IT201900015093A1 - INTERNAL COMBUSTION ENGINE EQUIPPED WITH A WATER-BASED OPERATING LIQUID FEEDING SYSTEM - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
“MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA PROVVISTO DI UN SISTEMA DI ALIMENTAZIONE DI UN LIQUIDO OPERATORE A BASE ACQUA” "INTERNAL COMBUSTION ENGINE EQUIPPED WITH A WATER-BASED OPERATING LIQUID FEEDING SYSTEM"
SETTORE DELLA TECNICA TECHNIQUE SECTOR
La presente invenzione è relativa ad un motore a combustione interna provvisto di un sistema di alimentazione di un liquido operatore a base acqua. The present invention relates to an internal combustion engine provided with a water-based operating liquid feeding system.
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad un motore a combustione interna provvisto di un sistema di alimentazione di acqua che viene iniettata nelle camere di combustione, cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità. The present invention finds advantageous application to an internal combustion engine provided with a system for feeding water which is injected into the combustion chambers, to which the following discussion will make explicit reference without thereby losing generality.
ARTE ANTERIORE ANTERIOR ART
Come noto, in un motore termico a combustione interna è stato proposto di alimentare nelle camere di combustione definite all’interno dei cilindri anche dell’acqua in aggiunta al carburante al fine di raffreddare la miscela aria/combustibile incrementando, tra le altre cose, la resistenza a fenomeni di detonazione. As known, in an internal combustion thermal engine it has been proposed to feed water in addition to the fuel into the combustion chambers defined inside the cylinders in order to cool the air / fuel mixture, increasing, among other things, the resistance to knocking phenomena.
Il sistema di alimentazione di acqua comprende un serbatoio che viene riempito con acqua demineralizzata (per evitare la formazione di incrostazioni). Normalmente, il serbatoio viene rifornito dall’esterno del veicolo oppure potrebbe anche venire rifornito sfruttando la condensa del climatizzatore, sfruttando la condensa dello scarico, o anche convogliando acqua piovana. Inoltre, il serbatoio è generalmente provvisto di un dispositivo riscaldatore elettrico (ovvero provvisto di una resistenza che genera calore per effetto Joule quando viene attraversata da corrente elettrica) che viene utilizzato per sciogliere eventuale ghiaccio quando la temperatura esterna è particolarmente rigida. The water supply system includes a tank which is filled with demineralised water (to avoid the formation of scale). Normally, the tank is refueled from outside the vehicle or it could also be refueled using the condensation of the air conditioner, using the condensate from the drain, or even conveying rainwater. In addition, the tank is generally equipped with an electric heating device (ie equipped with a resistance that generates heat due to the Joule effect when it is crossed by an electric current) which is used to melt any ice when the external temperature is particularly cold.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
Scopo della presente invenzione è di realizzare un motore a combustione interna provvisto di un sistema di alimentazione di un liquido operatore a base acqua, il quale motore a combustione interna presenti una elevata efficienza energetica e, nello stesso tempo, sia di facile ed economica realizzazione. The object of the present invention is to provide an internal combustion engine equipped with a water-based operating liquid feeding system, which internal combustion engine has a high energy efficiency and, at the same time, is easy and economical to manufacture.
Secondo la presente invenzione viene fornito un motore a combustione interna provvisto di un sistema di alimentazione di un liquido operatore a base acqua, secondo quanto stabilito nelle rivendicazioni allegate. According to the present invention, an internal combustion engine is provided equipped with a water-based operating liquid feeding system, according to what is established in the attached claims.
Le rivendicazioni descrivono forme di realizzazione della presente invenzione formando parte integrante della presente descrizione. The claims describe embodiments of the present invention forming an integral part of the present description.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment in which:
• la figura 1 è una vista schematica di un motore a combustione interna provvisto di un sistema di alimentazione di un liquido operatore a base acqua; Figure 1 is a schematic view of an internal combustion engine equipped with a water-based operating liquid feeding system;
• le figure 2 e 3 sono due viste schematiche, prospettiche, e parzialmente in sezione di uno scambiatore di calore del sistema di alimentazione della figura 1 in due diverse configurazioni operative; e Figures 2 and 3 are two schematic, perspective, and partially sectional views of a heat exchanger of the power supply system of Figure 1 in two different operating configurations; And
• le figure 4, 5 e 6 sono rispettive viste schematiche del sistema di alimentazione della figura 1 in diverse configurazioni operative. Figures 4, 5 and 6 are respective schematic views of the power supply system of Figure 1 in different operating configurations.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE PREFERRED FORMS OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un sistema di alimentazione di acqua in un motore 2 termico a combustione interna. L’acqua è destinata alle camere di combustione ricavate nei cilindri del motore 2 termico a combustione interna per aumentare l’efficienza della combustione e/o per incrementare la potenza generata. In Figure 1, the number 1 indicates as a whole a water supply system in an internal combustion thermal engine 2. The water is destined to the combustion chambers obtained in the cylinders of the internal combustion thermal engine 2 to increase the efficiency of combustion and / or to increase the power generated.
Nella camera di combustione di ciascun cilindro, in seguito alla combustione, vengono generati dei gas di scarico che vengono convogliati attraverso un condotto 3 di scarico (parzialmente e schematicamente illustrato nella figura 1) per venire immessi nell’ambiente esterno dopo un adeguato trattamento (ad esempio in un catalizzatore). In the combustion chamber of each cylinder, following combustion, exhaust gases are generated which are conveyed through an exhaust duct 3 (partially and schematically illustrated in Figure 1) to be introduced into the external environment after adequate treatment (e.g. example in a catalyst).
Il sistema 1 di alimentazione comprende un serbatoio 4 in cui è contenuta una massa di acqua 5 ed una pompa 6 che pesca l’acqua 5 all’interno del serbatoio 4 ed invia l’acqua 5 in pressione ad un condotto 7 di alimentazione. The feeding system 1 comprises a tank 4 which contains a mass of water 5 and a pump 6 which draws the water 5 inside the tank 4 and sends the water 5 under pressure to a supply duct 7.
