IT201800009743A1 - Dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta - Google Patents

Dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta Download PDF

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Description

DESCRIZIONE
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo
“DISPOSITIVO DI REGOLAZIONE DELLA PRESSIONE DI UN
COMBUSTIBILE GASSOSO E SISTEMA DI ALIMENTAZIONE A
DOPPIO COMBUSTIBILE CON INIEZIONE DIRETTA”
La presente invenzione ha per oggetto un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta.
L’invenzione trova impiego ad esempio in impianti di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta per mezzi pesanti, quali autocarri, bus, compattatori e, in generale, veicoli con motori di capacità superiore a 3 litri.
Più in generale, l’invenzione trova impiego in impianti che usano gas ad iniezione diretta.
La tecnologia di riferimento è nota come “dual-fuel” e consiste nell’iniezione simultanea in camera di combustione di due combustibili: un combustibile liquido, ad esempio il diesel, che ha lo scopo di innescare la combustione, e il gas naturale, che è impiegato per la maggior parte dell’iniezione (fino al 95%).
In tale ambito, Westport ha sviluppato un sistema noto come HPDI, acronimo dell’espressione inglese “High-Pressure Direct Injection”, basato su iniettori a doppio canale, cioè in grado di iniettare sia diesel che gas naturale.
In figura 1 è illustrato schematicamente un sistema di alimentazione HPDI secondo l’arte nota.
Il gas naturale liquefatto, contenuto in un serbatoio 10 a bordo del veicolo, viene innalzato di pressione mediante una pompa 11 e portato allo stato gassoso da un vaporizzatore 12. Il gas vaporizzato viene così accumulato a circa 300-320 bar in un serbatoio di accumulo di gas compresso, indicato con il numero 13. Il gas compresso passa attraverso un riduttore di pressione 14 che ne riduce la pressione nell’intervallo di circa 140-290 bar al fine di renderlo idoneo all’iniezione da parte di un iniettore a doppio canale 15.
Tale iniettore a doppio canale 15 viene alimentato sia da una linea di alimentazione del diesel, indicata con il numero 16, sia da una linea di alimentazione del gas, indicata con il numero 17, la quale è connessa all’uscita del riduttore di pressione 14.
Come si può notare dalla figura 1, il riduttore di pressione 14 del gas presenta due ingressi: uno per il combustibile gassoso proveniente dal serbatoio 13 e uno per il combustibile diesel collegato alla linea di alimentazione del diesel 16. In altre parole, è presente una connessione fluida tra il riduttore di pressione 14 e la linea di alimentazione del diesel 16.
Il vantaggio principale di tale soluzione è di affiancare le elevate performance di un motore diesel ad una significativa riduzione delle emissioni di inquinanti (particolato, ossidi di azoto, anidride carbonica). In questo contesto, l’attenzione è focalizzata sul riduttore di pressione. Allo stato dell’arte per sistemi HPDI, il riduttore di pressione è un dispositivo in grado di abbassare la pressione del gas in risposta alle variazioni di pressione del diesel. All’interno del riduttore di pressione, la regolazione della pressione del gas viene quindi attuata in modo puramente meccanico, cioè in funzione di un bilancio di forze. Inoltre, come già detto sopra, tale riduttore di pressione è caratterizzato da un collegamento pneumatico tra le due linee di alimentazione, cioè diesel e gas, con rischi di miscelazione dei due combustibili e di perdite e, quindi, scarsa affidabilità. Inoltre, tale soluzione non consente di attuare strategie che prevedono di regolare la pressione dei due combustibile in maniera indipendente.
In questo contesto, il compito tecnico alla base della presente invenzione è proporre un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta, che superino gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.
In particolare, scopo della presente invenzione è proporre un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta, che siano più affidabili e sicuri rispetto alle soluzioni note.
Altro scopo della presente invenzione è proporre un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso che abbia una struttura semplificata rispetto alle soluzioni note.
Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso impiegabile in un sistema di alimentazione a iniezione diretta con detto combustibile gassoso e un combustibile liquido, ad esempio diesel, comprendente:
- un canale di ingresso configurato per ricevere il combustibile gassoso ad una pressione di ingresso pin;
- un canale uscita configurato per erogare il combustibile gassoso ad una pressione di uscita pout inferiore alla pressione di ingresso pin, - mezzi di comunicazione selettiva tra il canale di ingresso e il canale di uscita,
caratterizzato dal fatto che i mezzi di comunicazione selettiva comprendono una elettrovalvola configurata per ricevere un segnale di comando che è funzione almeno di un primo valore di pressione p1 del combustibile gassoso rilevato nel canale di uscita.
