Sviluppo di modelli di simulazione per motori Diesel Euro 5 ed Euro 6 ad elevate prestazioni

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1 POLITECNICO DI BARI DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA DELLE MACCHINE XXI Ciclo Curriculum:Macchine a fluido (SSD ING-IND/08) Sede di Bari Sviluppo di modelli di simulazione per motori Diesel Euro 5 ed Euro 6 ad elevate prestazioni Dottorando Ing. Ivan Fanelli Relatori: Ch.mo Prof. Bernardo Fortunato Ch.mo Prof. Sergio Camporeale Controrelatori: Ch.mo Prof. Cesare Pianese Coordinatore: Ch.mo Prof. Michele Napolitano A.A

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3 Sommario In vista delle delle prossime normative riguardanti i limiti sulle emissioni delle autovetture durante i cicli di prova, è sempre più importante ridurre le emissioni ai bassi e medi carichi attraverso l uso della tecnica di ricircolo dei gas di scarico (EGR). Lo sviluppo di strategie di controllo può essere notevolmente migliorato attraverso modelli di simulazione capaci di predire accuratamente il comportamento del motore e le sue emissioni nell intero campo di funzionamento, e in modo specifico ai bassi carichi quando il turbogruppo lavora a basse velocità di rotazione ed in prossimità della linea di pompaggio. La modellistica del turbogruppo è pertanto estremamente importante per simulare il motore in tali condizioni di funzionamento. In questo contesto, i metodi più accurati fanno uso delle curve caratteristiche del compressore e della turbina. Spesso le mappe del compressore e della turbina fornite dal costruttore non riportano i dati relativi a basse velocità di rotazione e bassi rapporti di pressione. Lo scopo di questo lavoro è valutare le mappe della turbina e del compressore in queste regioni della mappa, allo scopo di poter procedere con le simulazioni del motore ai bassi carichi e/o con elevate percentuali di EGR. Pertanto sono stati sviluppati metodi che permettono di estendere le mappe del turbogruppo nelle zone di interesse, tenendo conto della geometria e della velocità di rotazione del turbogruppo. Per il compressore è stata proposta una tecnica basata sulla similitudine fluidodinamica. Per l estrapolazione delle mappe della turbina, sono stati proposti due modeli basati sull analisi del flusso lungo la linea media. Questi modelli sono stati applicati per estendere le mappe di un turbogruppo con turbina a geometria variabile (VGT) montato su un motore Diesel sei cilindri. Due sequenze di prove a basso carico con variazione della quantità di gas combusti di ricircolo (EGR) sono state simulate. Il confronto fra risultati delle simulazioni e dati sperimentali mostra che i metodi proposti permettono di effettuare simulazioni accurate del motore nei punti a basso carico e con elevate percentuali di EGR durante i quali il turbogruppo lavora in regioni della mappa lontane da quelle generalmente riportate dal costruttore. 1

4 Indice Sommario 1 Indice 2 Lista dei simboli 7 Introduzione 12 1 Caratteristiche tecniche ed evoluzione del motore Diesel Applicazioni del motore Diesel Evoluzione delle prestazioni del motore Diesel Consumo specifico I sistemi di iniezione Tecniche per incrementare il coefficiente di riempimento del motore Potenza specifica Tecniche di sovralimentazione Sistemi di refrigerazione della carica fresca nei motori sovralimentati Sistemi di sovralimentazione di ultima generazione Piacere di guida Sovralimentazione a comando meccanico Sovralimentazione con turbogruppo a gas di scarico Il sistema ad impulsi Il sistema a pressione costante Sovralimentazione con valvola allo scarico Sovralimentazione con turbina a geometria variabile Sistemi di sovralimentazione combinati Analisi delle quote di mercato del Diesel Normative per il contenimento delle emissioni dei veicoli con motori Diesel Prodotti della combustione nei Diesel

5 2.1.1 Il monossido di carbonio Gli ossidi di azoto Gli idrocarburi incombusti Il biossido di zolfo Le polveri sottili L anidride carbonica Normative antinquinamento relative ad i veicoli con motore Diesel Euro Euro Euro Euro Euro 5 ed Euro Nuove tecnologie per il controllo delle emissioni e sistemi di post-trattamento La formazione degli inquinanti Gli ossidi di azoto (NO x ) Il particolato (PM) Gli idrocarburi incombusti (HC) Il monossido di carbonio (CO) Evoluzione delle tecniche di abbattimento delle emissioni nei motori Diesel Nuove strategie di combustione La formazione della carica omogenea Il controllo della combustione Il sistema VCR Il sistema VVT Partenza a freddo Controllo delle emissioni Sistemi di trattamento dei gas di scarico Generalità sui catalizzatori

6 3.4.2 Catalizzatore ossidante Sistemi De-Nox Filtri antiparticolato Sistemi chiusi (wall-flow) Sistemi aperti (flow-through) Tipologie di rigenerazione Possibili architetture dei motori Sovralimentazione a due stadi Sovralimentazione a due stadi nei motori dei veicoli ad uso commerciale La sovralimentazione a due stadi nei motori delle autovetture Gli schemi per il ricircolo dei gas di scarico HP Loop EGR LP Loop EGR Sistema ibrido (HP+LP loop) Sovralimentazione nei motori forniti di sistema EGR Configurazioni del sistema di post-trattamento Disposizione dei componenti per il trattamento dei gas combusti allo scarico Modellistica di simulazione Stato dell arte Il cilindro Modelli di combustione Mixture Controlled Combustion Target Pressure Curve Portata attraverso le valvole Trasferimento di calore Trafilamenti nel cilindro Condotti Giunzione

7 5.1.4 Scambiatori di calore Evoluzione delle iniezioni di combustibile nei condotti di scarico Modello di previsione della penetrazione del getto liquido nei condotti di scarico Modello di previsione della distribuzione statistica della dimensione delle goccioline dopo il break-up Modello di previsione della velocità di evaporazione delle goccioline di combustibile Modello di trasporto delle goccioline Il turbogruppo Il compressore Modelli di estrapolazione delle curve caratteristiche Modelli di estrapolazione delle mappe del rendimento isoentropico del compressore Modelli proposti per l estrapolazione delle curve caratteristiche e del rendimento del compressore La turbina Modelli di estrapolazione delle curve caratteristiche Modelli di estrapolazione del rendimento Modelli di estrapolazione delle curve caratteristiche e del rendimento della turbina Primo modello di estrapolazione: curve caratteristiche Secondo modello Determinazione dei coefficienti dei modelli di previsione delle prestazioni della turbina Applicazioni e verifica sperimentale Descrizione del banco prova Prove sperimentali Messa a punto del codice Calibrazione dei modelli per le prove senza EGR

8 6.3.2 Calibrazione dei modelli per le prove con EGR Validazione dei modelli di previsione delle prestazioni del turbogruppo e risultati Applicazione del modello di estrapolazione della mappa del compressore Prima applicazione dei modelli di estrapolazione delle mappe della turbina Seconda applicazione dei modelli di estrapolazione della turbina Risultati delle simulazioni Conclusioni 226 Riferimenti bibliografici 229 6

9 Lista dei simboli m massa [kg] K costante cinetica della reazione [-] t t bu c u i T p tempo [s] tempo di break-up [s] velocità assoluta [m/s] energia interna specifica [J/kg] temperatura [k] pressione statica [Pa] η rendimento [-] G portata [kg/s] θ angolo di manovella [ ] V volume [m 3 ] h Q & R entalpia specifica [J/kg] potenza termica scambiata [W] costante caratteristica del gas [J/(kg K)] a V parametro di Vibe [-] X frazione in massa [-] X d frazione in volume di goccioline con diametro minore di d [-] y V parametro definito in equ. (37) [-] M parametro di forma di Vibe [-] C costante del modello [-] k E densità locale di energia cinetica turbolenta [m 2 /s 2 ] e costante di Nepero [-] E energia [J] A area [m 2 ] 7

10 d diametro [m] ζ coefficiente di efflusso [-] ρ densità [kg/m 3 ] n velocità di rotazione del motore [giri/s] φ rapporto di equivalenza [-] Ψ parametro definito nell equ. (43-44) [-] k rapporto dei calori specifici [-] α S c s c p λ t coefficiente di scambio termico [W/(m 2 K)] calore specifico [J/(kg K)] calore specifico a pressione costante [J/(kg K)] conducibilità termica [W/(m K)] q flusso termico per unità di superficie [W/m 2 ] δ gioco in corrispondenza delle fasce elastiche [m] f coefficiente di attrito [-] F a forza [N] velocità del suono [m/s] f HTC fattore moltiplicativo del coefficiente di scambio termico [-] l l liq P ω lunghezza [m] lunghezza del getto liquido [m] potenza [W] velocità angolare [rad/s] BSR parametro definito nell eq. (108) [-] I momento di inerzia di massa [kg m 2 ] w u vettore velocità relativa [m/s] velocità di trascinamento [m/s] Z numero delle palette del rotore [-] α angolo assoluto del flusso (rispetto alla direzione tangenziale) [rad] 8

11 β r angolo relativo del flusso (rispetto alla direzione tangenziale) [rad] raggio dall asse del turbogruppo [m] β e rapporto di espansione totale [-] β c rapporto di compressione [-] L lavoro per unità di massa [J/kg] ϕ coefficiente di perdita nello statore [-] ψ coefficiente di perdita nel rotore [-] µ parametro definito nell equ. (115) [-] µ ν viscosità dinamica [Pa s] π 2 rapporto di espansione tra l uscita e l ingresso del rotore [-] λ parametro definito nell Equ. (120) [m (kg K) 0.5 /J 0.5 ] ν velocità di rotazione corretta [giri/(s K 0.5 )] ε rapporto fra i raggi del rotore all ingresso e all uscita in corrispondenza della linea media [-] P r rapporto fra le pressioni statiche all uscita dello statore ed all uscita del rotore [-] H altezza [m] C D coefficiente di resistenza [-] D c coefficiente di diffusione [-] g ev portata evaporata per unità di superficie della gocciolina [kg/(s m 2 )] H i L T potere calorifico inferiore [J/kg] calore latente di vaporizzazione [J/kg] ζ coefficiente di efflusso [-] PEDICI 0 valore del parametro calcolato in condizioni di ristagno del flusso. soot f c particolato filtro cilindro 9

12 F P BB b u i e a st com cu kin diss diff eff max in ext v CM CR C T TC m is ref combustibile parete fughe bruciato incombusto ingresso/entrante uscita/uscente aria valore iniziale combustione cumulativo cinetico dissipato fiamme diffusive effettiva massimo interno esterno valvola fluido refrigerante condotto equivalente degli scambiatori. compressore turbina turbo gruppo meccanico isoentropico condizioni atmosferiche standard/parametro corretto rispetto alle condizioni atmosferiche standard 10

13 geo rel n N g d r amb opt new pre imp dato geometrico valore relativo normale polverizzatore gas goccioline di combustibile rotore condizioni ambiente ottimale parametri calcolati tenendo conto della prenotazione prerotazione girante turbogruppo 1 ingresso compressore 2 uscita compressore 3 ingresso turbina 4 uscita turbina turbina 1 ingresso turbina 2 ingresso rotore 3 uscita rotore in corrispondenza della linea media 11

14 Introduzione Il vantaggio fiscale, unito all introduzione dei motori Diesel di nuova generazione, sono stati i motivi principali per cui nel corso degli ultimi dieci anni in tutta Europa si è assistito ad un forte incremento nelle vendite di vetture con motori alimentati a gasolio. Fig.1 Dati statistici sul mercato automobilistico in Europa [1]. Le statistiche di vendite automobilistiche dal 1999 al 2008 (vedi Fig.1) indicano un numero di vetture immatricolate che negli anni si è mantenuto all incirca costante (un lieve decremento nel 2008 a causa della crisi economica mondiale) con un netto incremento però della quota di mercato del Diesel [1]. La diretta conseguenza di questa situazione è stato il costante declino dei consumi di benzina in Europa (-3% all anno) e, per converso, il progressivo incremento della domanda di gasolio (+2% all anno). Sul versante dell offerta di prodotti, l industria della raffinazione, nonostante gli ingenti investimenti realizzati, non è stata in grado di adeguare completamente la produzione all evoluzione della domanda: il risultato è che l Europa si trova in una situazione di esubero strutturale di benzina e di deficit strutturale di gasolio. Tutto ciò è all origine di questa nuova situazione di crisi del Diesel che probabilmente diventerà la regola per il futuro: il prezzo del Diesel per i consumatori sarà simile, se non superiore, a quello della benzina. La crisi del mercato del Diesel deve essere fronteggiata attraverso un miglioramento dei processi di progettazione e produzione, e con l introduzione di nuove tecnologie motoristiche che tengano alto l interesse verso le vetture a gasolio. Nel campo della progettazione questo si traduce in un miglioramento delle prestazioni della vettura che deve essere venduta a prezzi contenuti secondo quanto richiesto dagli acquirenti. In più le 12