Una pluralità di iniettori 8 sono collegati ad una porzione terminale del condotto 7 di alimentazione ed iniettano l’acqua 5 a bassa pressione in corrispondenti condotti di aspirazione attraverso i quali l’aria fresca viene convogliata verso i cilindri. Secondo una altra forma di attuazione, gli iniettori 8 potrebbero iniettare l’acqua 5 ad alta pressione direttamente all’interno dei cilindri (in questo caso è generalmente prevista una ulteriore pompa di alta pressione). Secondo una ulteriore forma di attuazione, l’acqua 5 alimentata dal sistema 1 di alimentazione viene miscelata al carburante che viene iniettato all’interno dei cilindri. A plurality of injectors 8 are connected to an end portion of the supply duct 7 and inject water 5 at low pressure into corresponding intake ducts through which fresh air is conveyed to the cylinders. According to another embodiment, the injectors 8 could inject the water 5 at high pressure directly into the cylinders (in this case an additional high pressure pump is generally provided). According to a further embodiment, the water 5 fed by the feeding system 1 is mixed with the fuel which is injected inside the cylinders.
Lungo il condotto 7 di alimentazione ed immediatamente a valle della pompa 6 è disposta una valvola 9 di massima pressione, ovvero una valvola che si apre re-immettendo l’acqua in eccesso nel serbatoio 4 quando la pressione all’interno del condotto 7 di alimentazione supera un valore di soglia predeterminato; in sostanza, la valvola 9 di massima pressione opera come regolatore di pressione per evitare che la pressione all’interno del condotto 7 di alimentazione superi il valore di soglia predeterminato. Along the supply duct 7 and immediately downstream of the pump 6 there is a maximum pressure valve 9, that is a valve which opens by re-introducing the excess water into the tank 4 when the pressure inside the supply duct 7 exceeds a predetermined threshold value; in essence, the maximum pressure valve 9 operates as a pressure regulator to prevent the pressure inside the supply duct 7 from exceeding the predetermined threshold value.
Secondo una alternativa e perfettamente equivalente forma di attuazione, è previsto un sensore di pressione disposto a valle della pompa 6 (ad esempio in un canale comune a cui sono collegati gli iniettori 8) e la portata della pompa 6 viene regolata in retroazione per mantenere la pressione a valle della pompa 6 nell’intorno di un valore desiderato (che può anche essere variabile in funzione del punto motore); in questa forma di attuazione la valvola 9 di massima pressione è assente oppure è presente solo per motivi di sicurezza (ovvero interviene solo in caso di errori nel controllo o in caso di malfunzionamenti). According to an alternative and perfectly equivalent embodiment, a pressure sensor is provided arranged downstream of the pump 6 (for example in a common channel to which the injectors 8 are connected) and the flow rate of the pump 6 is adjusted in feedback to maintain the pressure downstream of the pump 6 around a desired value (which can also be variable according to the motor point); in this embodiment the maximum pressure valve 9 is absent or is present only for safety reasons (ie it intervenes only in the event of errors in the control or in the event of malfunctions).
Il motore 2 a combustione interna comprende un circuito 10 di raffreddamento in cui circola un liquido 11 di raffreddamento costituito normalmente da una miscela di acqua e antigelo (glicole o etanolo) contenente diversi additivi (sostanze amaricanti, silicati, antiossidanti, agenti antischiuma). Il circuito 10 di raffreddamento comprende una pompa 12 di circolazione che fa circolare il liquido 11 di raffreddamento in un labirinto presente all’interno del basamento e della testata del motore 2 a combustione ed attraverso un radiatore 13 in cui il liquido 11 di raffreddamento cede calore all’ambiente esterno. The internal combustion engine 2 comprises a cooling circuit 10 in which a cooling liquid 11 circulates normally consisting of a mixture of water and antifreeze (glycol or ethanol) containing various additives (bittering substances, silicates, antioxidants, antifoam agents). The cooling circuit 10 comprises a circulation pump 12 which circulates the cooling liquid 11 in a labyrinth inside the crankcase and the head of the combustion engine 2 and through a radiator 13 in which the cooling liquid 11 releases heat. to the external environment.
Dal circuito 10 di raffreddamento è derivato un circuito 14 di riscaldamento in cui il liquido 11 di raffreddamento può circolare per svolgere due funzioni: assorbire calore dai gas 3 di scarico che fluiscono lungo il condotto 3 di scarico e/o cedere calore all’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4. Il circuito 14 di riscaldamento si origina da un nodo 15 in cui il liquido 11 di raffreddamento lascia il circuito 10 di raffreddamento per entrare nel circuito 14 di riscaldamento; inoltre, il circuito 14 di riscaldamento termina in un nodo 16 in cui il liquido 11 di raffreddamento esce dal circuito 14 di riscaldamento per ritornare nel circuito 10 di raffreddamento. A heating circuit 14 is derived from the cooling circuit 10 in which the cooling liquid 11 can circulate to perform two functions: absorbing heat from the exhaust gases 3 flowing along the exhaust duct 3 and / or transferring heat to the water 5 contained in the tank 4. The heating circuit 14 originates from a node 15 in which the cooling liquid 11 leaves the cooling circuit 10 to enter the heating circuit 14; moreover, the heating circuit 14 ends in a node 16 in which the cooling liquid 11 leaves the heating circuit 14 to return to the cooling circuit 10.
Il circuito 10 di raffreddamento comprende un ramo 17 di bypass che collega direttamente i due nodi 15 e 16; ovvero, attraverso il ramo 17 di bypass il liquido 11 di raffreddamento può arrivare direttamente dal nodo 15 al nodo 16 senza passare attraverso il circuito 14 di riscaldamento. Lungo il ramo 17 di bypass è disposta una valvola 18 di bypass parzializzabile, ovvero in grado di assumere tutte le posizioni intermedie tra una posizione completamente chiusa ed una posizione completamente aperta. The cooling circuit 10 comprises a bypass branch 17 which directly connects the two nodes 15 and 16; that is, through the bypass branch 17 the cooling liquid 11 can arrive directly from node 15 to node 16 without passing through the heating circuit 14. A partializable bypass valve 18 is arranged along the bypass branch 17, ie capable of assuming all intermediate positions between a completely closed position and a completely open position.
