IT201600079717A1

IT201600079717A1 - Motore a propulsione ibrida per veicoli aereonautici

Info

Publication number: IT201600079717A1
Application number: IT102016000079717A
Authority: IT
Inventors: Mauro Varetti
Original assignee: Amico
Priority date: 2016-07-28
Filing date: 2016-07-28
Publication date: 2018-01-28

Description

"MOTORE Ά PROPULSIONE IBRIDA PER VEICOLI AEREONAUTICI"

DESCRIZIONE

La presente invenzione riguarda un motore a propulsione ibrida per veicoli aereonautici.

Sono note varie tipologie di motori a propulsione ibrida e le principali architetture note si possono classificare in due famiglie:

- architettura in cui si ha un generazione di lavoro mediante motore a combustione interna, successivamente si effettua una trasformazione totale del lavoro prodotto dal motore in energia elettrica mediante generatori, con o senza l'ausilio di batterie tampone, e infine si trasforma l'energia elettrica in energia meccanica, utile per eseguire movimenti di trazione, tramite un motore elettrico: tipiche applicazioni di questa architettura si hanno nei locomotori diesel elettrici per trazione ferroviaria;

- architettura in cui si ha una generazione di lavoro mediante motore a combustione interna, successivamente si effettua una trasformazione parziale del lavoro prodotto dal motore in energia elettrica mediante generatori, con o senza l'ausilio di batterie tampone, e infine si trasforma l'energia elettrica in energia meccanica, utile per eseguire movimenti di trazione, con motori elettrici posti in parallelo con la parte rimanente di energia meccanica fornita direttamente dal motore a combustione interna: tipiche applicazioni di questa architettura si hanno nell'autotrazione di vetture di alta gamma.

Queste due architetture si pongono come alternativa a due altri sistemi di propulsione: il primo, estremamente convenzionale quanto diffuso, è basato sulla sola produzione di lavoro mediante motori a combustione interna; il secondo è basato su sistemi di propulsione esclusivamente elettrica ed è relegato, per ora, solo ad ambiti speciali (ad esempio carrelli elevatori, trasporti in aree protette quali aeroporti o più recentemente su alcune vetture).

Il sistema basato sulla sola combustione interna sta recentemente mostrando alcuni limiti legati alle necessità di ottemperare a regolamenti e fabbisogni legati alle questioni di risparmio energetico e livelli di emissioni: il fattore critico è il rendimento termodinamico di trasformazione in energia meccanica, che è intorno al 30%, aggravato dal fatto che questo rendimento è tipico del funzionamento a punto fisso, ossia potenza e giri costanti. Tuttavia è noto che un motore viene regolato in potenza e regime di rotazione per le esigenze operative, e occorre quindi tenere conto, nell'economia globale, dello spettro di utilizzazione reale del motore che fa scendere il rendimento effettivo a livelli inferiori.

Il sistema basato sulla propulsione solo elettrica ha il notevole svantaggio di dover disporre a bordo dell'energia necessaria al suo funzionamento, la quale viene accumulata in batterie che hanno un peso e un volume notevoli rispetto alla quantità di energia immagazzinabile, e ben superiori a quelli di un combustibile liquido quale benzina, gasolio o Jet A.

Motori a propulsione ibrida noti comprendono un motore a combustione interna, utilizzato prevalentemente al punto fisso, il quale è predisposto per utilizzare un combustibile che ha una densità di energia predeterminata in modo tale da fornire energia meccanica nel modo più efficiente possibile. Tale energia meccanica viene quindi:

a) utilizzata in parte per eseguire una trazione diretta del veicolo, preferibilmente con un cambio di velocita automatico o un CVT ( Continuous Variable Transmission) . b) utilizzata, per la restante parte, per generare energia elettrica attraverso un generatore, per coadiuvare o sostituire la trazione diretta a seconda dei modi di funzionamento del veicolo, per alimentare le tipiche utenze elettriche di bordo e/o per alimentare batterie di bordo. Un motore a propulsione ibrida comprende quindi un motore elettrico che ha il compito di coadiuvare la trazione affiancandosi al motore a combustione interna, ed eventualmente di sostituirlo integralmente in determinate condizioni operative. Tale funzione può essere estesa ad un asservimento del CVT.