15 normative attuali impongono il rispetto di limiti sempre più restrittivi nelle emissioni inquinanti [2] e rappresentano attualmente il primo fattore pilota nello sviluppo dei motori Diesel (vedi Fig.2). Fig.2 Limiti imposti dalle normative Euro [2] (dati aggiornati al 31/12/2007). In questo contesto è indispensabile ottimizzare ogni processo di sviluppo/calibrazione dei motori a combustione interna. La sperimentazione rappresenta tuttora in campo motoristico il mezzo più diffuso per procedere nella progettazione/calibrazione del motore. Però gli elevati costi ed i tempi di analisi relativamente lunghi legati alla sempre crescente complessità dei sistemi motore ha spinto allo sviluppo di metodi numerici appropriati per un analisi rapida ed efficace. I risultati ottenibili da un codice di simulazione possono ridurre notevolmente il numero di osservazioni sperimentali necessarie coniugando le misure effettuate sul motore con i risultati del calcolo. L adozione, inoltre, di un codice di simulazione in fase di progetto preliminare, insieme con la necessaria analisi sperimentale, consente di analizzare diverse configurazioni motoristiche e di limitare pertanto il numero dei prototipi da realizzare come pure il numero di osservazioni da effettuare per individuare una configurazione ottimale. Nelle fasi di affinamento del progetto, lo studio teorico permette inoltre di effettuare in tempi rapidi un'analisi di sensibilità ai molteplici parametri funzionali e costruttivi, in modo da suggerire le soluzioni ottimali da verificare sperimentalmente. Purtroppo le notevoli dimensioni del dominio di un odierno sistema motore non si conciliano con i tempi di calcolo della fluidodinamica computazionale. Infatti per procedere ad un analisi numerica dell intero sistema motore si ricorre generalmente all ausilio dei codici quasi unidimensionali: i condotti vengono studiati con un approccio unidimensionale permettendo lo studio degli effetti delle 13

16 onde di pressione e depressione che li attraversano mentre gli altri componenti vengono modellati con una schematizzazione zero-dimensionale. In questo modo i tempi di calcolo sono notevolmente ridotti ed è possibile effettuare uno studio di tutto il sistema motore minimizzando i costi del processo. La continua innovazione nel settore automobilistico deve essere accompagnata dallo sviluppo di nuovi modelli capaci di predire con soddisfacente accuratezza il funzionamento delle nuove tecnologie che progressivamente sono state e verranno introdotte nel sistema motore. In più è necessario affinare i modelli già esistenti al fine di renderli adeguati a simulare correttamente il funzionamento del motore in tutte le condizioni di funzionamento estremamente critiche che si raggiungono nei motori di ultima generazione. Particolarmente complessa è la gestione ai bassi carichi dei motori di ultima generazione perché il turbogruppo non riesce a produrre livelli di pressione sufficienti per ottenere le percentuali di gas di ricircolo necessarie per rientrare nei limiti imposti dalle vigenti normative antinquinamento. Diverse soluzioni sono state avanzate a riguardo: turbina a geometria variabile (VGT), sovralimentazione a doppio stadio [3], e sistema ibrido di ricircolo dei gas combusti [4]. Nonostante l avvento di tali tecnologie, l accoppiamento del sistema di sovralimentazione non è mai perfetto e sia le turbine che il compressori funzionano spesso in condizioni di fuori progetto molto spinte soprattutto ai bassi carichi con elevate percentuali di EGR. La modellazione del turbogruppo è estremamente importante per una corretta simulazione del motore in tali condizioni operative. In questo contesto il metodo più accurato fa uso delle mappe caratteristiche del compressore e della turbina. Spesso i dati sperimentali che si riferiscono a zone di funzionamento con basse portate e/o basso numero di giri non vengono riportati a causa delle difficoltà associate alla procedura di caratterizzazione in tali condizioni di funzionamento. L obiettivo che si prefigge questo lavoro di tesi è sviluppare modelli di predizione delle prestazioni del turbogruppo per estendere le mappe della turbina e del compressore fuori dall area nel quale sono disponibili le curve caratteristiche e procedere con la simulazione del motore ai bassi carichi anche con notevoli quantità di gas di scarico di ricircolo. Tre categorie principali di tecniche di estrapolazione sono state proposte nel passato per questo scopo: metodi basati sulle reti neurali [5]; modelli empirici [6]; 14

17 modelli semi-teorici [7]-[10]. I primi due modelli forniscono soluzioni sufficientemente accurate solo in zone di funzionamento molto limitate. Invece la terza tipologia di modelli ha caratteristiche predittive migliori poiché tiene in considerazione la geometria del compressore e della turbina ed i processi termodinamici che avvengono al loro interno. L approccio più semplice ai modelli semi teorici consiste nell approssimare la turbina ad un ugello equivalente ma questa non è adeguata per le condizioni di funzionamento estremamente critiche del turbogruppo che si vogliono simulare [8]-[10]. Pertanto il modello utilizzato per l estrapolazione della mappa del compressore utilizza la similitudine fluidodinamica [11], mentre per la turbina sono stati applicati dei modelli più complessi che tengono in considerazione la geometria della turbomacchina [12]. La validazione di questi modelli è stata eseguita attraverso il confronto fra le prove sperimentali di un motore ad accensione spontanea effettuate nel centro BOSCH CVIT e le simulazioni di tale motore. Il confronto fra dati numerici e sperimentali mostra il potenziale di tali metodi, enfatizzandone le capacità ed allo stesso tempo i limiti. Il lavoro è stato organizzato in sei capitoli. Il primo capitolo riassume la storia evolutiva dei motori Diesel. Il secondo capitolo riporta i concetti principali sulle normative antinquinamento sottolineando le cause che hanno portato al raggiungimento dei vigenti limiti sulle emissioni, le modalità con cui vengono effettuate i cicli di prova per il superamento di tali limiti affiancando l evoluzione legislativa a quella tecnologica. Nel terzo capitolo vengono ampiamente descritte le tecnologie più recenti mirate all abbattimento delle emissioni inquinanti mettendo in risalto i miglioramenti apportati nel funzionamento del motore ed il modo in cui influenzano i parametri tipici di funzionamento del motore. Il quarto capitolo descrive le possibili configurazioni di maggiore interesse dei sistemi motore evidenziando la complessità e la notevole casistica di soluzioni logistiche e funzionali disponibili attualmente ed i criteri relativi all accoppiamento dei diversi componenti e sottosistemi dei motori Diesel più complessi di ultima generazione. 15

18 Il quinto capitolo presenta brevemente alcuni modelli di base dei codici uni-dimensionali per la simulazione dei motori a combustione interna. Quindi viene esaminato lo stato dell arte sui modelli di previsione delle prestazioni del turbogruppo e vengono descritti i modelli più interessanti che sono stati implementati in questo lavoro di ricerca. Nel sesto capitolo è analizzata la procedura di validazione dei modelli presentati nel capitolo cinque e vengono riportati e commentati i risultati delle simulazioni di un motore Diesel Euro 4 in condizioni di basso carico con variazione della percentuale di EGR. 16

19 1 Caratteristiche tecniche ed evoluzione del motore Diesel Nel 1893, l ingegnere tedesco Rudolf Diesel ( ) descrisse nel suo brevetto un nuovo tipo di motore a combustione interna. I primi esperimenti, eseguiti personalmente da Diesel, furono disastrosi e passarono circa quattro anni prima che un motore ad accensione per compressione riuscisse a funzionare regolarmente (alimentato da polvere di carbone miscelata ad aria). Si trattava di un grosso monocilindrico a quattro tempi (alesaggio 259 mm e corsa 400 mm), fabbricato dalla tedesca M.A.N., che sviluppava 20 CV al regime di 172 giri/min. La storia evolutiva del motore Diesel o ad accensione per compressione è stata segnata dalla presenza sul mercato del motore ad accensione comandata o motore a scoppio. Con riferimento ai cicli termodinamici ideali di entrambe le tipologie di motore si deduce che il motore ad accensione comandata (AC) è caratterizzato da rendimenti più elevati della controparte ad accensione spontanea (AS) a parità di condizioni di funzionamento (alimentazione, scarico) e con uguali dimensioni caratteristiche del pistone e del cilindro (pari rapporto di compressione). Il rendimento del ciclo ideale di entrambe i motori cresce col rapporto di compressione (rapporto tra volume massimo e minimo spazzati dal pistone). I motori Diesel sono progettato con rapporti di compressione molto più elevati del motore AC. Alcuni motori Diesel aspirati sono stati progettati con rapporto di compressione anche superiore a 20 mentre nei motori ad AC aspirati il rapporto di compressione è limitato superiormente a poiché le pressioni massime che si possono presentare in camera di combustione sono limitate dall instaurarsi del fenomeno indesiderato della detonazione della benzina, combustibile maggiormente utilizzato nei motori ad accensione comandata. Un altra importante differenza tra le versioni base dei motori ad AS e ad AC risiede nella combustione. Lo scoccare della scintilla di una candela che si affaccia sul cielo della camera di combustione determina l accensione della miscela aria-benzina nei motori ad accensione comandata; quindi un fronte di fiamma si propaga dalla candela in tutta la camera di combustione che in assenza 17

20 di detonazione raggiunge le pareti della camera e la testa del pistone senza determinare elevati gradienti di pressione. Nei motori ad AS il combustibile viene in parte iniettato prima del Punto Morto Superiore (PMS) e, quando si raggiungono le condizioni di pressione e temperatura di autoaccensione del Diesel, brucia contemporaneamente in tutta la camera di combustione provocando un repentino incremento della pressione interno cilindro. A questa fase detta di combustione premiscelata segue la fase di combustione diffusiva in cui le elevate temperature in camera determinano una graduale evaporazione e successiva combustione del combustibile iniettato in camera (Fig.3). Fig.3 Andamento del rilascio di calore (dq/dθ) durante la fase di combustione. I notevoli gradienti di pressione durante la fase di combustione premiscelata sono fonte di notevoli sollecitazioni meccaniche cicliche. Pertanto, per questioni di resistenza strutturale, i motori Diesel aspirati si presentano molto più robusti dei motori ad AC aspirati aventi stessa potenza. In più le forti sollecitazioni sono causa di notevoli vibrazioni e del conseguente indesiderato rumore tipico dei vecchi motori Diesel. Tali caratteristiche hanno limitato per molto tempo l applicazione del motore Diesel al settore della propulsione navale e dei mezzi pesanti per trazione terrestre e limitatamente ai sistemi industriali per la produzione di energia elettrica. Da allora ad oggi il motore Diesel ha subito un incredibile evoluzione. L evoluzione tecnologica è proseguita parallelamente all introduzione di nuove applicazioni e nuove fasce di mercato a seconda del contesto economico, sociale del momento e del luogo, comunque in stretta dipendenza dall evoluzione del motore ad accensione comandata. 18

21 1.1 Applicazioni del motore Diesel Per molti anni l evoluzione dei motori Diesel è stata segnata principalmente dalle tecnologie relative al sistema di alimentazione del combustibile. Nel 1908 con un importante intervento sull alimentazione del combustibile, tramite aria compressa, per la prima volta, venne iniettato olio pesante nel cilindro. Questa alimentazione pneumatica rese fortemente competitivo il motore Diesel rispetto al motore a vapore, all epoca suo antagonista, perché gli consentiva di ottenere potenze molto più elevate a parità di peso ed inoltre di eliminare i grossi contenitori di carbone. Tutto ciò portò all affermazione del motore Diesel nelle applicazioni marine. Alla fine degli anni 20 fu realizzato il progetto definitivo per la costruzione della prima pompa meccanica di iniezione ed iniziò la produzione di serie. Tale sistema era dotato di una precisione e di una rapidità di azionamento tali da decretarne il successo sui veicoli industriali. Il combustibile veniva immesso direttamente nel cilindro tramite il polverizzatore o iniettore la cui funzione consisteva nel ridurre il gasolio in minutissime goccioline per favorire la sua evaporazione e quindi l accensione in tempi brevi. Lo sviluppo di motori ad iniezione diretta di piccola cilindrata destinati alle autovetture fu però impossibile per l eccessiva rumorosità e per le difficoltà di realizzare i fori degli iniettori che dovevano, necessariamente, essere molto ridotti per la portate di combustibile tipiche delle piccole cilindrate. Per superare queste difficoltà nacque il motore ad iniezione indiretta o a precamera (Fig.4). Fig.4 Iniettore a precamera. 19

22 Il combustibile infatti nei motori a iniezione indiretta non viene iniettato nella parte superiore del cilindro, ma in una piccola precamera ricavata nella testata che ha un'uscita sul cielo del cilindro. La combustione inizia così nella precamera e con l'espansione dei gas prosegue poi nel cilindro. Lo scopo è quello di evitare che incendiandosi tutta la miscela comburente istantaneamente generi un picco di pressione che renderebbe il motore molto rumoroso e trasmetterebbe forti vibrazioni al telaio. Parente stretto del motore a precamera era quello a camera di turbolenza che ne rappresentava un affinamento; il posizionamento del condotto di comunicazione precamera-camera tangente al cielo del pistone di questa versione del motore, migliorava la miscelazione aria-gasolio e permetteva il più rapido riscaldamento della camera di combustione. Verso la fine degli anni 70 lo sviluppo della tecnologia ha permesso l introduzione dell iniezione diretta nei motori Diesel garantendo consumi più bassi. Negli stessi anni è stato introdotto sulle autovetture il sistema di sovralimentazione con turbogruppo e valvola limitatrice di pressione allo scarico (waste-gate). Tale tecnologia ha incrementato notevolmente le prestazioni del motore Diesel rendendolo concorrenziale nel mercato automobilistico al motore ad accensione comandata. 1.2 Evoluzione delle prestazioni del motore Diesel. L introduzione del motore Diesel nel settore automobilistico segna l inizio di un rapido incremento delle prestazioni di tale tipologia di propulsore al fine di renderlo competitivo col motore ad AS. I principali parametri motoristici che indicano le prestazioni di un motore sono: consumo specifico, potenza specifica, rumorosità, erogazione fluida e consistente della potenza in tutto il range di funzionamento del motore per un elevato piacere di guida Consumo specifico Il basso consumo specifico rappresenta una delle attrattive principali dei motori Diesel in confronto ai motori benzina. Comunque il più elevato piacere di guida dei motori ad AC ed il basso costo della 20