Il circuito 14 di riscaldamento comprende una valvola 19 di intercettazione di tipo ON-OFF, ovvero in grado di assumere unicamente una posizione completamente chiusa oppure una posizione completamente aperta; la valvola 19 di intercettazione è disposta in serie al circuito 14 di riscaldamento, è atta a permettere o impedire la circolazione del liquido 11 di raffreddamento lungo il circuito 14 di riscaldamento, ed è disposto immediatamente a valle del nodo 15. The heating circuit 14 comprises an ON-OFF type interception valve 19, ie capable of assuming only a completely closed position or a completely open position; the shut-off valve 19 is arranged in series with the heating circuit 14, is adapted to allow or prevent the circulation of the cooling liquid 11 along the heating circuit 14, and is arranged immediately downstream of the node 15.
Lungo il circuito 14 di riscaldamento ed a valle della valvola 19 di intercettazione è disposto uno scambiatore 20 di calore gas-liquido (meglio illustrato nelle figure 2 e 3), il quale è atto a venire attraversato da almeno parte dei gas di scarico che fluiscono lungo il condotto 3 di scarico per cedere parte del calore posseduto dai gas di scarico al liquido 11 di raffreddamento. Along the heating circuit 14 and downstream of the shut-off valve 19 there is a gas-liquid heat exchanger 20 (better illustrated in Figures 2 and 3), which is able to be crossed by at least part of the exhaust gases which flow along the exhaust duct 3 to transfer part of the heat possessed by the exhaust gases to the cooling liquid 11.
Il serbatoio 4 è provvisto di un dispositivo 21 riscaldatore che è atto a riscaldare l’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 stesso. In particolare, il dispositivo 21 riscaldatore comprende uno scambiatore 22 di calore liquido-liquido che è atto a venire attraversato dal liquido 11 di raffreddamento che circola nel circuito 14 di riscaldamento per trasferire parte del calore posseduto dal liquido 11 di raffreddamento all’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4. In aggiunta allo scambiatore 22 di calore, il dispositivo 21 riscaldatore potrebbe comprendere anche una resistenza elettrica (ovvero un organo che trasforma per effetto Joule energia elettrica in calore) che opera in aggiunta allo scambiatore 22 di calore oppure in alternativa allo scambiatore 22 di calore. The tank 4 is provided with a heater device 21 which is adapted to heat the water 5 contained in the tank 4 itself. In particular, the heating device 21 comprises a liquid-liquid heat exchanger 22 which is able to be crossed by the cooling liquid 11 which circulates in the heating circuit 14 to transfer part of the heat possessed by the cooling liquid 11 to the water 5 contained. in the tank 4. In addition to the heat exchanger 22, the heater device 21 could also comprise an electrical resistance (ie an organ which transforms electrical energy into heat by the Joule effect) which operates in addition to the heat exchanger 22 or as an alternative to the exchanger 22 heat.
Il circuito 14 di riscaldamento comprende un condotto 23 di mandata che collega il circuito 14 di riscaldamento all’ingresso dello scambiatore 22 di calore ed un condotto 24 di ritorno che collega l’uscita dello scambiatore 22 di calore al circuito 14 di riscaldamento. Lungo il condotto 23 di mandata è disposta una valvola 25 di intercettazione di tipo ON-OFF, ovvero in grado di assumere unicamente una posizione completamente chiusa oppure una posizione completamente aperta; la valvola 25 di intercettazione è atta a permettere o impedire la circolazione del liquido 11 di raffreddamento lungo lo scambiatore 22 di calore. Lungo il condotto 24 di ritorno è disposta una valvola 26 di non ritorno che impedisce il flusso del liquido 11 di raffreddamento verso lo scambiatore 22 di calore (ovvero in verso opposto rispetto a quanto previsto). The heating circuit 14 includes a delivery duct 23 that connects the heating circuit 14 to the inlet of the heat exchanger 22 and a return duct 24 that connects the outlet of the heat exchanger 22 to the heating circuit 14. An ON-OFF type interception valve 25 is arranged along the delivery duct 23, ie capable of assuming only a completely closed position or a completely open position; the interception valve 25 is adapted to allow or prevent the circulation of the cooling liquid 11 along the heat exchanger 22. A non-return valve 26 is arranged along the return duct 24 which prevents the flow of the cooling liquid 11 towards the heat exchanger 22 (i.e. in the opposite direction to that envisaged).
Il circuito 14 di riscaldamento comprende una valvola 27 di bypass parzializzabile (ovvero in grado di assumere tutte le posizioni intermedie tra una posizione completamente chiusa ed una posizione completamente aperta) che è disposta tra il condotto 23 di mandata ed il condotto 24 di ritorno. La valvola 27 di bypass è comandabile per regolare la portata del liquido 11 di raffreddamento che attraversa lo scambiatore 22 di calore. The heating circuit 14 comprises a partializable bypass valve 27 (ie capable of assuming all intermediate positions between a completely closed position and a completely open position) which is arranged between the delivery duct 23 and the return duct 24. The bypass valve 27 can be controlled to regulate the flow rate of the cooling liquid 11 which passes through the heat exchanger 22.
Nelle figure 2 e 3 è illustrato con maggior dettaglio lo scambiatore 20 di calore accoppiato al condotto 3 di scarico. Lo scambiatore 20 di calore è disposto di fianco al condotto 3 di scarico e presenta un involucro 28 di forma semicircolare in cui è definita una camera atta a venire attraversata dal liquido 11 di raffreddamento; l’involucro 28 presenta un ingresso 29 del liquido 11 di raffreddamento disposto radialmente ed una uscita 30 del liquido 11 di raffreddamento disposta assialmente. Figures 2 and 3 illustrate in greater detail the heat exchanger 20 coupled to the exhaust duct 3. The heat exchanger 20 is arranged next to the discharge duct 3 and has a semicircular casing 28 in which a chamber is defined which is suitable for being passed through by the cooling liquid 11; the casing 28 has an inlet 29 of the cooling liquid 11 arranged radially and an outlet 30 of the cooling liquid 11 arranged axially.