Un motore ad alimentazione ibrida necessita quindi di:

- un generatore elettrico di peso e dimensioni predeterminate per poter assolvere alla funzioni dedicate; - batterie di peso e dimensioni predeterminate in modo tale da soddisfare il fabbisogno del sistema propulsivo ibrido; - una centralina elettronica di controllo e gestione della potenza per la gestione delle potenze e delle regolazioni del motore elettrico;

- un motore elettrico di predeterminata potenza per la propulsione ;

- un sistema di trasmissione che combini gli ingressi di potenza del motore a combustione interna e del motore elettrico .

In figura 1 è mostrato un motore a propulsione ibrida 1 secondo la tecnica nota. Nella descrizione che segue si farà riferimento ad un motore aereonautico.

Il motore 1 è predisposto per ricevere aria 2 proveniente dall'ambiente esterno, la quale entra in un turbocompressore di sovralimentazione 4 attraverso una presa d'aria del velivolo, preferibilmente orientata in modo da recuperare il termine cinetico della velocità di volo così da contribuire al rapporto di compressione del ciclo termodinamico totale. L'aria viene compressa dal turbocompressore 4 ad una predeterminata pressione in funzione della potenza richiesta alla quota di volo. La potenza viene fornita da una turbina 6 che elabora la potenza disponibile nei gas di scarico del veicolo e comanda il turbocompressore 4 mediante un albero 8 che li collega rigidamente. Portata d'aria e pressione vengono regolati in modo per sé noto variando il numero di giri della turbina 6 e, a volte, anche con una geometria variabile dei condotti della turbina 6.

L'aria compressa dal turbocompressore 4, che si riscalda per effetto della compressione sensibilmente adiabatica, entra quindi in uno scambiatore di calore 10 (detto "Intercooler") che ha il compito di raffreddarla smaltendo il calore verso l'ambiente esterno tramite aria esterna che, a sua volta, entra ed esce dallo scambiatore 10 stesso preferibilmente in configurazione " counter cross flow", ossia in controcorrente con attraversamenti ripetuti dello scambiatore 10 per mantenere compatte le dimensione ed il peso dello scambiatore 10 stesso.

La regolazione del flusso raffreddante attraverso lo scambiatore 10 può contribuire alla regolazione del motore 1 in funzione della quota e quindi della temperatura dell'aria esterna .

Talvolta, lo scambiatore di calore 10 non è presente.

L'aria proveniente dallo scambiatore 10 entra quindi in un cilindro di un motore a combustione interna 12 in modo per sé noto.

Il motore a combustione interna 12 è un motore volumetrico a pistoni a due o quattro tempi, oppure a pistone rotante (Wankel), e opera preferibilmente secondo il ciclo Diesel.

11 combustibile vantaggiosamente usato è gasolio per autotrazione oppure, per impieghi a più alte quote (e quindi minori temperature esterne), il Jet A.

I gas di scarico fuoriescono in modo per sé noto dal motore 12 e questi gas di scarico, che hanno ancora un contenuto energetico notevole sia sotto forma di temperatura che sotto forma di pressione, vengono inviati 100 alla turbina 6 e fatti espandere nella turbina 6 stessa generando la potenza necessaria a trascinare il predetto turbocompressore 4.

In caso di alte potenze richieste può succedere che la potenza residua disponibile allo scarico del motore a combustione 12 sia maggiore rispetto a quanto richiesto dal turbocompressore 4: in questo caso si interviene con una valvola detta 'Vaste gate" che sfiata il gas di scarico in eccesso per evitare di mandare in sovra-velocità il turbocompressore 4 e sovralimentare così il motore 1 oltre i limiti strutturali per i quali è stato dimensionato.

Talvolta questa potenza non viene sprecata ma viene utilizzata facendo espandere tutta la portata nella turbina 6 raccogliendo l'eccesso di potenza sul medesimo albero 8 che trascina anche il turbocompressore 4; tale potenza viene quindi inviata ad un generatore elettrico principale 14 il quale la utilizza per trasformarla in potenza da fornire ad un riduttore epicicloidale 16, come qui sotto descritto. Quando questo esubero di potenza viene quindi utilizzato si ha un motore di tipo "turbocompound" .