23 benzina hanno sempre spinto il mercato a preferire questo tipo di motorizzazione nel settore automobilistico. Fig.5 Andamento storico del prezzo del petrolio. La crisi petrolifera degli anni 70 (Fig.5) ed conseguente rialzo del costo dei suoi derivati, tra cui benzina e gasolio, ha dato comunque una spinta ai motori Diesel, caratterizzati da un relativamente basso consumo specifico, verso il mercato dell automobile I sistemi di iniezione L introduzione dell iniezione diretta del combustibile è stato uno dei fattori chiave per la riduzione del consumo specifico. L iniezione del combustibile è una delle fasi più importanti del ciclo di funzionamento del motore Diesel, poiché essa determina l efficienza di miscelamento fra aria e combustibile e, di conseguenza, le prestazioni, i consumi, le emissioni inquinanti e la rumorosità del motore stesso. L obiettivo di un buon miscelamento risulta particolarmente difficile da raggiungere in quanto il combustibile viene iniettato, attraverso uno o più fori, in volumi contenuti nella camera di combustione, nei quali è racchiusa solo una aliquota ridotta dell intero ossigeno presente nel cilindro. Di conseguenza, occorre che il combustibile, una volta evaporato, incontri la quantità di aria necessaria a formare localmente una miscela avente una dosatura prossima al valore stechiometrico, idonea all accensione. Un buon sistema di iniezione deve, pertanto, garantire un buon compromesso tra una fine polverizzazione dello spray ed una altrettanto profonda penetrazione del combustibile in camera di combustione, al fine di sfruttare l ossigeno presente nel miglior modo possibile. Per favorire una miscelazione efficace con l ossigeno, solitamente i condotti di aspirazione sono conformati in modo tale da generare al termine della fase di aspirazione, un campo di moto rotatorio dell aria intorno 21

24 all asse di assialsimmetria del cilindro (moto di swirl) ed uno attorno ad una retta normale a quest asse (moto di tumble). Tali movimenti che perdurano durante tutta la corsa di compressione, perseguono l obiettivo di diffondere il combustibile nell aria, sia sotto forma di gocce sia allo stato gassoso, favorendo l intimo miscelamento con l ossigeno. I sistemi con pompa in linea (sistemi pompa-iniettore) hanno fatto la storia del motore e sono tuttora impiegati in alcuni motori di produzione. Nel sistema di iniezione con pompa in linea vi è un gruppo pompante per ciascun iniettore. In questo tipo di dispositivo la pompa assicura fasatura, portata e dosatura, mentre all iniettore, ad apertura automatica formazione dello spray di combustibile e le sue caratteristiche di penetrazione e diffusione in camera di combustione. All iniettore spetta anche il compito di fissare la pressione di iniezione. I sistemi con pompa in linea permettono di raggiungere pressioni di iniezione dell ordine dei 900 bar e sono impiegati nel campo delle alte potenze per cilindro ( kw). Scendendo invece verso le più basse potenze per cilindro (>30 kw) vengono adottati sistemi del tutto simili al precedente con la differenza che un unica pompa serve tutti gli iniettori tramite un apposito gruppo di distribuzione. Il compito degli iniettori è di introdurre nella camera di combustione il gasolio alimentato ad alta pressione dalla pompa di iniezione, in modo che esso venga sufficientemente nebulizzato ed allo stesso tempo ben distribuito. Negli ultimi anni lo sviluppo della tecnologia dei sistemi di iniezione per i motori Diesel ha subito una forte accelerazione in seguito all esigenza di ridurre i consumi, il rumore e di contenere le emissioni inquinanti, per adeguarle a quelle stabilite dalle sempre più severe normative anti inquinamento. La necessità di migliorare il rendimento del motore è stata ancora più sentita per contenere l incremento del consumo specifico determinato dall uso massivo della tecnica di ricircolo dei gas combusti che mira a ridurre le temperature massime raggiunte in camera di combustione per abbattere gli NOx ma al contempo riduce il rendimento del ciclo termodinamico (Fig.6). Un concreto passo in avanti in termini di consumo specifico è stato compiuto nel 1997 con il sistema common rail introdotto da FIAT. Il common rail, che rappresenta al momento lo stato più evoluto dei sistemi di iniezione, è costituito da un circuito a bassa pressione nel quale il combustibile prelevato dal serbatoio viene spinto da una pompa attraverso un filtro prima di raggiungere il circuito di alta 22

25 pressione (Fig.7). Qui la pompa di alta pressione comprime il combustibile in un accumulatore dal quale vengono alimentati tutti gli iniettori. L avvio dell iniezione e la quantità da iniettare sono definiti dall unità di controllo attraverso gli impulsi di tensione mandati agli iniettori. Fig.6 Impatto delle misure di riduzione degli NOx tramite ricircolo dei gas combusti sul consumo specifico Fig.7 Schema di un sistema di iniezione del tipo common rail La pressione del combustibile è rilevata da un sensore posto sull accumulatore e mantenuta al valore desiderato da una valvola regolatrice. Il combustibile in eccesso scaricato da quest ultima e dagli 23

26 iniettori è rinviato nel serbatoio. Il common rail permette di gestire separatamente il controllo della pressione di iniezione e la massa iniettata che è funzione del tempo di apertura dell iniettore. In questo sistema l alzata dello spillo degli iniettori è comandata elettronicamente ed attuata da una valvola a solenoide o più di recente piezo-elettrica. I vantaggi legati all introduzione del sistema ad iniezione diretta ad alta pressione sono importanti e molteplici: Minori consumi di carburante a causa delle minori dispersioni termiche attraverso la camera di combustione che risulta molto compatta per questo tipo di motori. Minori emissioni inquinanti, ovvero netta riduzione delle emissioni allo scarico di particolato e di idrocarburi incombusti. Non sono comunque da sottovalutare anche gli svantaggi che i sistemi ad alta pressione comportano, quali un costo di installazione più elevato rispetto ai sistemi tradizionali, la necessità di utilizzare un combustibile ad elevato grado di purezza da scorie e di effettuare una manutenzione del motore durante l esercizio. Uno dei sistemi di iniezione ad alta pressione più utilizzati è il Common Rail a controllo elettronico della Bosch. Il sistema Common Rail è in grado di offrire, nell iniezione di combustibile, prestazione ad esso peculiari, quali: Elevatissime pressioni di iniezione ( bar), al fine di polverizzare finemente il combustibile permettendone un rapido miscelamento con l aria; Garanzia di un controllo preciso e ripetibile della dosatura e della durata dell iniezione, ottenute mediante una gestione completamente elettronica del sistema; Libertà di scelta dei parametri di iniezione (fasatura, durata di iniezione, quantità di combustibile da iniettare) e loro ottimizzazione in relazione alle condizioni di funzionamento del motore (regime di rotazione, carico, percentuale di EGR); Mantenimento delle prestazioni a livello ottimale durante tutto il tempo di vita dell apparato; Realizzazione di iniezioni multiple. Gli attuali sistemi Common Rail gestiscono una piccola preiniezione, detta pilot ed attuata alcuni millisecondi prima dell iniezione principale, che inietta una frazione ridotta (circa il 2%) del 24

27 combustibile totale previsto; il restante quantitativo viene iniettato, pochi gradi motore dopo, durante l iniezione principale, usualmente denominata main. Questa strategia di iniezione garantisce una forte riduzione del rumore di combustione, una migliore avviabilità a freddo ed un incremento della coppia a bassi regimi a scapito di un certo peggioramento delle emissioni di particolato. Inoltre, una ulteriore iniezione, detta post, può essere attuata per gestire sistemi di post-trattamento dei gas di scarico. Allo stato attuale, in particolari condizioni di carico e limitatamente ad alcuni regimi di rotazione (quelli più bassi, in corrispondenza dei quali il tempo disponibile per l iniezione è maggiore) è possibile suddividere ulteriormente l iniezione main in due o più frazioni: la pre e la after Tecniche per incrementare il coefficiente di riempimento del motore Proprio dalla difficoltà di realizzare un efficiente miscelamento fra combustibile e comburente a livello locale nasce l esigenza di garantire rapporti aria-combustibile medi estremamente magri (A/F>16), e comunque maggiori di quelli circa stechiometrici tipici dei motori a benzina. Poiché, a parità di massa d aria aspirata, questa condizione impone di bruciare una quantità di combustibile minore, a pari velocità di rotazione, la potenza di un motore Diesel non sovralimentato risulta minore di quella di un motore benzina di pari cilindrata. Ovviamente, al contrario, i consumi sono favorevoli al motore Diesel. Un fattore che influenza notevolmente il coefficiente di riempimento e quindi la quantità di aria aspirata dal motore al variare del regime di rotazione è la fasatura delle valvole di aspirazione e scarico. Nei vecchi motori a combustione interna il movimento di apertura e fasatura delle valvole era legato alla forma delle camme, collegate meccanicamente tramite un albero detto a camme all albero a gomiti. Quindi la fasatura cioè l angolo di manovella di apertura e chiusura delle valvole era fissato e di conseguenza il coefficiente di riempimento era ottimizzato per un solo valore del regime di rotazione del motore. Differenti tecnologie più o meno evolute sono state applicate ai motori benzina per ottenere la variazione discreta o continua della fasatura (VVT) delle valvole (Fig.8) per ottenere ai bassi carichi un valore stechiometrico della miscela aria-combustibile riducendo la portata aspirata attraverso la chiusura anticipata delle valvole di aspirazione piuttosto che attraverso laminazione per mezzo della valvola a farfalla. 25

28 Fig.8 Sistema VVT con attuazione elettrica. In questo modo le perdite legate al ciclo di pompaggio ai bassi carichi sono notevolmente ridotte a cui consegue una riduzione consistente (fino al 25 %) dei consumi specifici in tali condizioni di funzionamento. La regolazione dei motori Diesel a differenza dei motori AC avviene per variazione della dosatura e quindi non è necessario laminare all aspirazione. La variazione della fasatura delle valvole quindi non apporta vantaggi sostanziali per quanto riguarda il ciclo di pompaggio ai bassi carichi nei motori Diesel. Nel settore dei motori Diesel il VVT è stato fino ad ora utilizzato principalmente allo scopo di aumentare il quantitativo di gas combusti residui nel cilindro dopo la fase di scarico (EGR interno). Comunque il VVT è soggetto a ricerca anche nel campo dei motori Diesel. In particolare è possibile applicare il VVT per ritardare, quando richiesto, la chiusura delle valvole di aspirazione [13]. In questo modo è possibile ottenere una temperatura più bassa alla fine della fase di compressione e quindi ritardare l inizio della combustione e migliorare il grado di miscelamento dell aria con il combustibile. In questo modo si riesce ad ottenere un abbattimento delle emissioni di particolato ed NOx mantenendo all incirca invariato il consumo specifico. In più il VVT può essere utilizzato per creare oscillazioni di pressioni nei condotto di aspirazione e scarico per ottimizzare gli effetti dinamici delle onde di pressione e depressione sul riempimento in tutto il campo di funzionamento del motore. Alternativamente può essere adottato il sistema air impulse valve o LTV (sistema prodotto da MAHLE) [14]. Una valvola capace di aprirsi o chiudersi in circa 3 ms viene installata all ingresso delle porte di aspirazione di ogni cilindro. Questo sistema determina un elevato livello di flessibilità del sistema di controllo dell alimentazione dell aria, in maniera paragonabile al sistema VVT. In più poiché il sistema LTV è posizionato nei condotti di aspirazione, non è esposto 26