All’interno dell’involucro 28 sono disposte una pluralità di tubazioni 31 che vengono attraversate dai gas di scarico che percorrono lo scambiatore 20 di calore. In corrispondenza dello scambiatore 20 di calore e lungo il condotto 3 di scarico è disposta una valvola 32 di intercettazione che viene aperta (come illustrato nella figura 2) per permettere il passaggio dei gas di scarico lungo il condotto 3 di scarico evitando lo scambiatore 20 di calore e viene chiusa (come illustrato nella figura 3) per impedire il passaggio dei gas di scarico lungo il condotto 3 di scarico costringendo i gas di scarico ad attraversare lo scambiatore 20 di calore. Inside the casing 28 there are a plurality of pipes 31 which are crossed by the exhaust gases that run through the heat exchanger 20. In correspondence with the heat exchanger 20 and along the exhaust duct 3 there is an interception valve 32 which is opened (as shown in Figure 2) to allow the passage of the exhaust gases along the exhaust duct 3 avoiding the heat exchanger 20. heat and is closed (as illustrated in Figure 3) to prevent the passage of the exhaust gases along the exhaust duct 3 by forcing the exhaust gases to pass through the heat exchanger 20.
All’interno del serbatoio 4 è disposto un sensore di temperatura che è atto a misurare una temperatura dell’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4. Lungo il circuito 10 di raffreddamento è disposto un ulteriore sensore di temperatura atto a misurare una temperatura del liquido 11 di raffreddamento. Secondo quanto illustrato nella figura 1, è prevista una unità 33 di controllo che è collegata ai due sensori di temperatura e pilota le valvole 18, 19, 25 e 27 secondo la logica di controllo di seguito descritta. Inside the tank 4 there is a temperature sensor which is able to measure a temperature of the water 5 contained in the tank 4. Along the cooling circuit 10 there is a further temperature sensor able to measure a temperature of the liquid 11 of cooling down. According to what is illustrated in Figure 1, a control unit 33 is provided which is connected to the two temperature sensors and drives the valves 18, 19, 25 and 27 according to the control logic described below.
Secondo quanto è illustrato nella figura 4, quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è superiore ad un valore TH1 di soglia e la temperatura dell’acqua 5 è superiore ad un valore TH2 di soglia (diverso dal valore TH1 di soglia), la valvola 19 di intercettazione viene (completamente) chiusa e la valvola 18 viene completamente aperta; in queste condizioni, il liquido 11 di raffreddamento circola solo nel circuito 10 di raffreddamento (ovvero il liquido 11 di raffreddamento non circola nel circuito 14 di riscaldamento). In assenza di circolazione del liquido 11 di raffreddamento nel circuito 14 di riscaldamento, è inutile pilotare le valvole 25 e 27 mentre la valvola 32 di intercettazione nel condotto 3 di scarico rimane sempre completamente aperta (come illustrato nella figura 2). Il valore TH1 di soglia indica il raggiungimento di una temperatura di lavoro ottimale del liquido 11 di raffreddamento ed è ad esempio pari a 7585°C; ovvero quando il liquido 11 di raffreddamento supera il valore TH1 di soglia allora ha raggiunto una temperatura di lavoro ottimale (cioè è arrivato a regime) e non richiede alcun ulteriore riscaldamento esterno. Il valore TH2 di soglia indica l’assenza di ghiaccio nell’acqua 5 nel serbatoio 4, è leggermente superiore allo zero, ed è ad esempio pari a 5-10°C; ovvero quando l’acqua 5 nel serbatoio 4 supera il valore TH2 di soglia allora non presenta ghiaccio e non richiede alcun riscaldamento esterno. As shown in Figure 4, when the temperature of the cooling liquid 11 is higher than a threshold value TH1 and the water temperature 5 is higher than a threshold value TH2 (different from the threshold value TH1), the valve The interception 19 is (completely) closed and the valve 18 is completely opened; under these conditions, the cooling liquid 11 circulates only in the cooling circuit 10 (ie the cooling liquid 11 does not circulate in the heating circuit 14). In the absence of circulation of the cooling liquid 11 in the heating circuit 14, it is useless to drive the valves 25 and 27 while the shut-off valve 32 in the discharge duct 3 always remains completely open (as illustrated in Figure 2). The threshold value TH1 indicates the achievement of an optimal working temperature of the cooling liquid 11 and is for example equal to 7585 ° C; that is, when the cooling liquid 11 exceeds the threshold value TH1 then it has reached an optimal working temperature (ie it has reached steady state) and does not require any further external heating. The TH2 threshold value indicates the absence of ice in the water 5 in the tank 4, is slightly above zero, and is for example equal to 5-10 ° C; that is, when the water 5 in the tank 4 exceeds the threshold value TH2 then it does not have ice and does not require any external heating.
Secondo quanto è illustrato nella figura 5, quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è inferiore al valore TH1 di soglia e la temperatura dell’acqua 5 è superiore al valore TH2 di soglia, la valvola 19 di intercettazione viene (completamente) aperta e la valvola 18 viene chiusa almeno in parte; in queste condizioni, il liquido 11 di raffreddamento circola sia nel circuito 10 di raffreddamento, sia nel circuito 14 di riscaldamento. In presenza di circolazione del liquido 11 di raffreddamento nel circuito 14 di riscaldamento ed in queste condizioni, la valvola 25 di intercettazione viene (completamente) chiusa e la valvola 27 di bypass viene completamente aperta in modo da evitare la circolazione del liquido 11 di raffreddamento nello scambiatore 22 di calore (che non è necessaria in quanto la temperatura dell’acqua 5 è superiore al valore TH2 di soglia). Ovviamente, la valvola 32 di intercettazione viene chiusa (come illustrato nella figura 3) per fare circolare i gas di scarico che fluiscono nel condotto 3 di scarico anche attraverso lo scambiatore 20 di calore; in questo modo, il liquido 11 di raffreddamento che circola nello scambiatore 20 di calore viene riscaldato dal calore dei gas di scarico che fluiscono nel condotto 3 di scarico accelerando il raggiungimento della temperatura di lavoro ottimale. As illustrated in Figure 5, when the temperature of the cooling liquid 11 is lower than the threshold value TH1 and the temperature of the water 5 is higher than the threshold value TH2, the shut-off valve 19 is (completely) opened and the valve 18 is closed at least partially; under these conditions, the cooling liquid 11 circulates both in the cooling circuit 10 and in the heating circuit 14. In the presence of circulation of the cooling liquid 11 in the heating circuit 14 and in these conditions, the shut-off valve 25 is (completely) closed and the bypass valve 27 is completely opened so as to prevent the circulation of the cooling liquid 11 in the heat exchanger 22 (which is not necessary since the water temperature 5 is higher than the threshold value TH2). Obviously, the interception valve 32 is closed (as illustrated in Figure 3) to circulate the exhaust gases which flow in the exhaust duct 3 also through the heat exchanger 20; in this way, the cooling liquid 11 which circulates in the heat exchanger 20 is heated by the heat of the exhaust gases flowing into the exhaust duct 3, accelerating the achievement of the optimum working temperature.