In un motore " turbocompound " si hanno quindi due sorgenti di potenza meccanica che possono essere combinate insieme per fornire potenza al riduttore epicicloidale 16.

L'introduzione del generatore elettrico principale 14 asservito alla trasmissione meccanica trasforma il motore in un motore cosiddetto "ibrido" e consente di ottenere un rapporto di trasmissione variabile e regolabile grazie all'adozione del riduttore epicicloidale 16, permettendo al motore a combustione interna 12 di essere regolato in regime di rotazione ottimale, indipendentemente dal regime di rotazione richiesto all'elica.

In una variante del motore 1 qui sopra descritto è presente un generatore elettrico ausiliario 17 il quale, analogamente al generatore elettrico principale 14, è collegato alla turbina 6 dalla quale viene azionato per generare corrente elettrica da usare come qui sotto descritto.

Nella figura 1 è quindi rappresentato uno schema di asservimento elettrico con il generatore elettrico principale 14 (e/o il generatore elettrico ausiliario 17) che assorbe l'eccesso di potenza generabile da una regolazione ottimale del motore 1. La potenza elettrica resa disponibile dai generatori elettrici 14 e 17 viene usata, da un'unità di controllo 18, sia per alimentare utenze di bordo 19 sia per alimentare un motore elettrico a giri variabili 20 che comanda la velocità di rotazione della corona del riduttore epicicloidale differenziale 16 trasformandolo in una trasmissione a rapporto continuamente variabile (CVT). Analogamente, il motore a combustione interna 12, comanda il pignone interno del riduttore epicicloidale 16 tramite un albero 12a.

Il motore 1 è solitamente gestito da un sistema di controllo elettronico (non mostrato in figura) che definisce, sulla base delle mappe delle caratteristiche dei componenti e della strategia di regolazione ottimale, i rispettivi regimi di rotazione intervenendo sulla manetta del velivolo e sulla ripartizione delle potenze attraverso il CVT.

Il principale svantaggio del motore sopra descritto risiede nella necessità di disporre sia del pesante generatore elettrico principale 14, sia di altrettanto pesanti batterie tampone 22 che, complessivamente, aumentano il peso del veicolo e ne riducono lo spazio utile.

Le batterie tampone 22 sono necessarie per alimentare l'unità di controllo 18 e il motore elettrico a giri variabili 20 per compensare nei transitori gli sbilanci di energia elettrica generata dai generatori 14 e 17 rispetto a quella richiesta dal motore a giri variabili 20 e dalle utenze di bordo 19.

La potenza generata dai generatori 14 e 17 arriva quindi all'unità di controllo 18 che opera come controllore della potenza: se tutta la potenza ricevuta serve al motore a giri variabili 20 viene inviata tutta in quelle direzione, se ne serve solo una parte, la potenza rimanente va ricaricare le batterie tampone 22 se hanno capacità di immagazzinamento residua, se anche in questo caso la potenza è esuberante, allora l'unità di controllo 18 interviene sulla regolazione del motore a combustione interna 12 e sull'eccitazione del generatori elettrici 14 e 17 per diminuire la quantità di potenza generata.

Scopo della presente invenzione è dunque quello di proporre un motore a propulsione ibrida per veicoli innovativo che superi gli svantaggi dei motori della tecnica nota.

Questo ed altri scopi vengono raggiunti con un motore a propulsione ibrida per veicoli le cui caratteristiche sono definite nella rivendicazione 1.

Modi particolari di realizzazione formano oggetto delle rivendicazioni dipendenti, il cui contenuto è da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione appariranno dalla descrizione dettagliata che segue, effettuata a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la Figura 1, sopra descritta, mostra un diagramma schematico di un motore a propulsione " turbocompound" ibrida secondo la tecnica nota;

- la Figura 2 mostra un diagramma schematico di un motore a propulsione ibrida secondo la presente invenzione; e

- la Figura 3 mostra un ingrandimento della zona della cella combustibile di figura 2.