29 alle elevate fluttuazioni di pressione e temperatura del cilindro, rendendo le condizioni operative di tale sistema significativamente più favorevoli di quelle che si trovano in un sistema elettromagnetico per attuazione variabile delle valvole di aspirazione e scarico. Un consistente miglioramento dei consumi specifici può essere ottenuto attraverso diluizione della carica che determina un miglior miscelamento della combustibile con l aria. Comunque passando a miscele troppo magre il guadagno in termini di consumo specifico è esiguo. Quindi piuttosto che diluire ulteriormente la carica è preferibile ridurre i consumi specifici, a parità di potenza erogata dal motore, attraverso la riduzione della capacità del motore (downsizing). Infatti riducendo la cilindrata del motore a parità di potenza erogata si ottiene la riduzione delle perdite: per pompaggio (approssimativamente a parità di pressione di aspirazione e scarico il volume spazzato dal cilindro è ridotto); per scambio termico attraverso le pareti (minore superficie della camera); per attrito (la massa del cilindro e delle parti in movimento è minore). Il consumo specifico risulta quindi essere strettamente legato alla potenza massima che il motore può erogare per unità di cilindrata, ossia alla potenza specifica Potenza specifica La tecnica più efficace per aumentare la potenza specifica è la sovralimentazione. Lo scopo della sovralimentazione è quella di introdurre nel cilindro una massa di carica fresca superiore a quella corrispondente all aspirazione naturale, per ottenere una maggiore potenza a parità di cilindrata. A questo proposito si può ricordare che fissata la cilindrata ed il numero di giri che il motore impiega per effettuare un ciclo completo (due tempi o quattro tempi), la potenza effettiva di un dato motore può essere aumentata incrementandone il regime di rotazione n, oppure la pressione media effettiva pme. Nel primo caso le forze d inerzia aumentano con il quadrato di n, costringendo ad alleggerire le parti in moto, mentre nel secondo le forze crescono solo linearmente con la pme e possono essere meglio contenute attraverso un irrobustimento degli organi. L obiettivo della sovralimentazione è proprio quello di introdurre in camera di combustione un maggior quantitativo 27

30 d aria e poter bruciare quindi più combustibile, ricavando quindi più lavoro utile. Le aumentate sollecitazioni devono essere contenute da un irrobustimento della struttura, comunque tramite sovralimentazione si ottengono pesi più bassi per unità di potenza prodotta, a causa del maggior incremento di potenza rispetto al corrispondente aumento di peso. A questo proposito si dovrebbe poi osservare che la pme può essere aumentata anche attraverso l incremento del rapporto volumetrico di compressione r, il quale produce un benefico effetto sul rendimento termodinamico, ma anche un eccessivo aumento della pressione massima. La sovralimentazione, invece ottiene l effetto di gonfiare il ciclo indicato, aumentando la pme senza elevare eccessivamente la pressione massima. La Fig.9 mostra il miglioramento impressionante in termini di potenze specifiche dei motori Diesel apportato negli anni dall introduzione di nuove tecniche di sovralimentazione. Un tale incremento nella potenza specifica è stato necessario affinché il motore Diesel risultasse concorrenziale al benzina. Se consideriamo le versioni aspirate, il motore Diesel è generalmente caratterizzato da una potenza specifica notevolmente minore del benzina. Infatti nei motori ad accensione spontanea il regime massimo di rotazione è ridotto rispetto alla controparte benzina principalmente per due motivi: il maggior peso dei componenti meccanici. il maggior tempo richiesto per il processo di combustione spontanea. Fig.9 Evoluzione delle potenze specifiche dei motori Diesel [15]. 28

31 L introduzione alla fine degli anni 90 del common rail ha permesso nel tempo di ridurre notevolmente i tempi caratteristici della combustione nei motori Diesel riducendo il tempo di evaporazione delle goccioline di combustibile attraverso una migliore nebulizzazione merito dalle elevate pressioni di iniezione caratteristiche di questo sistema di iniezione. Il primo modello a supportare questa tecnologia è stata la 156 dell Alfa Romeo. Per quantificare il miglioramento in termini di potenza specifica si è passati da 34.3 kw/l della Td ai 40.5 kw/l della JTD 8V 105 con un incremento del 18%. Ciò nonostante i motori benzina hanno continuato nel tempo ad essere più prestazionali in termini di potenza specifica grazie all evoluzione tecnologia che ha interessato anche questa tipologia di motori (Fig.10). Fig.10 Confronto fra motori benzina e Diesel in termini di potenze specifiche e coppia massima [15]. La coppia massima generalmente più alta nei motori Diesel non ha una grossa influenza nel settore automobilistico. La potenza che viene trasferita alle ruote, a meno delle perdite attraverso la trasmissione, è la stessa che eroga il motore; la coppia che invece arriva alle ruote può essere modulata attraverso il rapporto di trasmissione. Quindi se fissiamo la velocità del veicolo ed il regime di rotazione del motore, il propulsore con potenza massima più elevata potrà scaricare alle ruote una coppia più elevata. 29

32 Tecniche di sovralimentazione La sovralimentazione meccanica rappresenta il primo approccio alla sovralimentazione, dato che il suo potenziale è stato esplorato prima della fine del diciannovesimo secolo da alcuni progettisti pionieri dei m.c.i. tra cui Gottlieb Daimler e Wilheilm Maybach in Germania, ed all inizio del ventesimo secolo da Lee Chadwick in America. Comunque, si è dovuti arrivare al 1920 prima che aziende come Mercedes iniziassero ad adottare questo sistema e la sua applicazione e rimasta confinata alle macchine sportive ad elevate prestazioni sia per il notevole costo aggiuntivo di tale sistema sia perché non apporta miglioramenti sostanziali in termini di rendimento del motore. Nonostante fosse da subito chiaro che i gas combusti possedessero un gran quantitativo di energia termica trasformabile in lavoro, si è dovuti giungere agli anni 70 prima dell introduzione su larga scala della turbosovralimentazione a gas di scarico, quando iniziarono ad essere prodotti turbogruppi di piccole dimensioni con efficienze elevate ad un basso costo. La sovralimentazione con turbogruppo determina al contempo l incremento della potenza specifica e la riduzione del consumo specifico con un contenuto incremento dei costi di vendita della vettura ed è pertanto notevolmente preferita alla sovralimentazione con compressore a comando meccanico. Nei turbogruppi, la girante del compressore e della turbina sono montati sullo stesso alberino, come mostrato in Fig.11. La turbina utilizza l energia dei gas di scarico per muovere il compressore il quale aspira aria in condizioni ambiente, la comprime e la invia ai cilindri. Fig.11 Rappresentazione di un turbogruppo Il motore Diesel per le sue caratteristiche di funzionamento si è subito dimostrato più adatto alla sovralimentazione rispetto ai motori ad accensione comandata. In questi motori la detonazione limita 30

33 la temperatura e la pressione massima raggiungibile in camera di combustione. Risultano limitate le possibilità di sovralimentazione dei motori benzina. In un analisi della detonazione, i seguenti parametri devono essere considerati: dosatura; rapporto di compressione; fasatura dell iniezione; geometria della camera di combustione. Per i motori sovralimentati, i primi tre parametri sono notevolmente importanti perché influenzano consistentemente il processo essendo determinanti su pressione e temperatura monte turbina. Ci si potrebbe aspettare una notevole influenza del rapporto di compressione sulla tendenza alla detonazione per il suo effetto sulle pressioni e sulla temperatura a fine fase di compressione. Comunque, riducendo il rapporto di compressione aumentano i gas residui a fine fase di scarico che determinano un indesiderato incremento della temperatura della carica fresca. Anche con un rapporto di compressione bassissimo di 8:1, la pressione di sovralimentazione è limitata superiormente a circa 1.4 bar. A causa del limite di detonazione, è possibile fare uso di pressioni di sovralimentazione più elevate solo ritardando l accensione rispetto alla sua fase ottimale (lavoro massimo). Il motore ad accensione comandata può operare solo in un campo ristretto di rapporti aria-combustibile prossimi al valore stechiometrico (oggi è indispensabile per il funzionamento del catalizzatore a tre vie). Pertanto, il controllo del carico non può essere ottenuto come nei motori Diesel, cioè attraverso la variazione della quantità di combustibile a portata di aria costante (controllo qualitativo), ma deve essere ottenuto variando la quantità di miscela aria-combustibile mantenendo costante il rapporto stechiometrico. In più le temperature dei gas di scarico dei motori benzina più elevate dei motori Diesel sottopongono la turbina a stress termici notevoli e pertanto necessitano di turbine più resistenti ed ovviamente più costose. Per questi motivi l introduzione della sovralimentazione sui motori benzina è avvenuta parecchi anni dopo rispetto al Diesel ed è tuttora limitata. 31

34 Sistemi di refrigerazione della carica fresca nei motori sovralimentati La sovralimentazione incrementa la pressione dell aria ma anche la sua temperatura. Per ottenere un elevato coefficiente di riempimento è necessario che la densità della carica aspirata dai cilindri sia più elevata possibile. Uno scambiatore di calore a valle del compressore può ridurre notevolmente la temperatura dell aria compressa con relativamente piccole perdite di carico incrementandone notevolmente la densità. In più riducendo la temperatura della carica fresca sono ridotte anche le sollecitazioni termiche a cui è sottoposto il motore che quindi può essere ulteriormente alleggerito. In questo modo sono aumentate notevolmente le prestazioni dei motori Diesel sovralimentati. Al contempo è aumentata la tendenza a sviluppare motori a benzina sovralimentati poiché meno soggetti ai problemi di detonazione a seguito delle temperature ridotte della carica aspirata. Gli scambiatori più utilizzati per motori a combustione interna sono quelli refrigerati ad aria. Si ricorda a riguardo la Fiat Tipo 1.9 Diesel con turbo e intercooler da 90 cavalli (a 4100 giri/min) e 186 Nm di coppia disponibili già a 2400 giri/min. Allo scopo di migliorare l efficienza dello scambio termico e quindi aumentare la carica introdotta nei cilindri possono essere installati scambiatori con refrigerazione a liquido e per questo detti indiretti come nella Shelby GT500. Infatti generalmente i liquidi sono caratterizzati da coefficienti di scambio termico nettamente superiore a quello dei gas o nel nostro caso dell aria. L aria compressa può essere raffreddata nel caso dei motori Diesel usando il fluido refrigerante del motore. Si può quindi incrementare la massa d aria aspirata dal motore lasciando invariata la perdita di carico attraverso lo scambiatore e riducendo la temperatura dell aria a valle oppure al contrario con la riduzione delle perdite di carico attraverso un accorciamento dei condotti dello scambiatore. Generalmente si ricade nel secondo caso con una riduzione del 40-65% delle perdite di carico complessive in cui bisogna considerare anche l apporto fornito dai condotti uscenti dallo scambiatore che diventano significativamente più corti, poiché lo scambiatore può essere allocato in prossimità del motore. Lo scambiatore indiretto può operare con un circuito di refrigerazione separato o con uno facente parte del sistema di refrigerazione principale (Fig.12). 32

35 Fig.12 Sistema di refrigerazione con basse perdite di carico Se si utilizzano pompe mosse elettricamente è addirittura possibile riscaldare l aria. Questa misura può essere usata per ridurre il caratteristico fumo bianco dei motori Diesel durante l avviamento a freddo. Continui studi stanno portando all ottimizzazione degli scambiatori di calore nelle seguenti aree [16]: ridimensionamento di tali dispositivi atte alla corretta refrigerazione della carica a pieno carico e a velocità sostenute del motore, anche con elevate temperature ambientali e basse velocità del veicolo. La pratica generalmente accettata consiste nel dimensionare questi scambiatori per controllare la temperatura dell aria compressa a valori di velocità e coppia del motore sostenuti in valori compresi tra 17 e 20 al di sopra di quella ambiente. minimizzazione delle perdite di carico attraverso i condotti dell intercooler attraverso un attenta progettazione della geometria del sistema facendo attenzione a non eccedere nel volume dello scambiatore che posto tra compressore e motore causa una notevole riduzione della risposta dinamica del motore. coordinamento le funzioni dell intercooler e del radiatore che devono realizzare lo scambio termico richiesto senza interferire fra di loro. L ultimo obiettivo ha guadagnato notevole importanza nell applicazione per trazione pesante con l introduzione del sistema di ricircolo dei gas combusti a questa classe di motori. Infatti gli scambiatori posti sul ramo di ricircolo dei gas di scarico sono solitamente indiretti ed essendo attraversati da gas ad elevate temperature, scambiano molto calore col fluido refrigerante che deve essere smaltito efficacemente dal radiatore. L incremento della potenza specifica imputabile ai sistemi 33

36 di refrigerazione della carica introdotta nel cilindro è notevole ed ha permesso di raggiungere potenze specifiche di 60 kw/l (Fig.9) Sistemi di sovralimentazione di ultima generazione Un ulteriore incremento della potenza specifica è imputabile alla turbina a geometria variabile. Comunque lo scopo effettivo di tale tecnologia non è quello di incrementare notevolmente la potenza specifica (massima) ma di ottenere prestazioni elevate in tutto il campo di funzionamento del motore. L ultimo consistente passo avanti in termini di potenze specifiche è stato reso possibile dalla recentissima introduzione della tecnologia di sovralimentazione a gas di scarico a due stadi nel settore automobilistico. Questa tecnologia ha permesso attraverso l utilizzo di due turbogruppi in serie di raggiungere potenze specifiche prima impensabili per un motore Diesel (Fig.9) come il nuovo propulsore 1.9 JTD Twin Stage Turbo della Fiat da 190 CV (73.6 kw/l) capace di erogare una coppia massima di 400 Nm a giri. La potenza massima e la coppia massima sono indici importanti per valutare le caratteristiche di un motore. Comunque oggi il mercato dell automobile è estremamente esigente e richiede vetture prestanti che garantiscano al contempo un elevato comfort di marcia ed un elevato piacere di guida in tutte le condizioni di funzionamento Piacere di guida Il piacere di guida è essenzialmente un parametro soggettivo. Comunque i principali fattori che influiscono positivamente sul piacere di guida sono: guidabilità del veicolo; risposta rapida del veicolo alle richieste del conducente in ogni condizione di marcia; elevato comfort; bassa rumorosità. Questi parametri possono essere migliorati con approcci differenti (miglioramento delle sospensioni, migliore aerodinamica del veicolo, etc.). Sicuramente il piacere di guida può essere incrementato attraverso una progettazione ad hoc del propulsore. La rumorosità è stata abbattuta con l introduzione 34