Secondo quanto è illustrato nella figura 6, quando la temperatura dell’acqua 5 è inferiore al valore TH2 di soglia (indipendentemente dalla temperatura del liquido 11 di raffreddamento), la valvola 19 di intercettazione viene (completamente) aperta e la valvola 18 viene chiusa almeno in parte; in queste condizioni, il liquido 11 di raffreddamento circola sia nel circuito 10 di raffreddamento, sia nel circuito 14 di riscaldamento. In presenza di circolazione del liquido 11 di raffreddamento nel circuito 14 di riscaldamento ed in queste condizioni, la valvola 25 di intercettazione viene (completamente) aperta e la valvola 27 di bypass viene chiusa almeno in parte per ottenere la circolazione del liquido 11 di raffreddamento nello scambiatore 22 di calore (che è necessaria in quanto la temperatura dell’acqua 5 è inferiore al valore TH2 di soglia). In queste condizioni, la valvola 32 di intercettazione viene pilotata in funzione della temperatura del liquido 11 di raffreddamento: se la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è inferiore al valore TH1 di soglia allora la valvola 32 di intercettazione viene chiusa (come illustrato nella figura 3) per fare riscaldare il liquido 11 di raffreddamento con il calore dei gas di scarico, mentre se la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è superiore al valore TH1 di soglia allora la valvola 32 di intercettazione viene aperta (come illustrato nella figura 2) in quanto non è necessario riscaldare ulteriormente il liquido 11 di raffreddamento. As illustrated in Figure 6, when the temperature of the water 5 is lower than the threshold value TH2 (regardless of the temperature of the cooling liquid 11), the shut-off valve 19 is (completely) opened and the valve 18 is closed at least partly; under these conditions, the cooling liquid 11 circulates both in the cooling circuit 10 and in the heating circuit 14. In the presence of circulation of the cooling liquid 11 in the heating circuit 14 and in these conditions, the shut-off valve 25 is (completely) opened and the bypass valve 27 is closed at least in part to obtain the circulation of the cooling liquid 11 in the heat exchanger 22 (which is necessary since the water temperature 5 is lower than the threshold value TH2). Under these conditions, the on-off valve 32 is piloted according to the temperature of the cooling liquid 11: if the temperature of the cooling liquid 11 is lower than the threshold value TH1 then the on-off valve 32 is closed (as illustrated in Figure 3 ) to heat the cooling liquid 11 with the heat of the exhaust gases, while if the temperature of the cooling liquid 11 is higher than the threshold value TH1 then the shut-off valve 32 is opened (as shown in Figure 2) as it is not necessary to further heat the coolant 11.
Riassumendo: Summing up:
• la valvola 32 di intercettazione è chiusa (come illustrato nella figura 3) quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è inferiore al valore TH1 di soglia ed è aperta (come illustrato nella figura 2) quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è superiore al valore TH1 di soglia; • the shut-off valve 32 is closed (as shown in figure 3) when the temperature of the coolant 11 is lower than the threshold value TH1 and is open (as shown in figure 2) when the temperature of the coolant 11 is higher at the threshold value TH1;
• la valvola 19 di intercettazione è aperta quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è inferiore al valore TH1 di soglia e/o la temperatura dell’acqua 5 è inferiore al valore TH2 di soglia, ed è chiusa quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è superiore al valore TH1 di soglia e la temperatura dell’acqua 5 è superiore al valore TH2 di soglia; • the shut-off valve 19 is open when the temperature of the cooling liquid 11 is lower than the threshold value TH1 and / or the water temperature 5 is lower than the threshold value TH2, and is closed when the temperature of the liquid 11 of cooling is higher than the threshold value TH1 and the water temperature 5 is higher than the threshold value TH2;
• la valvola 18 di bypass è (almeno parzialmente) chiusa quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è inferiore al valore TH1 di soglia e/o la temperatura dell’acqua 5 è inferiore al valore TH2 di soglia, ed è (completamente) aperta quando la temperatura del liquido 11 di raffreddamento è superiore al valore TH1 di soglia e la temperatura dell’acqua 5 è superiore al valore TH2 di soglia; • the bypass valve 18 is (at least partially) closed when the temperature of the cooling liquid 11 is lower than the threshold value TH1 and / or the water temperature 5 is lower than the threshold value TH2, and is (completely) open when the temperature of the cooling liquid 11 is higher than the threshold value TH1 and the temperature of the water 5 is higher than the threshold value TH2;
• la valvola 25 di intercettazione è aperta quando la temperatura dell’acqua 5 è inferiore al valore TH2 di soglia, ed è chiusa quando la temperatura dell’acqua 5 è superiore al valore TH2 di soglia; e • the shut-off valve 25 is open when the water temperature 5 is lower than the threshold value TH2, and is closed when the water temperature 5 is higher than the threshold value TH2; And
• la valvola 27 di bypass è (almeno parzialmente) chiusa quando la temperatura dell’acqua 5 è inferiore al valore TH2 di soglia, ed è aperta quando la temperatura dell’acqua 5 è superiore al valore TH2 di soglia. • the bypass valve 27 is (at least partially) closed when the water temperature 5 is lower than the threshold value TH2, and is open when the water temperature 5 is higher than the threshold value TH2.