In sintesi, il motore a propulsione ibrida della presente invenzione combina i vantaggi e compensa gli svantaggi dei motori della tecnica nota, in modo da mitigare gli effetti negativi ed esaltare quelli positivi.

Nella figura 2 è illustrato un diagramma schematico di un motore secondo la presente invenzione il quale comprende tutti i componenti sopra descritti appartenenti ad un motore della tecnica nota (e si utilizzeranno quindi gli stessi riferimenti) .

Una parte della potenza meccanica viene fornita al riduttore epicicloidale 16 direttamente tramite l'albero 12a che collega il motore a combustione interna 12 al pignone interno (solare) del riduttore epicicloidale 16, mentre un'altra parte di potenza viene fornita alla corona esterna del riduttore 16 tramite l'albero 8 che collega la turbina 6 e il turbocompressore 4 al riduttore 16.

Questo tipo di accoppiamento esclusivamente meccanico stabilisce tuttavia un rapporto di trasmissione fisso ed immutabile, ma le condizioni di volo e le richieste di potenza portano però entrambe le componenti del motore, ossia il turbocompressore 4 e la turbina 6 da un lato, e il motore a combustione interna 12 dall'altro lato, a lavorare a regimi di rotazione inidonei per l'ottenimento di un rendimento ottimale, che al limite si può raggiungere solo per una determinata potenza ad una determinata quota.

Il motore della presente invenzione comprende, in sostituzione delle batterie tampone 22 e dei generatori di ricarica 14 e 17, una pluralità di celle ad idrogeno alimentate da idrogeno immagazzinato in materiali liquidi LOHC+ (Liquid Organic Hydrogen Carrier caricato con idrogeno) in modo per sé noto.

Nell'applicazione di propulsione aeronautica della presente invenzione si utilizza il liquido LOHC- come combustibile del motore a combustione interna 12 sfruttando alcune caratteristiche del processo di dissociazione catalitica o deidrogenazione del LOHC+ in LOHC- in chiave di recupero termodinamico come qui sotto descritto.

In sintesi, con riferimento alla figura 2:

- un liquido LOHC+ 50 viene immagazzinato in un serbatoio 51, posto tipicamente dentro le ali del velivolo, e con apposite pompe di per sé note viene inviato ad un catalizzatore 52 che esegue le deidrogenazione; preferibilmente il liquido 50 attraversa un scambiatore in controcorrente 53 (vedere la figura 3, che mostra un ingrandimento della zona della cella combustibile di figura 2);

- il catalizzatore 52 viene mantenuto ad una predeterminata temperatura sfruttando il calore latente dei gas di scarico che fuoriescono dalla turbina 6, effettuando una prima parte di recupero termodinamico;

all'uscita del catalizzatore 52 si ottiene:

i) idrogeno gassoso caldo che viene inviato ad almeno una cella a combustibile 54, dove reagisce con aria prelevata dell'esterno generando energia elettrica per alimentare il motore elettrico 20;

ii) liquido LOHC- 56 allo stato di vapore che viene inviato al motore a combustione interna 12 e genera potenza sfruttando il calore di vaporizzazione del combustibile, effettuando una seconda parte del recupero termodinamico. Per la parte eventualmente eccedente al fabbisogno istantaneo del motore a combustione interna 12 il LOHC- 56 viene inviato indietro al serbatoio 51 attraverso il precedente scambiatore di calore 53, in modo da ritornare liquido e contribuire al riscaldamento del processo di deidrogenazione, effettuando in tal modo una terza parte di recupero termodinamico.

In una variante dell'invenzione, questo vapore o liquido ancora caldo viene convogliato all'interno di un sistema antighiaccio 60 del velivolo (tipicamente il bordo di attacco delle ali) contribuendo ulteriormente ad un recupero termodinamico .

In una variante dell'invenzione, è presente un generatore elettrico aggiuntivo 80 operante come sopra descritto in riferimento ai generatori elettrici principale 14 e ausiliario 17.