In accordo con una forma realizzativa, il segnale di comando è funzione anche di un secondo valore di pressione p2 rilevato del combustibile liquido.
In accordo con una forma realizzativa, il segnale di comando è funzione anche di un terzo valore di pressione p3 del combustibile gassoso rilevato nel canale di ingresso.
Preferibilmente, l’elettrovalvola è di tipo proporzionale.
Preferibilmente, l’elettrovalvola comprende:
- un corpo di valvola provvisto di un foro interposto tra il canale di ingresso e il canale di uscita;
- un otturatore alloggiato nel foro;
- un solenoide operativamente attivo sull’otturatore per movimentarlo all’interno del foro in modo tale da fargli assumere una posizione per cui la portata del combustibile gassoso che passa attraverso il foro è proporzionale alla corrente che attraversa il solenoide.
Preferibilmente, il dispositivo di regolazione della pressione comprende anche:
- un canale di sfiato;
- una valvola di ventilazione posta sul canale di sfiato e configurata per abilitare la comunicazione selettiva tra il canale di sfiato e il canale di uscita.
Preferibilmente, sul canale di ingresso è presente una valvola di shut-off. Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta per mezzi pesanti, comprendente:
- una linea di alimentazione di un combustibile liquido;
- una linea di alimentazione di un combustibile gassoso;
- una pluralità di iniettori in comunicazione di fluido con la linea di alimentazione del combustibile liquido e con la linea di alimentazione del combustibile gassoso;
- una unità di controllo elettronica configurata per controllare l’apporto del combustibile liquido e del combustibile gassoso agli iniettori;
- un dispositivo di regolazione della pressione del combustibile gassoso secondo la presente invenzione.
Il dispositivo di regolazione della pressione è configurato per ricevere combustibile gassoso ad una pressione di ingresso pin attraverso il canale di ingresso e, in risposta ad un segnale di comando proveniente dall’unità di controllo elettronico, erogare il combustibile gassoso dal canale di uscita alla linea di alimentazione del combustibile gassoso con una pressione di uscita pout inferiore alla pressione di ingresso pin.
In accordo con una forma realizzativa, il sistema comprende:
- un primo trasduttore di pressione configurato per rilevare la pressione del combustibile gassoso nella corrispondente linea di alimentazione e fornire all’unità di controllo elettronica un primo segnale rappresentativo della pressione rilevata per il combustibile gassoso; - un secondo trasduttore di pressione configurato per rilevare la pressione del combustibile liquido nella corrispondente linea di alimentazione e fornire all’unità di controllo elettronica un secondo segnale rappresentativo della pressione rilevata per il combustibile liquido, detta unità di controllo elettronica essendo configurata per generare il segnale di comando in risposta al primo segnale e al secondo segnale secondo una logica retroazionata tale per cui la pressione di uscita pout dal dispositivo di regolazione della pressione del combustibile gassoso insegue una pressione di riferimento ptarget. Preferibilmente, il sistema comprende anche un terzo trasduttore di pressione configurato per rilevare la pressione del combustibile gassoso in detto canale di ingresso e fornire all’unità di controllo elettronica un terzo segnale rappresentativo della pressione rilevata per il combustibile gassoso.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e di un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta, come illustrato negli uniti disegni in cui:
- la figura 1 illustra schematicamente un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta, in accordo con una soluzione nota;
- le figure da 2a a 2c illustrano schematicamente tre varianti realizzative di un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta, in accordo con la presente invenzione;
- le figure 3-4 illustrano un dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso, secondo la presente invenzione, in due diverse viste prospettiche sezionate.
Con riferimento alle figure 2a-2b, il numero 100 indica un sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta, in particolare per mezzi pesanti, cioè per veicoli con motori tipicamente di capacità superiore a 3 litri.
Il sistema di alimentazione a doppio combustibile 100 comprende:
- una linea di alimentazione 160 di un combustibile liquido, in particolare diesel (indicata di seguito per semplicità come “linea diesel”);
- una linea di alimentazione 170 di un combustibile gassoso, in particolare gas naturale (indicata di seguito per semplicità come “linea gas”);
- una pluralità di iniettori a doppio canale 150.
In particolare, gli iniettori a doppio canale 150 sono configurati per iniettare simultaneamente il diesel e il gas naturale in una camera di combustione (non illustrata) del motore.
