensione di 12.5V (anziché 12.8V). Starter scaricato fino a 6V.

Procedura: si à ̈ collegato lo starter per circa 2 min alla batteria “scarica†.

Tempo di avviamento 410 msec.

Corrente di spunto (CA) 210 Ah.

L’invenzione à ̈ stata precedentemente descritta con riferimento ad una sua forma di realizzazione preferenziale. Tuttavia à ̈ chiaro che l’invenzione à ̈ suscettibile di numerose varianti che rientrano nel proprio ambito, nel quadro delle equivalenze tecniche.

Claims (10)

1. Titolo: “DISPOSITIVO STARTER DI EMERGENZA PER VEICOLI CON MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA†RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo starter di emergenza atto a fornire la corrente di spunto di accensione alla batteria di un veicolo dotato di motore a combustione interna, comprendente mezzi (12, 13, 14, 15) di collegamento ai morsetti di detta batteria, ed un circuito elettrico connesso ai detti mezzi di collegamento, caratterizzato dal fatto che il detto circuito elettrico comprende un pacco di supercondensatori (C1) a carica e scarica rapida in grado di fornire ad una batteria scarica la corrente di spunto necessaria al motorino di avviamento del suddetto veicolo.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il detto circuito elettrico comprende inoltre una coppia di contatti (SK1) collegabili ad una sorgente esterna di energia elettrica allo scopo di effettuare la carica del detto pacco di supercondensatori (C1).
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che la detta coppia di contatti (SK1) à ̈ collegabile ad una presa accendisigari di un veicolo, e dal fatto che il detto circuito elettrico comprende una prima resistenza elettrica (R2) che limita l'intensità di corrente quando la ricarica del pacco di condensatori (C1) avviene tramite detta presa accendisigari.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che l'intensità di corrente à ̈ limitata ad un massimo di 12A.
5. 5. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che esso comprende inoltre un dissipatore di calore (fig. da 5 a 7) e dal fatto che il detto circuito elettrico comprende un diodo (D1) collegato in parallelo sul detto dissipatore ed una seconda resistenza elettrica (R1) collegata in serie sul detto dissipatore, il detto diodo (D1) essendo utilizzato per disaccoppiare il detto pacco di supercondensatori e la batteria del detto veicolo in modo tale da evitare un possibile corto circuito al momento della connessione dei detti mezzi di collegamento ai morsetti della detta batteria, la detta seconda resistenza elettrica (R1) essendo utilizzata a limitare l'intensità di corrente allorchà ̈ i detti mezzi di collegamento vengono connessi ai morsetti della batteria, nonchà ̈ per consentire la carica rapida del pacco di condensatori.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che il detto diodo (D1) Ã ̈ realizzato con tecnologia a bassa caduta di tensione, in particolare con tecnologia Schottky.
7. 7. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto pacco di condensatori ha una capacità elettrica di circa 250F, garantendo così un picco di corrente di oltre 4000A con una caduta di tensione attorno a 0,7V.
8. 8. Dispositivo secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il detto circuito elettrico à ̈ racchiuso all'interno di un contenitore (10) dotato di un manico di trasporto (11).
9. 9. Dispositivo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che i detti mezzi di collegamento alla batteria di un veicolo comprendono una coppia di pinze (12, 13) dotate di cavi di collegamento (14, 15) connessi al detto circuito elettrico, nonchà ̈ almeno un rocchetto avvolgitore di detti cavi e collegato al detto contenitore.
10. 10. Dispositivo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che il detto contenitore comprende una coppia di patelle di ancoraggio di dette pinze.