Secondo una preferita forma di attuazione, la valvola 19 di intercettazione è normalmente chiusa (ovvero in assenza di alimentazione si chiude), la valvola 18 di bypass è normalmente aperta (ovvero in assenza di alimentazione si apre), la valvola 32 di intercettazione è normalmente aperta (ovvero in assenza di alimentazione si apre), la valvola 25 di intercettazione è normalmente chiusa (ovvero in assenza di alimentazione si chiude), e la valvola 27 di bypass è normalmente aperta (ovvero in assenza di alimentazione si apre). In questo modo, in caso di problemi di pilotaggio le valvole 18, 19, 25, 27 e 32 si dispongono naturalmente nella posizione di maggiore sicurezza (corrispondente al funzionamento normale del motore 2 termico a combustione interna); inoltre, nel funzionamento normale del motore 2 termico a combustione interna (che si svolge per la grande maggioranza del tempo di utilizzo), le valvole 18, 19, 25, 27 e 32 non devono venire alimentate e quindi non provocano alcun consumo energetico. According to a preferred embodiment, the shut-off valve 19 is normally closed (i.e. in the absence of power supply it closes), the bypass valve 18 is normally open (i.e. in the absence of power supply it opens), the shut-off valve 32 is normally open (i.e. in the absence of power supply it opens), the interception valve 25 is normally closed (i.e. in the absence of power supply it closes), and the bypass valve 27 is normally open (i.e. in the absence of power supply it opens). In this way, in the event of piloting problems, the valves 18, 19, 25, 27 and 32 are naturally arranged in the position of greatest safety (corresponding to the normal operation of the internal combustion thermal engine 2); moreover, in the normal operation of the internal combustion thermal engine 2 (which takes place for the great majority of the time of use), the valves 18, 19, 25, 27 and 32 must not be powered and therefore do not cause any energy consumption.
Come detto in precedenza, le valvole 19, 25 e 32 sono di tipo ON-OFF ovvero in grado di assumere unicamente una posizione completamente chiusa oppure una posizione completamente aperta; di conseguenza, il controllo delle valvole 19, 25 e 32 è semplice in quanto possono solo venire aperte o chiuse. Invece, le valvole 18 e 27 sono parzializzabili e quindi richiedono un controllo più fine. As previously said, the valves 19, 25 and 32 are of the ON-OFF type, ie capable of assuming only a completely closed position or a completely open position; consequently, the control of the valves 19, 25 and 32 is simple in that they can only be opened or closed. On the other hand, valves 18 and 27 can be throttled and therefore require finer control.
Normalmente, l’unità 33 di controllo regola la posizione della valvola 18 di bypass in funzione della differenza tra la temperatura effettiva del liquido 11 di raffreddamento ed il valore TH1 di soglia (quando la temperatura effettiva del liquido 11 di raffreddamento è inferiore al valore TH1 di soglia) in modo tale da chiudere la valvola 18 di bypass tanto di più quanto di quanto più è grande la differenza tra la temperatura effettiva del liquido 11 di raffreddamento ed il valore TH1 di soglia, oppure l’unità 33 di controllo regola la posizione della valvola 18 di bypass in funzione della differenza tra la temperatura effettiva dell’acqua 5 nel serbatoio 5 ed il valore TH2 di soglia (quando la temperatura effettiva dell’acqua 5 nel serbatoio 5 è inferiore al valore TH2 di soglia) in modo tale da chiudere la valvola 18 di bypass tanto di più quanto di più quanto più è grande la differenza tra la temperatura effettiva dell’acqua 5 nel serbatoio 5 ed il valore TH2 di soglia. Normally, the control unit 33 adjusts the position of the bypass valve 18 according to the difference between the actual temperature of the cooling liquid 11 and the threshold value TH1 (when the actual temperature of the cooling liquid 11 is lower than the value TH1 threshold) in such a way as to close the bypass valve 18 the more the greater the difference between the actual temperature of the cooling liquid 11 and the threshold value TH1, or the control unit 33 adjusts the position of the bypass valve 18 as a function of the difference between the actual temperature of the water 5 in the tank 5 and the threshold value TH2 (when the actual temperature of the water 5 in the tank 5 is lower than the threshold value TH2) in such a way as to close the bypass valve 18 the more the more the greater the difference between the actual temperature of the water 5 in the tank 5 and the threshold value TH2.
Normalmente, l’unità 33 di controllo regola la posizione della valvola 27 di bypass in funzione della differenza tra la temperatura effettiva dell’acqua 5 nel serbatoio 5 ed il valore TH2 di soglia (quando la temperatura effettiva dell’acqua 5 nel serbatoio 5 è inferiore al valore TH2 di soglia) in modo tale da chiudere la valvola 27 di bypass tanto di più quanto più è grande la grande differenza tra la temperatura effettiva dell’acqua 5 nel serbatoio 5 ed il valore TH2 di soglia. Normally, the control unit 33 adjusts the position of the bypass valve 27 according to the difference between the actual temperature of the water 5 in the tank 5 and the threshold value TH2 (when the actual temperature of the water 5 in the tank 5 is lower than the threshold value TH2) in such a way as to close the bypass valve 27 the more the greater the large difference between the actual temperature of the water 5 in the tank 5 and the threshold value TH2.
Secondo una possibile forma di attuazione, il riscaldamento dell’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 non viene eseguita solo per sciogliere dell’eventuale ghiaccio, ma anche per sottoporre l’acqua 5 ad un trattamento termico antimicrobico (a temperature superiori a 60-70°C) per impedire la proliferazione di microorganismi. According to a possible embodiment, the heating of the water 5 contained in the tank 4 is performed not only to melt any ice, but also to subject the water 5 to an antimicrobial heat treatment (at temperatures above 60-70 ° C) to prevent the proliferation of microorganisms.