37 del common rail per due motivi: le elevate pressioni di alimentazione del combustibile vengono raggiunte attraverso un compressore centrifugo che è meno soggetto a vibrazioni rispetto agli iniettori pompa; è possibile effettuare la pre-iniezione che permette di ottenere una curva di pressione interno cilindro più regolare e quindi l abbattimento delle vibrazioni causate dai notevoli gradienti di pressione. La recente introduzione degli iniettori ad attuazione piezoelettrica, caratterizzati da una risposta dinamica estremamente veloce, ha ulteriormente migliorato la precisione ed il controllo delle iniezioni portando i livelli di rumorosità del motore Diesel ai valori tipici del benzina. Questa tendenza è chiaramente riportata in Fig.13 dove è mostrato il confronto tra la rumorosità delle motorizzazioni benzina e Diesel della serie 5 della BMW [17]. Fig.13 Rumore medio all'interno di un veicolo a circa 50 km/h - BMW serie 5 La guidabilità ed il comfort sono strettamente legati alle curve di coppia del motore. Nei motori per trazione stradale o ferroviaria la coppia dovrebbe crescere al ridursi del regime di rotazione. In questo modo il funzionamento del motore risulterebbe stabile ad ogni regime di rotazione permettendo una guida fluida senza accelerazioni improvvise non previste dal conducente. I motori Diesel aspirati hanno sempre goduto di una curva di coppia molto più piatta di quella dei benzina aspirati in cui la coppia decresce col regime di rotazione per le notevoli perdite connesse col ciclo di pompaggio che diventano percentualmente consistenti alle basse potenze. 35

38 Sovralimentazione a comando meccanico I sistemi di sovralimentazione hanno influenzato notevolmente le caratteristiche di coppia e potenza di entrambe le categorie di motori. La tecnica di sovralimentazione è estremamente rilevante in questo ambito. La sovralimentazione con compressore volumetrico a comando meccanico si presta bene a questo tipo di applicazione poiché la portata elaborata dal compressore è quasi proporzionale alla velocità di rotazione del rotore che è a sua volta proporzionale a quella del motore: la carica fresca introdotta nel motore a ciclo è all incirca la stessa al variare del regime di rotazione; quindi possiamo lasciare invariata anche la quantità di combustile iniettata e ottenere quindi il tipico andamento piatto della coppia in funzione del numero di giri di un motore Diesel. Quanto detto è vero se si considera ovviamente un compressore volumetrico: Roots o compressore a palette (Fig.14 (a), (b)). Comunque i compressori Roots sono fortemente soggetto alle pulsazioni di aria che percorrono i condotti di aspirazione che possono portare ad un funzionamento rumoroso. Nei compressori a palette la riduzione di volume determina un incremento della pressione del gas prima di giungere alla mandata, quindi in contrasto alla sua controparte a lobi rotanti le sue prestazioni possono essere superiori anche se presenta problemi maggiori per il bilanciamento e la durata legata all usura delle palette. Per quanto riguarda il compressore centrifugo (Fig.14 (c)) abbiamo che la pressione di mandata cresce con il quadrato della velocità della girante e con essa anche la portata elaborata e quindi avremo di contro una curva di coppia che diminuisce fortemente al ridursi del regime di rotazione. Fig.14 Tipologie di compressori tipicamente utilizzati per sovralimentazione nel campo automobilistico 36

39 L area di applicazione preferita della sovralimentazione a comando meccanico è il motore benzina, dove la sovralimentazione con turbogruppo a gas di scarico richiede un sistema di controllo molto più complesso e costoso. Il sistema si sovralimentazione per i motore benzina è più complesso di quello richiesto dai motori Diesel. Nei motori benzina è necessario un sistema di by-pass (Fig.15 (a)) del compressore che viene attivato ai bassi carichi dove è necessario laminare l aria attraverso la valvola a farfalla per ottenere la miscela stechiometrica desiderata. Allo scopo di recuperare energia ai bassi carichi in cui il motore può funzionare senza sovralimentazione, è consigliabile introdurre un sistema di disinnesto del compressore (Fig.15 (b)). I motore Diesel con sovralimentazione meccanica non necessitano di tali sistemi aggiuntivi: la progettazione ed il controllo risultano semplificati ed il costo di vendita ovviamente ridotto. I motori sovralimentati con compressore a comando meccanico sono caratterizzati da una elevata reattività simile a quella di un motore Diesel aspirato per il quale la coppia erogata dipende principalmente dalla velocità con cui varia la quantità di combustibile iniettato ovviamente nei limiti dettati dal minimo rapporto aria-combustibile accettabile per ottenere una combustione soddisfacente. Pertanto, la risposta del sistema motore ai comandi del conducente è ottima. Fig.15 Motore sovralimentato con compressore a comando meccanico provvisto di by-pass (a); motore sovralimentato con compressore a comando meccanico provvisto di by-pass e sistema di disinnesto del compressore (b). 37

40 Sovralimentazione con turbogruppo a gas di scarico Nei motori sovralimentati con turbogruppo a gas di scarico le caratteristiche di coppia sono strettamente correlate all accoppiamento tra motore e turbogruppo. Se si introduce una frizione fra il compressore ed il motore, la rapidità con cui incrementa la pressione e quindi la massima coppia erogabile dipende anche dalle caratteristiche della frizione. I motori a benzina sovralimentati con turbogruppo a gas di scarico rappresentano l esatto opposto del motore Diesel aspirato. Nei motori benzina, il carico è controllato dalla quantità di miscela, che è a sua volta controllata dalla laminazione dell aria effettuata dalla valvola a farfalla. Pertanto, ai bassi carichi, si possono misurare pressioni esigue (sotto i 0.5 bar) in tutto il collettore di aspirazione a valle della valvola a farfalla, e la velocità del turbogruppo crolla significativamente a causa delle esigue quantità di gas di scarico. Da questa condizione, il processo complessivo richiesto per arrivare in condizioni di pieno carico nel modo più rapido possibile in questo motore è estremamente complesso e richiede un tempo consistente. Aprendo la valvola a farfalla, la pressione nel sistema di aspirazione a valle deve crescere fino alla pressione ambiente, e parallelamente la quantità di combustibile iniettato deve aumentare. Nel corso di questo processo, la quantità di gas di scarico e la loro temperatura cresce, aumentando la potenza fornita alla turbina. Dopo, il processo accelera progressivamente, fino alla condizione di equilibrio del turbogruppo. Quindi, il processo completo non si completa in un tempo estremamente breve. Pertanto la reattività di tale sistema è molto più lenta di quella ottenibile con sovralimentazione a comando meccanico Il sistema ad impulsi La connessione fra il collettore di scarico e la turbina gioca un ruolo molto importante nel funzionamento dinamico del turbogruppo. Nel caso in cui il volume del collettore di scarico e dei condotti che portano alla turbina sia relativamente piccolo e la sezione di passaggio della turbina sufficientemente ampia, la pressione nel cilindro e nei condotti nella fase di scarico spontanea può raggiungere rapidamente un valore che si avvicina a quello della pressione ambiente. In questa condizione i condotti di scarico sono attraversati da impulsi di portata e pressione dei gas combusti evacuati dai cilindri che raggiungono quasi integralmente la turbina. In questo caso si parla di sistema 38

41 ad impulsi. Risulta comunque inevitabile una contropressione più o meno elevata che può essere ridotta adottando una appropriata configurazione dei condotti di scarico in modo che i gas scaricati da cilindri differenti non interferiscano fra di loro. I tempi di risposta del turbocompressore sono ridotti, perché il piccolo volume del collettore di scarico consente un rapido cambiamento dei valori di pressione e temperatura che arrivano in turbina, la quale quindi risente rapidamente delle condizioni di funzionamento variabili del motore. Si può constatare nel caso in cui un fluido è indotto a passare attraverso un ugello di area costante da un gradiente di pressione pulsante, la massa effluente in dato intervallo di tempo è minore di quella che passerebbe nello stesso tempo, sotto l azione di un gradiente di pressione costante, richiedendo una maggiore spesa di energia [18]. L energia convogliata dal flusso pulsante risulta invece superiore a quella associata ad un gradiente costante, perché alla maggior parte di massa trasportata è associato un maggior contributo entalpico. Questi fenomeni determinano un incremento della contropressione media allo scarico rispetto al caso in cui il gradiente di pressione è costante. Ai bassi regimi, quindi, dove gli intervalli di tempo tra gli impulsi di pressione, dovuti agli scarichi dei singoli cilindri, si fanno più lunghi e quindi le oscillazioni di pressione sono più marcate, i fenomeni legati alla portata e all energia pulsante sono più consistenti e determinano quindi una riduzione meno sensibile della contropressione mediata nel tempo allo scarico e quindi della pressione di sovralimentazione e della coppia al diminuire del regime di rotazione. Quindi è possibile ottenere una caratteristica coppianumero di giri favorevole alla trazione, ossia con pendenza negativa al crescere del regime di rotazione, in modo da garantire la stabilità di funzionamento del motore. Il sistema ad impulsi per quanto visto viene comunemente utilizzato nei motori ad alta e media velocità (applicazione su autovetture) Il sistema a pressione costante Allargando il volume dei condotti di scarico a monte della turbina e del collettore di scarico, le pulsazioni di velocità dalle valvole di scarico vengono smorzate prima di raggiungere la turbina e convertite in pressione che rimane all incirca costante. Per questa ragione questo metodo è detto a pressione costante. Questo metodo assicura un flusso senza oscillazioni consistenti di velocità dei gas 39

42 di scarico alla turbina che ha il tempo di raggiungere e mantenere il regime ottimale di rotazione e funzionare con valori elevati di rendimento. Però questo sistema comporta anche un valore consistente della contropressione allo scarico che aumenta il lavoro compiuto dal cilindro per evacuare i gas combusti nella fase di scarico e riduce in parte il riempimento della camera di combustione. Inoltre la trasformazione dell energia cinetica in pressione è accompagnata da perdite irreversibili. Normalmente queste perdite sono comunque coperte in parte dal migliorato rendimento della turbina che funziona in condizioni stazionarie soprattutto nel punto di progetto per l accoppiamento del turbogruppo al motore. Contrariamente al sistema ad impulsi la risposta del sistema è molto più lenta nelle condizioni di funzionamento transitorio del motore. Presenta però il vantaggio di semplificare la costruzione dei collettori e dei condotti di scarico senza dover tener conto delle possibili sovrapposizioni degli impulsi di pressione dei gas di scarico. Si può usare una turbina ad una sola entrata, collegata all unico sbocco del collettore di scarico, evitando le complessità e le dissipazioni dovute alla suddivisione del suo distributore in più settori d ingresso. Il sistema a pressione costante è preferibilmente utilizzato nei motori due tempi dove è necessaria una contropressione allo scarico consistente per avere un buon lavaggio ed un buon riempimento della camera di combustione nella fase di aspirazione-scarico. Come vedremo successivamente il sistema a pressione costante sta riprendendo piede fra i motori Diesel quattro tempi di ultima generazione poiché la pressione costante nel collettore di scarico facilità il controllo del sistema di ricircolo dei gas combusti Sovralimentazione con valvola allo scarico Abbiamo già visto che fra i parametri principali di progettazione dei motori c è la risposta rapida del sistema ed una coppia elevata già ai bassi regimi di funzionamento del motore. Un metodo per soddisfare tali requisiti è quello di ridurre le dimensioni della turbina del turbogruppo: la sezione di passaggio ridotta determina una notevole contropressione allo scarico e di conseguenza un elevata pressione di sovralimentazione fornita dal compressore anche ai bassi regimi; riducendo l inerzia della girante si riducono anche i tempi per raggiungere il punto di funzionamento stazionario della turbina. Per evitare di ottenere pressioni di sovralimentazione troppo elevate agli alti regimi non ammissibili 40

43 per questioni di natura strutturale del motore, si provvede allora a scaricare, in queste condizioni, parte dei gas combusti prima dell immissione in turbina tramite la valvola waste-gate (Fig.16) o di aria compressa dopo il compressore. Fig.16 Motore sovralimentato con valvola allo scarico Lo scarico dei gas combusti è più conveniente, da un punto di vista energetico, rispetto a quello dell aria compressa, perché riduce anche la contropressione al motore diminuendo così il lavoro fatto per l espulsione dei gas dal cilindro. Tuttavia, esso presenta qualche problema costruttivo in più per la valvola di sfiato, dovuta all alta temperatura ed aggressività chimica dei gas combusti. Comunque bisogna considerare che l introduzione di turbine di piccole dimensioni determina consumi specifici di combustibile maggiori agli alti carichi, a causa delle forti contropressioni allo scarico del motore e dell energia inutilizzata contenuta nei gas di scarico espulsi attraverso la waste-gate Sovralimentazione con turbina a geometria variabile La premessa principale per l uso dei moderni turbogruppi è che questi devono raggiungere rapidamente un valore notevole di pressione di sovralimentazione su un ampio campo di funzionamento per un elevato piacere di guida. Per ottenere questo risultato bisogna poter controllare il funzionamento del turbocompressore in maniera flessibile. 41