Tali iniettori sono già noti e non saranno ulteriormente descritti. Il sistema di alimentazione a doppio combustibile 100 comprende un dispositivo di regolazione della pressione del combustibile gassoso, tale dispositivo essendo indicato con il numero 1.
I componenti a monte del dispositivo di regolazione della pressione 1 sono identici a quelli di arte nota.
In particolare, con riferimento alle figure 2a-2b sono individuati:
- un primo serbatoio 10 contenente gas naturale liquefatto;
- una pompa 11, a valle del primo serbatoio 10;
- un vaporizzatore 12 per far evaporare il gas naturale liquefatto;
- un secondo serbatoio 13 contenente il gas naturale vaporizzato.
Come si può notare dalle figure 3-4, il dispositivo di regolazione della pressione 1 del combustibile gassoso comprende:
- un canale di ingresso 2 configurato per ricevere il combustibile gassoso ad una pressione di ingresso pin;
- un canale di uscita 3 configurato per erogare il combustibile gassoso ad una pressione di uscita pout inferiore alla pressione di ingresso pin; - una elettrovalvola 4 interposta tra il canale di ingresso 2 e il canale di uscita 3, la quale è configurata per stabilire una comunicazione selettiva tra tali canali 2, 3.
In accordo con una forma realizzativa, la pressione di ingresso pin è compresa fra 300-320 bar e la pressione di uscita pout fra 140-290 bar. In accordo con un’altra forma realizzativa, la pressione di ingresso pin è superiore a 500 bar e la pressione di uscita pout può arrivare fino a 490 bar.
L’elettrovalvola 4 è configurata per ricevere un segnale di comando Scom che è funzione almeno di un primo valore di pressione p1 del combustibile gassoso rilevato nel canale di uscita 3, il quale è connesso alla linea gas 170.
In accordo con la forma realizzativa illustrata nelle figure 2a e 2b, il segnale di comando Scom è funzione anche di un secondo valore di pressione p2 del combustibile liquido rilevato nella linea diesel 160. Preferibilmente, il segnale di comando Scom è funzione anche di un terzo valore di pressione p3 del combustibile gassoso rilevato nella nel canale di ingresso 2.
Il sistema di alimentazione a doppio combustibile 100 comprende una unità controllo elettronica ECU, la quale è configurata per controllare l’apporto del combustibile liquido e del combustibile gassoso agli iniettori a doppio canale 150.
Il segnale di comando Scom per l’elettrovalvola 4 è generato dall’unità di controllo elettronica ECU.
In risposta al segnale di comando Scom, il dispositivo di regolazione della pressione 1 eroga il combustibile gassoso alla pressione di uscita pout. Il sistema 100 comprende almeno un primo trasduttore di pressione 171 configurato per rilevare la pressione del combustibile gassoso (sopra indicata come “prima pressione p1”) nella corrispondente linea di alimentazione 170 e fornire all’unità di controllo elettronica ECU un primo segnale S1 rappresentativo di tale pressione.
Nella forma realizzativa illustrata nelle figure 2a e 2b, il sistema 100 comprende anche un secondo trasduttore di pressione 161 configurato per rilevare la pressione del diesel (sopra indicata come “seconda pressione p2”) nella corrispondente linea di alimentazione 160 e fornire all’unità di controllo elettronica ECU un secondo segnale S2 rappresentativo di tale pressione.
Preferibilmente, è presente anche un terzo trasduttore di pressione 131 configurato per rilevare la pressione del combustibile gassoso (sopra indicata come “terza pressione p3”) nel canale di ingresso 2 e fornire all’unità di controllo elettronica ECU un terzo segnale S3 rappresentativo di tale pressione.
L’unità di controllo elettronica ECU è configurata per generare il segnale di comando Scom in risposta almeno al primo segnale S1.
Preferibilmente, l’unità di controllo elettronica ECU è configurata per generare il segnale di comando Scom anche in risposta al secondo segnale S2 e al terzo segnale S3 secondo una logica retroazionata tale per cui la pressione di uscita pout del combustibile gassoso dal dispositivo di regolazione della pressione 1 insegue una pressione di riferimento ptarget. La pressione di riferimento ptarget può variare in funzione delle condizioni di lavoro del motore.
La logica retroazionata implementata dall’unità di controllo elettronica ECU per generare il segnale di comando Scom tiene preferibilmente conto anche di parametri del motore, quali ad esempio:
- giri del motore (RPM, revolution per minute)
- titolo lambda λ (AFR, air fuel ratio)
- carico del motore (portata di aria aspirata).