L’acqua contenuta nel serbatoio 4 potrebbe contenere dei microorganismi (ad esempio batteri, spore…), ovvero degli organismi viventi aventi dimensioni tali da non poter essere visti ad occhio nudo (minori di 0,1 mm). Tali microorganismi possono proliferare nel tempo all’interno del serbatoio 4 generando delle colonie che possono, ad esempio, ostruire (parzialmente o completamente) la presa dell’acqua della pompa 6 oppure possono venire risucchiati dalla pompa 6 e quindi inviati verso gli iniettori 8 con il rischio di intasare la pompa 6, gli eventuali filtri predisposti a valle della pompa 6, gli iniettori 8 o, se arrivano alle camere di combustione ricavate nei cilindri del motore 2 termico a combustione interna, disturbare la combustione con un potenziale degrado della prestazioni e/o un potenziale aumento nella generazione di sostanze inquinanti. In altre parole, i microorganismi che sono presenti nell'acqua contenuta nel serbatoio 4 con il tempo possono proliferare ed aumentare di numero, portando, ad esempio, alla formazione di alghe o biofilm sulle pareti del serbatoio 4; tali alghe o biofilm distaccandosi dalle pareti possono ostruire la presa della pompa 6 o possono anche venire risucchiati dalla pompa 6 ed arrivare quindi agli iniettori 8 e/o alle camere di combustione ricavate nei cilindri. The water contained in the tank 4 may contain microorganisms (for example bacteria, spores ...), or living organisms having dimensions that cannot be seen with the naked eye (less than 0.1 mm). These microorganisms can proliferate over time inside the tank 4, generating colonies which can, for example, obstruct (partially or completely) the water intake of pump 6 or can be sucked into the pump 6 and then sent towards the injectors 8 with the risk of clogging the pump 6, any filters arranged downstream of the pump 6, the injectors 8 or, if they reach the combustion chambers obtained in the cylinders of the internal combustion engine 2, disturb the combustion with a potential degradation of performance and / or a potential increase in the generation of pollutants. In other words, the microorganisms that are present in the water contained in the tank 4 can over time proliferate and increase in number, leading, for example, to the formation of algae or biofilm on the walls of the tank 4; such algae or biofilm detaching from the walls can obstruct the intake of the pump 6 or can also be sucked in by the pump 6 and thus reach the injectors 8 and / or the combustion chambers formed in the cylinders.
Di conseguenza, l’unità 33 di controllo potrebbe pilotare il dispositivo 21 riscaldatore anche per riscaldare l’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 ad una temperatura superiore a 60°C (preferibilmente 70°C) al fine di ottenere un trattamento termico (ovvero una sorta di sterilizzazione/pastorizzazione) dell’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 (ovvero al fine di ottenere, per effetto del calore, una riduzione della concentrazione di microorganismi presenti nell’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4). E’ importante sottolineare che il trattamento termico che viene realizzato utilizzando il dispositivo 21 riscaldatore è una sorta di sterilizzazione (ovvero una sterilizzazione parziale, incompleta) in quanto, non potendo raggiungere temperature molto elevate (superiori ai 100 °C) per non danneggiare il serbatoio 4 o i componenti alloggiati nel serbatoio 4 stesso, al termine del trattamento termico l’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 non è “sterile” nel senso medico, ma comunque ha ridotto sensibilmente la presenza di microorganismi. Consequently, the control unit 33 could drive the heater device 21 also to heat the water 5 contained in the tank 4 to a temperature higher than 60 ° C (preferably 70 ° C) in order to obtain a heat treatment (i.e. a sort of sterilization / pasteurization) of the water 5 contained in the tank 4 (ie in order to obtain, due to the effect of the heat, a reduction in the concentration of microorganisms present in the water 5 contained in the tank 4). It is important to underline that the heat treatment that is carried out using the heater device 21 is a sort of sterilization (i.e. a partial, incomplete sterilization) since, not being able to reach very high temperatures (above 100 ° C) in order not to damage the tank 4 or the components housed in the tank 4 itself, at the end of the heat treatment the water 5 contained in the tank 4 is not “sterile” in the medical sense, but in any case it has significantly reduced the presence of microorganisms.
In altre parole, l’unità 33 di controllo potrebbe utilizzare (ogni qual volta che il motore 2 a combustione interna viene accesso) il dispositivo 21 riscaldatore (inizialmente previsto solo in funzione anti-ghiaccio) per sottoporre l’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 ad un trattamento termico finalizzato alla riduzione (per quanto possibile) di microrganismi in forma vegetativa, di germi e, con un’azione prolungata, anche di alcune spore batteriche. Prove sperimentali hanno evidenziato che riscaldando l’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 a 70°C – 75 °C per almeno 2-5 minuti si può ottenere una riduzione del 90-98% della concentrazione batterica totale. In other words, the control unit 33 could use (whenever the internal combustion engine 2 is switched on) the heater device 21 (initially provided only in anti-ice function) to subject the water 5 contained in the tank 4 to a heat treatment aimed at the reduction (as far as possible) of microorganisms in vegetative form, of germs and, with a prolonged action, also of some bacterial spores. Experimental tests have shown that by heating the water 5 contained in tank 4 to 70 ° C - 75 ° C for at least 2-5 minutes, a reduction of 90-98% of the total bacterial concentration can be achieved.
Ovviamente, in caso di trattamento termico dell’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4, il valore TH2 di soglia non è più prossimo allo zero (ad esempio 5-10°C), ma diviene pari alla temperatura di trattamento termico (ad esempio 60-70°C). Obviously, in case of heat treatment of the water 5 contained in the tank 4, the threshold value TH2 is no longer close to zero (for example 5-10 ° C), but becomes equal to the heat treatment temperature (for example 60- 70 ° C).
Secondo una alternativa forma di attuazione non illustrata, non è presente la valvola 25 di intercettazione oppure non è presente la valvola 27 di bypass in quanto le valvole 25 e 27 presentano funzionamenti tra loro parzialmente ridondanti. According to an alternative embodiment not shown, the interception valve 25 is not present or the bypass valve 27 is not present since the valves 25 and 27 have partially redundant operations.
Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, le due valvole 18 e 19 vengono sostituite da una singola valvola a tre vie disposta in corrispondenza del nodo 15. According to a different embodiment not shown, the two valves 18 and 19 are replaced by a single three-way valve arranged at node 15.