Il liquido LOHC-, prodotto di scarto del processo di dissociazione catalitica effettuato dalle celle ad idrogeno, viene utilizzato come combustibile del motore a combustione interna 12 invece di essere conservato per essere portato all'impianto di ricarica, al termine del volo.

Il riutilizzo del liquido LOHC- è il fattore determinante dell'invenzione e gli altri aspetti rigenerativi sopra descritti sono aspetti diversi e importantissimi in quanto combinati con il riuso del liquido di scarto.

Durante il volo, più un areo si alleggerisce perché brucia il combustibile meno portanza richiede; poiché esiste un rapporto fisso ottimale per ogni velivolo tra portanza e la resistenza all'avanzamento (detto "finezza aerodinamica") ne consegue che più il peso scende, meno resistenza oppone e quindi meno potenza richiede per mantenere la velocità di volo a una data quota.

La soluzione nota che usa le semplici batterie non fa perdere peso alle batterie che si scaricano, mentre la soluzione della presente invenzione che prevede di non riportare indietro il liquido LOHC- (bruciandolo nel motore a combustione interna come descritto nella presente invenzione) fa invece perdere peso al velivolo diminuendo progressivamente il requisito di portanza e di resistenza indotta, e quindi spinta e potenza necessaria per il volo, con vantaggi su consumo, autonomia e costi di esercizio. Come ulteriore esempio, si può avere un velivolo dimostratore o speciale che sfrutti il solo metodo dell' utilizzo del LOCH+ in una cella a combustibile per propulsione solo elettrica con conservazione del LOCH-esausto, senza brucialo in un motore a combustione interna. Tale velivolo, pur non sfruttando il vantaggio dell'ibridazione come sopra descritta, consente di avere un notevole vantaggio di densità di energia (kWh/kg) del LOHC+ rispetto alle batterie, con un fattore di circa dieci. Questo vantaggio è però mitigato dal peso del catalizzatore e delle cella a combustibile, che è un peso fisso ed immutabile nel volo, pertanto, questa soluzione diventa sempre più vantaggiosa quanto maggiore è l'autonomia richiesta dal velivolo, come per esempio in sistemi di droni MALE (Medium Altitude Long Endurance ) .

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, le forme di attuazione ed i particolari di realizzazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto è stato descritto ed illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Motore a propulsione ibrida (1) per un velivolo com-prendente: - un motore a combustione interna (12) e un motore elet-trico (20); - una pluralità di celle ad idrogeno alimentate da un li-quido predeterminato immagazzinato in un serbatoio (51), in cui dette celle ad idrogeno comprendono un rispettivo catalizzatore (52) atto ad eseguire un processo di deidro-genazione di detto liquido ottenendo un liquido esausto; in cui, al termine di detto processo di deidrogenazione, si ottiene idrogeno gassoso caldo che viene inviato ad al-meno una cella a combustibile (54) dove reagisce con aria proveniente dall'esterno per generare energia elettrica per alimentare detto motore elettrico (20), e in cui il liquido esausto viene inviato al motore a combustione in-terna (12) in modo tale da generare potenza.
2. Motore a propulsione ibrida secondo la rivendicazione 1, in cui detto motore (1) è predisposto per ricevere aria (2) proveniente dall'ambiente esterno, la quale entra in un turbocompressore di sovralimentazione (4) di detto mo-tore (1) in modo da essere compressa dal turbocompressore (4) ad una predeterminata pressione, in cui la potenza ne-cessaria per attuare la compressione viene fornita da una turbina (6) collegata al turbocompressore (4) e in cui il catalizzatore (52) viene mantenuto ad una predeterminata temperatura sfruttando il calore latente dei gas di scari-co che fuoriescono da detta turbina (6), effettuando un recupero termodinamico.
3. Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui parte del liquido viene inviato indietro al serbatoio (51) in modo da ritornare liquido e contribuire al riscaldamento del processo di deidrogenazione, effettuando in tal modo un ulteriore recupero termodinamico.
4. Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto liquido viene convogliato all'interno di un sistema anti-ghiaccio (60) del velivolo contribuendo ad un recupero termodinamico.
5. Motore secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui il moto-re (1) comprende un generatore elettrico aggiuntivo (80).