44 Fig.17 Spaccato di una turbina a geometria variabile A questo scopo è stata introdotta la turbina a geometria variabile, la quale permette di controllare la pressione di sovralimentazione, attraverso la regolazione delle palette statoriche ad angolazione variabile che possono essere mosse da un anello dentato (Fig.17). Ai bassi regimi del motore, la sezione di passaggio tra due vani statorici è ridotta e il sistema si comporta come una turbina di piccole dimensioni determinando un elevata contropressione allo scarico (Fig.18). Fig.18 Funzionamento della turbine a geometria variabile. Agli alti regimi è possibile mantenere la pressione di sovralimentazione ad un valore fissato allargando l area di passaggio tra le palette: in questo modo è sfruttato l apporto energetico di tutta la portata di gas di scarico e non è necessario by-passare parte dei gas combusti come nei sistemi con waste-gate. Il risultato è che la pressione media indicata e quindi la curva di coppia dei sistemi con VGT è notevolmente incrementata rispetto ai sistemi di sovralimentazione con waste-gate per ogni regime di funzionamento del motore [19] (vedi Fig.19). In più la stabilità di funzionamento è migliorata anche a regimi di rotazione più bassi dove la curva di coppia continua a crescere col ridursi del numero di giri. 42

45 Fig.19 Confronto della pressione media effettiva massima per un motore Diesel con sistemi di sovralimentazione con waste-gate e VGT. La turbina a geometria variabile offre una grande flessibilità nel controllo delle prestazioni del motore e delle emissioni, specialmente nei motori di ultima generazione dove è prevalente l uso dell elettronica. Ad esempio, se il conducente del veicolo, richiede un accelerazione rapida, il sistema di controllo elettronico può essere programmato per ridurre la sezione di passaggio della VGT aumentando rapidamente la pressione di sovralimentazione prima che venga introdotto il combustibile necessario per incrementare la coppia. Questa metodologia di controllo aiuta ad eliminare i momentanei sbuffi di fumo che nascono durante le accelerazioni improvvise a causa della formazione di una miscela troppo ricca seguita da un notevole incremento del particolato prodotto. La turbina a geometria variabile come visto permette di controllare il valore della pressione allo scarico e di conseguenza è di ausilio anche nella regolazione della quantità di gas combusti di ricircolo nel controllo delle emissioni inquinanti. Nel caso dei motori a benzina il sistema di controllo può diventare estremamente complesso a causa della necessità di mantenere un rapporto stechiometrico della miscela in ogni condizione di funzionamento. Infatti l introduzione della turbina a geometria variabile su un motore a benzina è datata In più tale motore sviluppato è un 3.6 litri con due VGT e sarà montato sulla nuova Porsche 911; quindi si tratta di una vettura in cui i costi aggiuntivi relativi alla progettazione del sistema di controllo possono essere facilmente ammortizzati attraverso un incremento del prezzo della vettura. Invece, nei motori Diesel la VGT è stata introdotta sin dagli anni 90 (Peugeot 405 T16) ed è ormai largamente utilizzata su un ampia gamma di vetture Diesel. 43

46 Sistemi di sovralimentazione combinati La flessibilità del sistema VGT può essere ulteriormente incrementata facendo ricorso a sistemi di sovralimentazione combinati. Un numero consistente di sistemi più o meno complessi sono stati inventati allo scopo di migliorare le caratteristiche di funzionamento dei motori a combustione interna fra cui i principali sono: sovralimentazione a due stadi in serie o in parallelo e motori turbo compositi. Nei motori turbo compositi la turbina del turbogruppo o un altra turbina a valle fornisce parte dell energia dei gas di scarico all albero motore (Fig.20). Fig.20 Schema di un motore turbocomposito Comunque lo scopo di questo sistema è di utilizzare tutta l energia prelevabile dai gas di scarico in ogni condizione di funzionamento allo scopo di ridurre il consumo di combustibile del veicolo. Si è dimostrato [20] che è possibile ridurre il consumo specifico del motore di circa il 5% in prossimità del punto di progetto quando compressore e turbina funzionano con valori del rendimento isoentropico elevati. La complessità aggiuntiva nel processo di progettazione del motore ed il miglioramento limitato in termini di prestazioni confinato al solo consumo specifico restringono l applicazione dei motori turbocompositi al solo settore navale o in casi sporadici ai mezzi pesanti per trasporto terrestre. Il primo motore turbocomposito con trasmissione meccanica all albero a gomiti è stato introdotto dalla s.p.a Scania su un autotelaio nel Il sistema comunque non ha preso piede per il costo eccessivo legato alla complessità e quindi al costo del collegamento tra due alberi di potenza ruotanti a regimi ottimali nettamente diversi. Di maggiore interesse è il caso in cui un generatore elettrico ad alta velocità è montato direttamente sull albero del turbogruppo (Fig.21). Il generatore preleva potenza dalla turbina per produrre elettricità 44

47 utile agli organi ausiliari del motore, con un beneficio in termini di consumi di combustibile. I progetti in fase di sviluppo per i motori per trazione di mezzi pesanti mirano ad una riduzione del consumo specifico dell ordine del 5%. Il generatore elettrico permette inoltre un controllo del turbogruppo più flessibile, se si considera la possibilità di utilizzare il generatore per decelerare il turbogruppo e ridurre i tempi di frenata del motore o come motore per fornire ulteriore potenza al compressore nei momenti in cui è richiesto un aumento repentino della pressione di sovralimentazione. Fig.21 Schema di un motore turbo composito con generatore elettrico Comunque il motore turbocomposito non si presta a soddisfare i requisiti richiesti ai motori per applicazione su autovetture. I sistemi di sovralimentazione con doppia sovralimentazione in parallelo sono provvisti di due o più turbogruppi (vedi Fig.22). I gas di scarico di un gruppo di cilindri spinge una turbina ed i rimanenti cilindri l altra. I compressori alimentano tutti i cilindri. Questo tipo di tecnica è applicata su motori di elevata cilindrata o motori caratterizzati da un ampio campo di velocità di rotazione. Invece di utilizzare un unico turbogruppo con sezioni di passaggio dei gas elevate, se ne utilizzano due di dimensioni ridotte. I due turbogruppi lavorano entrambe quando vengono richieste portate elevate garantendo le stesse prestazioni di un turbogruppo più grande. Quando le portate diventano estremamente basse, un turbogruppo viene by-passato e l intera portata di gas di scarico viene inviata 45

48 all altro turbogruppo che funziona in condizioni di efficienza nettamente superiori ai valori caratteristici di un turbogruppo di maggiori dimensioni in tali condizioni di funzionamento, con un netto guadagno nell efficienza complessiva del motore ed una curva di coppia più piatta. In tali condizioni operative l inerzia ridotta dell unico turbogruppo funzionante permette una risposta rapida del motore a basso numero di giri. Fig.22 Schema del sistema di sovralimentazione con due turbogruppi in parallelo. Questo sistema comunque non permette di ottenere valori di sovralimentazione estremamente elevati. Infatti la pressione di sovralimentazione è limitata superiormente dalla condizione di flusso strozzato attraverso il compressore (o pompaggio in caso di progettazione errata). Le caratteristiche di tale sistema non sono perfettamente combacianti con quelle richieste dai motori per autovetture. Le applicazioni di tale sistema alle autovetture sono esigue e in generale sono limitate ai motori benzina (motore Subaru 2 l datato 1993) piuttosto che ai motori Diesel. Infatti nei motori ad accensione comandata non è richiesta una pressione di sovralimentazione elevata poichè limitata dal rischio di detonazione ed il campo di velocità del motore è più ampio che nei Diesel. Nei motori Diesel per autovetture tale sistema non ha praticamente visto alcuna applicazione importante poiché a parità di costi di produzione è sicuramente più vantaggiosa la sovralimentazione con due turbogruppi in serie 46

49 detta anche sovralimentazione a due stadi. Nei motori Diesel, la sovralimentazione a due stadi permette di ottenere una serie di vantaggi rispetto alla sovralimentazione a singolo stadio: un livello di sovralimentazione molto più spinto, che permette di raggiungere valori elevatissimi della pressione media effettiva; una migliore efficienza di sovralimentazione come conseguenza della maggiore flessibilità fornita dalla gestione di due turbogruppi. maggiori possibilità di adattare il comportamento del motore alle esigenze desiderate. Comunque a questi vantaggi potrebbero opporsi degli svantaggi significativi: un comportamento molto peggiore nella risposta in fase di accelerazione, dato che i rotori di ogni turbogruppo devono essere accelerati con la stessa energia dei gas di scarico; necessità di maggiore spazio per l installazione, incremento significativo del peso e dei costi del veicolo; inerzia termica del sistema di scarico incrementata, a cui si associa una peggiore situazione per i sistemi di post-trattamento (vedi capitolo 3). Questi svantaggi comunque possono essere ridotti o addirittura eliminati. La progettazione ottimale del sistema di sovralimentazione prevede l utilizzo di una sola turbina di piccole dimensioni per avere una risposta rapida nelle fasi di avviamento ed una turbina più grande a valle che entra in funzione disattivando un sistema di by-pass a elevate velocità di rotazione del motore per ottenere valori elevatissimi di pressione di sovralimentazione. Le dimensioni ed il peso dei due turbogruppi può essere abbattuto inserendo i due turbogruppi in un unico corpo. Il costo può essere ridotto attraverso la produzione in serie del gruppo di sovralimentazione [21] (Fig.23). Tale sistema permette di ottenere curve di coppia che permettono un funzionamento stabile del motore anche ad un regime di rotazione del motore bassissimo (vedi pressione media effettiva in Fig.24) con valori di coppia impressionanti [3]. 47

50 Fig.23 Esempio di gruppo compatto di sovralimentazione con due turbogruppi e rami di by-pass. Fig.24 Confronto della pressione media effettiva massima per un motore Diesel con sistemi di sovralimentazione con VGT (blu) e a due stadi (rosso). In Fig.25 viene confrontato il comportamento in transitorio di un motore sovralimentato con VGT e dello stesso motore con sovralimentazione a due stadi [3]. Il miglioramento nella risposta risulta evidente. Il sistema di sovralimentazione a due stadi ha praticamente tutte le caratteristiche richieste per un elevatissimo piacere di guida. La descrizione più dettagliata di tali sistemi è riportata nel capitolo 4. Fig.25 Comportamento non stazionario del sistema di sovralimentazione VTG e a doppio stadio. 48

51 1.3 Analisi delle quote di mercato del Diesel. Come sempre il Mercato apprezza, secondo le fasce, prodotti economici, oppure prestazionali, oppure alla moda. Il motore Diesel è stato ed è tuttora soggetto ad una consistente evoluzione tecnologica finalizzata ad incrementarne le prestazioni per renderlo appetibile nel Mercato delle automobili monopolizzato dai motori ad accensione comandata. Il prezzo del gasolio in Europa è stato per molti anni molto più basso di quello della benzina soprattutto nel periodo di crisi petrolifera alla fine degli anni 70 (vedi Fig.26). Infatti a questi anni risale anche il consistente allargamento del mercato del Diesel in Europa Fig.26 Andamento storico del prezzo del gasolio e della benzina in Italia e negli Stati Uniti. I valori tengono conto dell inflazione e del rapporto Euro/Dollaro pari ad 1.41 (dati del U.S. Department of Energy e dell Unione Petrolifera) In più bisogna considerare che il contenuto energetico per unità di volume è favorevole al gasolio con 8.52 [kcal/l] contro i 7.66 [kcal/l] e ciò ha reso ancora più appetibile la motorizzazione Diesel. Invece negli Stati Uniti, come in molte altre parti del mondo, il costo del Diesel è rimasto molto vicino a quello della benzina che in più si attestava a valori molto più bassi di quelli che si registravano in Europa. Per questo motivo il consumo specifico è rimasto per molti anni un parametro di importanza secondaria nel settore automobilistico a favore dei motori ad accensione comandata. Nonostante il prezzo del gasolio si sia attestato in Europa ai valori della benzina, il Diesel conserva tuttora in questo continente una quota considerevole del mercato dell automobile (Fig.27) [22]. La motivazione di ciò risiede probabilmente in una maggiore consapevolezza da parte del Mercato europeo delle prestazioni dei moderni motori Diesel notevolmente superiori rispetto agli obsoleti motori ad accensione 49