Nella forma di attuazione illustrata nelle figure allegate, il serbatoio 4 contiene l’acqua 5 che viene iniettata nelle camere di combustione ricavate nei cilindri del motore 2 termico a combustione interna per aumentare l’efficienza della combustione e/o per incrementare la potenza generata. Secondo una diversa forma di attuazione non illustrata, il serbatoio 4 contiene una soluzione acquosa di urea (ovvero un liquido operatore a base acqua contenente urea) che viene iniettata lungo il condotto 3 di scarico a monte di un catalizzatore SCR. In the embodiment illustrated in the attached figures, the tank 4 contains the water 5 which is injected into the combustion chambers obtained in the cylinders of the internal combustion thermal engine 2 to increase combustion efficiency and / or to increase the power generated. According to a different embodiment not shown, the tank 4 contains an aqueous solution of urea (ie a water-based operating liquid containing urea) which is injected along the exhaust duct 3 upstream of an SCR catalyst.
Le forme di attuazione qui descritte si possono combinare tra loro senza uscire dall'ambito di protezione della presente invenzione. The embodiments described here can be combined with each other without departing from the scope of protection of the present invention.
Il motore 2 termico a combustione interna sopra descritto presenta numerosi vantaggi. The internal combustion engine 2 described above has numerous advantages.
In primo luogo, il motore 2 termico a combustione interna sopra descritto permette di riscaldare con continuità l’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4 (ovvero per tutto il tempo di funzionamento del motore 2 a combustione interna) senza alcun consumo di energia in quanto il dispositivo 21 riscaldatore sfrutta unicamente il calore posseduto dai gas di scarico oppure il calore posseduto dal liquido 11 di raffreddamento (tale calore è a disposizione ed è “gratis” in quanto viene in ogni caso disperso nell’ambiente). In the first place, the internal combustion engine 2 described above allows the water 5 contained in the tank 4 to be continuously heated (i.e. for the entire operating time of the internal combustion engine 2) without any energy consumption since the device 21 heater uses only the heat possessed by the exhaust gases or the heat possessed by the cooling liquid 11 (this heat is available and is “free” as it is in any case dispersed into the environment).
Inoltre, il motore 2 termico a combustione interna sopra descritto permette di velocizzare il riscaldamento del liquido 11 di raffreddamento che può quindi raggiungere rapidamente la temperatura di lavoro ottimale (a vantaggio di una maggiore efficienza energetica nel funzionamento del motore 2 termico a combustione interna). Furthermore, the internal combustion thermal engine 2 described above allows to speed up the heating of the cooling liquid 11 which can therefore rapidly reach the optimum working temperature (to the advantage of greater energy efficiency in the operation of the internal combustion thermal engine 2).
Infine, quando il liquido 11 di raffreddamento ha raggiunto la temperatura di lavoro ottimale, il motore 2 termico a combustione interna sopra descritto permette di ottenere un raffreddamento più efficace del liquido 11 di raffreddamento in quanto il liquido 11 di raffreddamento non viene raffreddato solo nel radiatore 13, ma viene raffreddato anche cedendo calore all’acqua 5 contenuta nel serbatoio 4. Finally, when the cooling liquid 11 has reached the optimum working temperature, the internal combustion engine 2 described above allows to obtain a more effective cooling of the cooling liquid 11 since the cooling liquid 11 is not only cooled in the radiator 13, but it is also cooled by transferring heat to the water 5 contained in the tank 4.
ELENCO DEI NUMERI DI RIFERIMENTO DELLE FIGURE LIST OF REFERENCE NUMBERS OF THE FIGURES
1 sistema di alimentazione 1 power system
2 motore a combustione interna 2 internal combustion engine
3 condotto di scarico 3 exhaust duct
4 serbatoio 4 tank
5 acqua 5 water
6 pompa 6 pump
7 condotto di alimentazione 7 supply duct
8 iniettori 8 injectors
9 valvola di massima pressione 9 pressure relief valve
10 circuito di raffreddamento 10 cooling circuit
11 liquido di raffreddamento 11 coolant
12 pompa di circolazione 12 circulation pump
13 radiatore 13 radiator
14 circuito di riscaldamento 14 heating circuit
15 nodo 15 knot
16 nodo 16 knot
17 ramo di bypass 17 bypass branch
18 valvola di bypass 18 bypass valve
19 valvola di intercettazione 20 scambiatore di calore 19 shut-off valve 20 heat exchanger
21 dispositivo riscaldatore 22 scambiatore di calore 21 heater device 22 heat exchanger
23 condotto di mandata 23 delivery duct
24 condotto di ritorno 24 return pipe
25 valvola di intercettazione 26 valvola di non ritorno 25 shut-off valve 26 non-return valve
27 valvola di bypass 27 bypass valve
28 involucro 28 casing
29 ingresso 29 entrance
30 uscita 30 exit
31 tubazioni 31 pipes
32 valvola di intercettazione 33 unità di controllo 32 shut-off valve 33 control units
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| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | IT201900015093A1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1354823A (en) * | 1971-01-29 | 1974-06-05 | Glas A | Apparatus for cleaning the lamp glasses of a motor road vehicle |
| DE4111343A1 (en) * | 1991-04-08 | 1992-10-15 | Vdo Schindling | Heating wash water for vehicle screen wipers - using circuit which routes water via engine exhaust heat exchanger |
| US5806479A (en) * | 1994-10-06 | 1998-09-15 | Behr Gmbh & Co. | Additional heating arrangement |
| DE102010029269A1 (en) * | 2010-05-25 | 2011-12-01 | Robert Bosch Gmbh | Fluid tank for use in fluid heating system, for storing aqueous urea solution to reduce nitrogen oxide in exhaust gas of diesel engine of motor car, has heating element connected with cooling system such that fluid in tank volume is heated |
| JP2013245652A (en) * | 2012-05-29 | 2013-12-09 | Isuzu Motors Ltd | Urea water thawing device |
-
2019
- 2019-08-27 IT IT102019000015093A patent/IT201900015093A1/en unknown
Patent Citations (5)
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