Come si comprende dalle figure e dalla spiegazione soprastante, non è necessario portare il combustibile liquido direttamente al dispositivo di regolazione della pressione 1, che invece risponde unicamente al segnale di comando Scom.
La figura 2a si riferisce ad una forma realizzativa in cui l’unità di controllo elettronica ECU è un modulo elettronico unico che acquisisce i parametri del motore e i tre segnali sopra menzionati S1, S2, S3 e genera il segnale di comando Scom.
La figura 2b si riferisce ad una variante in cui l’unità di controllo ECU comprende due moduli distinti: un primo modulo elettronico 180 che acquisisce i parametri del motore e li invia ad un secondo modulo elettronico o driver 181 (eventualmente integrabile nel dispositivo di regolazione della pressione 1) che riceve in ingresso anche i tre segnali sopra menzionati S1, S2, S3 e genera il segnale di comando Scom.
La figura 2c si riferisce ad una ulteriore variante in cui l’unità di controllo ECU comprende due moduli distinti: un primo modulo elettronico 180 che acquisisce i parametri del motore e che e che riceve in ingresso i tre segnali sopra menzionati S1, S2, S3 e genera un segnale logico di comando Scom_log da inviare ad un secondo modulo elettronico o driver 181 (eventualmente integrabile nel dispositivo di regolazione della pressione 1) il quale genera il segnale di comando Scom.
Preferibilmente, l’elettrovalvola 4 è di tipo proporzionale. In particolare, essa comprende:
- un corpo di valvola 14 all’interno del quale è ricavato un foro 6 interposto tra il canale di ingresso 2 e il canale di uscita 3;
- un otturatore 5 alloggiato nel foro 6;
- un solenoide 7 operativamente attivo sull’otturatore 5 per movimentarlo all’interno del foro 6 in modo tale da fargli assumere una posizione per cui la portata del combustibile gassoso che passa attraverso il foro 6 è proporzionale alla corrente che attraversa il solenoide 7.
Il dispositivo di regolazione della pressione 1 comprende anche un canale di sfiato 8 a cui è associata una valvola di ventilazione 9 per abilitare la comunicazione selettiva della linea di sfiato con il canale di uscita 3.
In tal caso, sono presenti due segnali di comando, uno per l’elettrovalvola 4 e l’altro per la valvola di ventilazione 9. In generale, possono essere presenti più segnali di comando se ci sono più valvole da comandare nel dispositivo 1.
In particolare, quando la pressione di uscita pout del combustibile gassoso supera una soglia prestabilita, viene aperta la valvola di ventilazione 9 in modo tale da abilitare l’evacuazione di parte o di tutto il combustibile gassoso attraverso il canale di sfiato 8.
Il canale di sfiato 8 sfocia direttamente nell’ambiente oppure nel primo serbatoio 10 contenete il gas naturale liquefatto.
Preferibilmente, sul canale di ingresso 2 è posta una valvola di shut-off 20 che rappresenta una valvola di sicurezza configurata per interrompere la comunicazione di fluido tra il canale di ingresso 2 e il canale di uscita 3 in risposta a determinate condizioni di funzionamento del sistema 100.
Ad esempio, la valvola di shut-off 20 interviene in caso di spegnimento del motore, oppure quando il sistema funziona solo a diesel oppure in caso di incidente.
Dalla descrizione effettuata risultano chiare le caratteristiche del dispositivo di regolazione della pressione di un combustibile gassoso e del sistema di alimentazione a doppio combustibile con iniezione diretta secondo la presente invenzione, così come chiari ne risultano i vantaggi. Poiché il dispositivo di regolazione proposto attua una regolazione elettronica della pressione del gas viene eliminata la connessione fluida alla linea di alimentazione del diesel.
Il sistema di alimentazione degli iniettori è più flessibile dal momento che il regolatore è comandato dalla centralina a inseguire una pressione di riferimento o di target che può essere variabile (a differenza di quello che accade nelle soluzioni completamente meccaniche).