52 spontanea lenti e rumorosi. In più i livelli odierni di manutenibilità dei motori Diesel sono uguali a quelli dei motori benzina che nel corso dell evoluzione sono stati allestiti con nuovi sistemi (sovralimentazione, VVT, etc.) sempre più complessi ed onerosi da riparare. Fig.27 Statistiche di vendita di veicoli Diesel. Nel settore dei mezzi pesanti per trasporto terrestre il motore Diesel sta praticamente soppiantando il motore benzina a livello mondiale. Infatti nel settore dei mezzi commerciali è molto più sentita l esigenza di avere un motore con consumi specifici ridotti e capace di fornire a bassi regimi di rotazione una coppia elevata. Questa è necessaria per ottenere un valore plausibile di accelerazione in fase di avviamento del veicolo senza dover ricorrere ad un cambio con un numero troppo elevato di marce che oltre ad essere costoso obbliga il conducente a cambiare continuamente il rapporto di trasmissione in fase di manovra a velocità ridotta. In più i motori Diesel sono caratterizzati da una vita più lunga rispetto ai motori benzina come conseguenza delle caratteristiche di resistenza che devono essere maggiori per sopportare le maggiori sollecitazioni termiche e meccaniche associate al ciclo di combustione. Il Mercato dell automobile comunque gioca un ruolo fondamentale per comprendere lo sforzo e le risorse necessarie che bisognerà investire oggi e nel futuro più immediato per lo sviluppo di tecnologie atte a migliorare le prestazioni dei motori Diesel. È necessario quindi avanzare delle previsioni sul comportamento del mercato automobilistico che rappresenta sicuramente il settore economicamente più allettante per le case costruttrici di motori a combustione interna. Le regolamentazioni sulle emissioni inquinanti hanno influenzato, sin dalla loro introduzione, la progettazione, le prestazioni ed i costi dei motori a combustione interna. I limiti che verranno imposti 50

53 nel prossimo futuro sulle emissioni di CO 2 per unità di distanza percorsa hanno al momento priorità assoluta. Infatti le altre emissioni regolamentate nei motori Diesel e benzina possono essere abbattute con sistemi specifici allo scarico che favoriscono alcune reazioni di ossidazione o riduzione delle particelle tossiche in sostanze non nocive. Questa tecnica non può essere adottata in riferimento all anidride carbonica. A tale scopo sono state individuate una serie di misure. Queste sono state identificate dall industria automobilistica europea ed inserite in un approccio integrato [23] che comprenda un ulteriore miglioramento delle tecnologie dei veicoli, combinato all utilizzo di combustibili alternativi, al miglioramento della gestione del traffico e delle infrastrutture, ad uno stile di guida più economico ed alla definizione di un sistema di tassazioni in relazione alla CO 2 prodotta dai veicoli. Le misure tecniche comprendono: riduzione del consumo specifico dei motori applicazioni per un sistema di climatizzazione efficiente riduzione delle perdite per attrito della vettura sviluppo di tecnologie per l utilizzo di combustibili fossili alternativi incremento dell utilizzo dei bio-combustibili Il miglioramento in termini di abbattimento della CO 2 attraverso il miglioramento del sistema di climatizzazione è difficile da stimare e quindi da introdurre in una regolamentazione. La riduzione delle perdite per attrito della vettura sono principalmente da ottenersi tramite riduzione dell attrito volvente e monitoraggio della pressione dei pneumatici e utilizzo di lubrificanti a viscosità ridotta ma il loro apporto al rendimento totale è limitato al 2-3%. L utilizzo di combustibili fossili alternativi permette un abbattimento della CO 2 prodotta ma il costo legato alle modifiche da apportare al motore è, al momento, maggiore di quello necessario per abbattere lo stessa quantità di CO 2 attraverso la riduzione dei consumi specifici. L interesse verso i combustibili fossili alternativi è di certo legato al prezzo del gasolio. L introduzione dei bio-combustibili è tuttora principalmente legata al maggior costo di produzione e vendita rispetto al Diesel (biodiesel) o alla benzina (etanolo) derivati del petrolio. Comunque il biodiesel permetterebbe una riduzione del 78% delle emissioni di CO 2 se si tiene conto della quantità di anidride carbonica che viene riassorbito nel ciclo produttivo di tale combustibile (dalle piante da cui si ricava il biodiesel). Invece nei motori ad accensione comandata 51

54 l etanolo determinerebbe la riduzione solo del 15% di CO 2 vantaggio del motore ad accensione spontanea (in cui si può utilizzare il biodiesel). La tendenza del prezzo del gasolio ad aumentare soprattutto negli ultimi anni (negli Stati Uniti ci sono periodi in cui ha sorpassato il prezzo della benzina) sembra preludere ad un imminente aumento di scala del mercato del biodiesel sulle autovetture con motore ad accensione spontanea. Ovviamente al momento il mercato principale per l introduzione del biodiesel è l Europa dove maggiormente è diffuso il motori Diesel. Le statistiche confermano la crescita in Europa della produzione di biodiesel (Fig.28). Fig.28 Statistiche di vendita del biodiesel in Europa. (fonte: European Biodiesel Board) Comunque è importante considerare che il prezzo del gasolio è cresciuto notevolmente negli ultimi anni a causa dei processi di raffinamento di elevata qualità richiesti per eliminare completamente lo zolfo dannoso per alcuni sistemi di post-trattamento. Quindi si prospetta un rallentamento nella crescita del costo del gasolio nei prossimi anni. In più bisogna tener conto anche delle tassazioni imposte dallo stato sul gasolio o al contrario degli incentivi alla vendita del biodiesel. Ovviamente è necessario che la capacità produttiva del biodiesel sia tale da soddisfarne le richieste: in Europa comunque questo non sembra essere al momento un problema [24] (Fig.29). Fig.29 Capacità produttiva e produzione del biodiesel in Europa. 52

55 Comunque la riduzione del consumo specifico sembra, nell immediato futuro, la soluzione più idonea per rientrare nei limiti imposti dalla commissione Europea ridefiniti 130gCO 2 /km a dicembre 2008 [25]. La tecnologia basata sul concetto di combustione omogenea (HCCI) rappresenta un metodo efficace per ridurre il consumo specifico (vedi capitolo 3). In particolare questa tecnologia permetterà una notevole riduzione dei consumi soprattutto nei motori a benzina che si attesteranno a valori simili a quelli dei moderni motori Diesel. Esistono al momento diversi prototipi tra cui la Saturn Aura e la Opel Vectra della General Motors [26] che promettono fino al 15% di risparmio di combustibile rispetto alle versioni convenzionali. Comunque tale tipo di tecnologia non è ancora matura per poter essere introdotta su larga scala. Nei motori Diesel si prospetta una riconfigurazione della strategia di abbattimento delle emissioni che prevede probabilmente l eliminazione del sistema di ricircolo dei gas di scarico al fine di massimizzare l efficienza di combustione provvedendo ad abbattere gli NO x con appositi sistemi di post-trattamento allo scarico. Comunque una strategia di abbattimento della CO 2 che si affida eccessivamente alla tecnologia del veicolo determinerà un incremento consistente di vendita dei veicoli. Pertanto il costo di vendita delle vetture potrebbe diventare un fattore chiave nella strategia di abbattimento della CO 2. In questo contesto è necessario tenere conto anche della possibile introduzione di altre tecnologie. Al momento l alternativa più interessante è rappresentata dai veicoli a trazione ibrida con motore elettrico (Hybrid Electric Vehicle). A riguardo la riduzione in termini di CO 2 percentuale ottenuta durante il ciclo di prova (NEDC) è riportata per i seguenti veicoli già sul mercato [23]: Honda Civic: 23% Toyota Prius: 35% Lexus 400h: 20% Comunque la riduzione ottenuta per la Prius non è solo il risultato del sistema ibrido ma dell introduzione di alcune misure atte a migliorarne l efficienza tra cui la riduzione del peso e pneumatici a basso attrito volvente. Durante la presentazione del motore ibrido Diesel-elettrico basato sulla Peugeot 307 e la Citroën C4, la PSA (Peugeot e Citroën) ha affermato che allo stato attuale della tecnologia il prezzo di vendita di questi veicoli sarebbe 4500 più alta della controparte convenzionale. Questo nuovo modello comunque è capace di ridurre le emissioni di CO2 del 28 %. 53

56 In Tabella 1 vengono riportati i costi aggiuntivi di alcune tecnologie introdotte su veicoli di piccolamedia dimensione ed il relativo apporto nell abbattimento della CO 2 [27]. Tabella 1 Costi aggiuntivi di alcune tecnologie introdotte su veicoli di piccola-media dimensione e relativo apporto nell abbattimento della CO2 I motori Diesel sono nettamente avvantaggiati per quanto riguarda l obiettivo dei 130 g/km di CO 2 che può essere raggiunto facilmente attraverso l applicazione della tecnologia stop&go (sistema che rallenta e accelera il veicolo automaticamente attraverso l uso di radar/sensori di distanza) con un incremento dei costi di soli 660. Per i motori ad accensione comandata sembra invece necessario ricorrere all ausilio del motore elettrico con un incremento nettamente superiore dei costi di produzione e vendita. Al momento i notevole costo delle motorizzazioni ibride rappresenta il motivo principale della loro ridottissima quota di mercato accreditando la tesi di un mercato sensibile al costo dei veicoli. Comunque bisogna considerare che al momento le tecnologie produttive e di sviluppo dei tali motori non sono ancora mature e quindi il costo di produzione dei veicoli ibridi in futuro potrebbe subire un consistente decremento. In più le strategie di abbattimento della CO 2 per il 2012 dipendono anche dalla dimensione del segmento di vetture che si sta considerando. Il costo delle motorizzazioni Diesel sarà comunque ridotto rispetto a quello dei benzina indipendentemente dal segmento considerato [23]. Per il 2020 le principali tecniche che si prospetta verrano adottate per rientrare nei limiti previsti pari a 95 g/km di CO 2 (con possibili variazioni) sono due: la riduzione estrema delle cilindrate (Extra strong downsizing) 54

57 l utilizzo di vetture con motorizzazione ibrida (full hybridisation) La prima di queste due tecniche sarà, secondo le stime effettuate dall Agenzia Europea dell Ambiente [28], l approccio più economico per raggiungere l obiettivo dei 95 g/km di CO 2. In Tabella 2 è riportato l incremento del prezzo di vendita relativo al 2006 a seconda del limite stabilito per la CO 2 e degli scenari più o meno favorevoli allo sviluppo delle tecnologie ed alla penetrazione delle nuove tecnologie adottate nel Mercato. Tabella 2 Impatto medio sui costi delle vetture in funzione dei possibili limiti imposti sulla CO2 nel 2020, delle tecnologie introdotte, e degli scenari di avanzamento e penetrazione nel mercato di tali tecnologie. Andando oltre negli anni è estremamente difficile avanzare delle previsioni concrete sulla direzione in cui andrà il mercato dell automobile a causa dell elevato numero di parametri di cui bisogna tener conto e dei nuovi scenari legati all introduzione di nuove tecnologie tra cui le celle a combustibile o le batterie ad elevatissima capacità per i motori elettrici. Sembra comunque che il Diesel abbia i presupposti per una vita più lunga rispetto al benzina che ben presto verrà soppiantato dalle nuove tecnologie necessarie per l abbattimento dell anidride carbonica. 55

58 2 Normative per il contenimento delle emissioni dei veicoli con motori Diesel Le sostanze inquinanti dell aria possono incidere sull ambiente interferendo con il clima, la fisiologia delle piante, le specie animali e l intero ecosistema, così come la specie umana. Il clima è stato posto in cima alla lista per riflettere il fatto che il cambiamento del clima è stato riconosciuto come una delle sfide più importanti che l umanità deve affrontare nel 21 secolo. In questo contesto dovrebbero essere aggiunte alla lista degli inquinanti classici, tra cui gli ossidi di azoto e i solfuri, alcuni agenti che possono modificare il clima, il più importante il biossido di carbonio, che comunque non causano danni agli organismi viventi. D altra parte, le ricerche sul clima hanno collegato certi componenti a lungo riconosciuti come inquinanti dell aria (ad esempio la fuliggine) al riscaldamento climatico, apportando così un ulteriore motivazione per il loro controllo. Gli inquinanti possono essere originati da fonti naturali o artificiali. Esempi di fonti naturali di inquinamento includono le eruzioni vulcaniche o le erosioni provocate dal vento. Le emissioni dei m.c.i. sono invece un esempio consistente di inquinanti artificiali. Le reazioni atmosferiche possono trasformare gli inquinanti primari in specie chimiche differenti. Queste reazioni possono produrre composti secondari che possono più o meno nocivi dei precursori. I governi e le organizzazioni internazionali stanno prendendo provvedimenti per proteggere la qualità dell aria, e più di recente per controllare le emissioni causa di modifiche climatiche. Gli standard e le linee guida sulla qualità dell aria, rilasciate dalle autorità per la protezione dell ambiente, sono strumentali per il raggiungimento degli obiettivi sulla qualità dell aria. Un esempio di legislazione risiede nella US National Ambient Air Quality Standards adottata dalla Environmental Protection Agency. Tale legislazione si occupa sia della salute della specie umana (standard primario), sia del benessere pubblico (standard secondario). Appartengono a quest ultima categoria gli effetti sull acqua, il suolo, la vegetazione, gli animali, così come l impatto sullo stile di vita e sul benessere generale. L industria dell automobile sta investendo pesantemente in nuove tecnologie e strategie per affrontare queste problematiche complesse. In tutto il mondo, l automobile determina un migliore qualità della 56