Claims (10)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo di regolazione della pressione (1) di un combustibile gassoso, impiegabile in un sistema di alimentazione a iniezione diretta con detto combustibile gassoso e un combustibile liquido, ad esempio diesel, comprendente: un canale di ingresso (2) configurato per ricevere il combustibile gassoso ad una pressione di ingresso (pin); un canale uscita (3) configurato per erogare il combustibile gassoso ad una pressione di uscita (pout) inferiore alla pressione di ingresso (pin), mezzi di comunicazione selettiva tra detto canale di ingresso (2) e detto canale di uscita (3), caratterizzato dal fatto che detti mezzi di comunicazione selettiva comprendono una elettrovalvola (4) configurata per ricevere un segnale di comando (Scom) che è funzione almeno di un primo valore di pressione p1 del combustibile gassoso rilevato nel canale di uscita (3).
  2. 2. Dispositivo di regolazione della pressione (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto segnale di comando (Scom) è funzione anche di un secondo valore di pressione p2 rilevato del combustibile liquido.
  3. 3. Dispositivo di regolazione della pressione (1) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui detto segnale di comando (Scom) è funzione anche di un terzo valore di pressione p3 del combustibile gassoso rilevato nel canale di ingresso (2).
  4. 4. Dispositivo di regolazione della pressione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta elettrovalvola (4) è di tipo proporzionale.
  5. 5. Dispositivo di regolazione della pressione (1) secondo la rivendicazione 4, in cui detta elettrovalvola (4) comprende: un corpo di valvola (14) provvisto di un foro (6) interposto tra il canale di ingresso (2) e il canale di uscita (3); un otturatore (5) alloggiato in detto foro (6); un solenoide (7) operativamente attivo su detto otturatore (5) per movimentarlo all’interno di detto foro (6) in modo tale da fargli assumere una posizione per cui la portata del combustibile gassoso che passa attraverso il foro (6) è proporzionale alla corrente che attraversa il solenoide (7).
  6. 6. Dispositivo di regolazione della pressione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre: un canale di sfiato (8); una valvola di ventilazione (9) posta sul canale di sfiato (8) e configurata per abilitare la comunicazione selettiva tra detto canale di sfiato (8) e detto canale di uscita (3).
  7. 7. Dispositivo di regolazione della pressione (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre una valvola di shutoff (20) posta su detto canale di ingresso (2).
  8. 8. Sistema di alimentazione a doppio combustibile (100) con iniezione diretta per mezzi pesanti, comprendente: una linea di alimentazione (160) di un combustibile liquido; una linea di alimentazione (170) di un combustibile gassoso; una pluralità di iniettori (150) in comunicazione di fluido con la linea di alimentazione (160) del combustibile liquido e con la linea di alimentazione (170) del combustibile gassoso; una unità di controllo elettronica (ECU) configurata per controllare l’apporto del combustibile liquido e del combustibile gassoso a detti iniettori (150); un dispositivo di regolazione della pressione (1) in accordo con una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 7, il quale è configurato per ricevere combustibile gassoso ad una pressione di ingresso (pin) attraverso detto canale di ingresso (2) e, in risposta ad un segnale di comando (Scom) proveniente da detta unità di controllo elettronico (ECU), erogare il combustibile gassoso dal canale di uscita (3) alla linea di alimentazione (170) del combustibile gassoso con una pressione di uscita (pout) inferiore alla pressione di ingresso (pin).
  9. 9. Sistema di alimentazione a doppio combustibile (100) secondo la rivendicazione 8, comprendente inoltre: un primo trasduttore (171) di pressione configurato per rilevare la pressione del combustibile gassoso nella corrispondente linea di alimentazione (170) e fornire a detta unità di controllo elettronica (ECU) un primo segnale (S1) rappresentativo della pressione rilevata per detto combustibile gassoso; un secondo trasduttore di pressione (161) configurato per rilevare la pressione del combustibile liquido nella corrispondente linea di alimentazione (160) e fornire a detta unità di controllo elettronica (ECU) un secondo segnale (S2) rappresentativo della pressione rilevata per detto combustibile liquido, detta unità di controllo elettronica (ECU) essendo configurata per generare detto segnale di comando (Scom) in risposta al primo segnale (S1) e al secondo segnale (S2) secondo una logica retroazionata tale per cui la pressione di uscita (pout) dal dispositivo di regolazione della pressione (1) insegue una pressione di riferimento (ptarget).
  10. 10. Sistema di alimentazione a doppio combustibile (100) secondo la rivendicazione 9, comprendente inoltre: un terzo trasduttore di pressione (131) configurato per rilevare la pressione del combustibile gassoso in detto canale di ingresso (2) e fornire a detta unità di controllo elettronica (ECU) un terzo segnale (S3) rappresentativo della pressione rilevata per detto combustibile gassoso.
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