59 vita; l obiettivo è conservare i suoi benefici e ridurre al contempo il suo impatto negativo sull ambiente principalmente attraverso l abbattimento delle emissioni nocive generate nel processo di combustione. 2.1 Prodotti della combustione nei Diesel I gas combusti del Diesel sono principalmente composti di CO 2, H 2 O e la porzione inutilizzata dell aria aspirata dal motore. Nessuno di questi prodotti principali della combustione, eccetto l anidride carbonica per le proprietà legate all effetto serra, ha effetti nocivi alla salute o all ambiente. Però le emissioni dei motori Diesel includono anche inquinanti che possono essere tossici per l uomo o causare altri effetti negativi per l ambiente. Alcune emissioni dei motori Diesel sono regolate negli Stati Uniti, Europa, Giappone, ed in molte altre nazioni. Le emissioni sottoposte a normativa includono i seguenti composti: il particolato comunemente chiamato polvere sottile (PM) regolato in base alla massa di particelle emesse; gli ossidi di azoto (NO x ), una miscela di monossido di azoto (NO) e biossido di azoto (NO 2 ); gli idrocarburi incombusti (HC); il monossido di carbonio (CO). Nei gas di scarico dei Diesel possono essere trovati molti inquinanti non regolamentati, generalmente in concentrazioni molto più basse delle emissioni prima elencate. Alcune di queste compongono una porzione del particolato, altre sono specie completamente separate in fase gassosa. Gli inquinanti non regolamentati sono: gli idrocarburi aromatici polinucleari (PAH), composti organici pesanti che si trovano principalmente nel particolato ma in parte anche in fase gassosa; la frazione organica solubile del particolato (SOF), formata da composti semi-volatili; le aldeidi (R-CHO), derivati degli idrocarburi; l ossido nitroso, N 2 O il biossido di zolfo, SO 2, dai solfuri presenti nel combustibile. 57

60 gli ossidi di metallo che derivano dall ossidazione di composti metallorganici presenti in molti oli lubrificanti. Inoltre gli additivi aggiunti nel combustibile al fine di controllare le emissioni dei Diesel possono contenere ferro, cerio e altri metalli inquinanti. le diossine Le emissioni di biossido di zolfo dei motori Diesel, anche se non regolamentate, sono controllate dagli standard legislativi per i combustibili che impongono un contenuto sempre più basso di solfuri nel gasolio Il monossido di carbonio Il monossido di carbonio è un gas inodore, incolore, altamente tossico ed anche facilmente infiammabile in elevate concentrazioni. La massima concentrazione di CO nell ambiente è stata raccomandata dalla Organizzazione Mondiale della Sanità. Come l anidride carbonica (CO 2 ) deriva dall ossidazione del carbonio in presenza di ossigeno. La sua presenza è quindi legata ai processi di combustione che utilizzano combustibili organici. In ambito urbano la sorgente principale è rappresentata dal traffico veicolare per cui le concentrazioni più elevate si riscontrano nelle ore di punta del traffico. Il principale apporto di questo gas (fino al 90% della produzione complessiva) è determinato dagli scarichi dei veicoli a benzina in condizioni tipiche di traffico urbano rallentato (motore al minimo, fasi di decelerazione, ecc.): per questi motivi viene riconosciuto come tracciante di inquinamento veicolare. Tra i motori degli autoveicoli, quelli a ciclo Diesel ne emettono quantità minime, in quanto la combustione del gasolio avviene in eccesso di aria. E definito un inquinante primario a causa della sua lunga permanenza in atmosfera che può raggiungere dai quattro ai sei mesi. Mentre gli effetti sull ambiente sono da ritenersi sostanzialmente scarsi o trascurabili, relativamente agli aspetti igienico-sanitari è da rimarcare l elevata affinità (circa 240 volte superiore a quella per l ossigeno) che questo gas dimostra nei confronti dell emoglobina con formazione di un complesso estremamente stabile (carbossiemoglobina). Considerando che l emoglobina è la molecola organica deputata nell uomo al trasporto dell ossigeno ai vari organi e tessuti, è evidente come in presenza di elevate concentrazioni di CO, alcune fasce di popolazioni quali neonati, cardiopatici, asmatici e più in 58

61 generale le persone anziane possano incorrere in alterazioni delle funzioni polmonari, cardiache e nervose, effetti questi conseguenti ad una verosimile azione tossica del composto sugli enzimi cellulari che inibiscono, per questa via, la respirazione. Recenti studi epidemiologici hanno infine dimostrato l associazione causale tra aumento delle concentrazioni di CO ed incremento della mortalità giornaliera totale, di quella specifica per malattie cardiovascolari e respiratorie a breve termine. Ai sensi della normativa vigente (direttiva 2008/50/CE che conferma D.M. 2 aprile 2002 n.60 e D.P.C.M ) i valori limite per la protezione della salute umana sono rispettivamente: 40 mg/m 3 (concentrazione massima oraria); 10 mg/m 3 (concentrazione media massima trascinata sulle 8 ore) Gli ossidi di azoto In generale gli ossidi di azoto (NO, N 2 O, NO 2 ed altri) sono generati dai processi di combustione, qualunque sia il combustibile utilizzato, per reazione diretta tra l'azoto e l'ossigeno dell'aria ad alta temperatura (>1200 C). I processi di combustione emettono quale componente principale monossido di azoto (NO) che, nelle emissioni di un motore a combustione interna, rappresenta circa il 98 % delle emissioni totali di ossidi di azoto. Successivamente il monossido di azoto in presenza di ozono si trasforma in biossido di azoto. La formazione diretta di biossido di azoto dai processi di combustione è strettamente correlata agli elevati valori di pressione e temperatura che si realizzano all'interno delle camere di combustione dei motori. I fumi di scarico degli autoveicoli contribuiscono enormemente all'inquinamento da NO; la quantità di emissioni dipende dalle caratteristiche del motore e dalla modalità del suo utilizzo (velocità, accelerazione, ecc.). La miscela degli ossidi di azoto, una volta immessa nell'ambiente, vi permane fino a 5 giorni, prima di essere rimossa con formazione di acido nitrico (HNO 3 ) e quindi di nitrati. Pertanto, in particolari 59

62 condizioni meteorologiche e in presenza di concentrazioni elevate, tale sostanza può diffondersi nell'atmosfera ed interessare territori situati anche a grande distanza dalla sorgente inquinante. Per quanto riguarda gli effetti sulla salute dell'uomo, sia il monossido di azoto che il biossido di azoto risultano potenzialmente pericolosi per la salute. In particolare il monossido di azoto, analogamente al monossido di carbonio, agisce sull'emoglobina, fissandosi ad essa con formazione di metamoglobina e nitrosometaemoglobina. Questo processo interferisce con la normale ossigenazione dei tessuti da parte del sangue ma, nonostante ciò, non sono mai stati riscontrati casi di decessi per avvelenamento da NO. Il biossido di azoto è più pericoloso per la salute umana, con una tossicità fino a quattro volte maggiore di quella del monossido di azoto. Forte ossidante ed irritante, il biossido di azoto esercita il suo effetto tossico principalmente sugli occhi, sulle mucose e sui polmoni. In particolare tale gas è responsabile di specifiche patologie a carico dell'apparato respiratorio (bronchiti, allergie, irritazioni, edemi polmonari che possono portare anche al decesso). I soggetti più esposti all'azione tossica sono quelli più sensibili, come i bambini e gli asmatici. Il biossido di azoto si può ritenere uno degli inquinanti atmosferici più pericolosi, non solo per la sua natura irritante sull'uomo, ma anche perché, in condizioni di forte irraggiamento solare, provoca delle reazioni fotochimiche secondarie che creano altre sostanze inquinanti ("smog fotochimico"): in particolare è un precursore dell'ozono troposferico. Inoltre, trasformandosi in presenza di umidità in acido nitrico, esso è una delle cause della formazione delle cosiddette "piogge acide", che provocano ingenti danni alle piante e più in generale alterazioni negli equilibri ecologici ambientali. Per il biossido di azoto ed in generale gli ossidi di azoto, il riferimento normativo è la direttiva 2008/50/CE che conferma il Decreto Ministeriale del 2 aprile 2002, n. 60. I valori limite, ovvero le concentrazioni massime in atmosfera per evitare, prevenire o ridurre gli effetti dannosi sulla salute umana e sull'ambiente, validi in tutti i paesi dell'u.e. e quindi anche in Italia, sono riepilogati in Tabella 3. Per il Biossido di Azoto è stata stabilita anche una soglia di allarme, ovvero la concentrazione atmosferica oltre la quale vi è un rischio per la salute umana in caso di esposizione di breve durata e raggiunto il quale si deve immediatamente intervenire. Tale valore è 60

63 pari a 400 µg/m 3, misurati su tre ore consecutive in un sito rappresentativo della qualità dell'aria su un'area di almeno 100 km 2. Tabella 3 VALORE LIMITE Concentrazioni massime di ossidi di azoto in Europa. PERIODO DI MEDIAZIONE VALORE LIMITE IN VIGORE DAL Per la protezione della salute umana 1 ora 200 µg/m 3 da non superare più di 18 volte all'anno 01/01/2010 Per la protezione della salute umana Per la protezione degli ecosistemi Anno civile 40 µg/m 3 01/01/2010 Anno civile 30 µg/m 3 19/07/ Gli idrocarburi incombusti Gli idrocarburi che si trovano nella fase gassosa dei gas di scarico dei motori Diesel sono una miscela di molte specie di idrocarburo derivanti dal gasolio e dall olio lubrificante. Gli idrocarburi del combustibile sono caratterizzati da una catena di atomi di carbonio più corta mentre l olio lubrificante contiene i materiali più pesanti. Gli idrocarburi, specialmente quelli con la catena di atomi di carbonio più lunga, possono avere un odore caratteristico irritante. Alcuni, come il benzene, sono tossici e carcinogeni. Vari derivati degli idrocarburi, tra cui le aldeidi, sono tossici e in alcuni casi carcinogeni. I composti appartenenti alla categoria degli idrocarburi incombusti per i quali sono stati imposti limiti di esposizione sono: il benzene ed il benzo(a)pirene che appartiene alla categoria degli Idrocarburi Policiclici Aromatici (I.P.A.), composti organici formati da uno o più anelli benzenici. Le stime della Organizzazione Mondiale della Sanità indicano che nove persone su centomila esposte ad una concentrazione di 1 ng/m3 di benzo(a)pirene sono a rischio di contrarre il cancro. L Agenzia Internazionale di Ricerca sul Cancro (I.A.R.C.) ha inserito il benzo(a)pirene e altri I.P.A. con 4-6 anelli condensati nelle classi 2A o 2B (possibili o probabili cancerogeni per l'uomo) per gli effetti dimostrati "in vitro". Pericolosità ancora più elevata rispetto agli Idrocarburi Policiclici Aromatici è stata dimostrata da I.P.A. con azoto e ossigeno, anch'essi generati nelle combustioni incomplete. 61

64 I valori obiettivo per il benzo(a)pirene, ovvero le concentrazioni massime in atmosfera per evitare, prevenire o ridurre gli effetti dannosi sulla salute umana e sull'ambiente, validi in tutti i paesi dell U.E. e quindi anche in Italia sono riportati nella Direttiva 2004/107/CE del 15 dicembre 2004 e riepilogati in Tabella 4. Tabella 4 VALORE LIMITE Concentrazioni massime di benzo(a)pirene in Europa. PERIODO DI MEDIAZIONE VALORE LIMITE IN VIGORE DAL Per la protezione della salute umana 1 ora 200 µg/m 3 da non superare più di 18 volte all'anno 01/01/2010 Per il benzene (C 6 H 6 ) il riferimento normativo è la direttiva 2008/50/CE che conferma il Decreto Ministeriale del 2 aprile 2002, n. 60 (Tabella 5). Tabella 5 VALORE LIMITE Concentrazioni massime di benzene in Europa. PERIODO DI MEDIAZIONE VALORE LIMITE DATA DI RAGGIUNGIMENTO DEL VALORE LIMITE Per la protezione della salute umana anno civile 5 µg/m 3 01/01/ Il biossido di zolfo Il biossido di zolfo (SO 2 ) è un gas incolore, dall'odore pungente e irritante. In atmosfera la presenza di biossido di zolfo è accompagnata da quella del triossido di zolfo (SO 3 ); infatti il biossido (SO 2 ) può essere trasformato in triossido (SO 3 ) mediante processi indotti dall'irraggiamento solare. In atmosfera la presenza di SO 3 come tale è a sua volta condizionata dalla concentrazione di vapore acqueo; in combinazione con questo essa forma infatti facilmente acido solforico (H 2 SO 4 ). Le principali emissioni di biossido di zolfo derivano dai processi di combustione che utilizzano combustibili di tipo fossile (gasolio, olio combustibile, carbone), in cui lo zolfo è presente come impurità. Le fonti di emissione principali sono dunque gli impianti fissi di combustione (produzione di energia, riscaldamento, ecc.) ed alcuni particolari processi industriali (settore metallurgico). Una percentuale minore di biossido di zolfo nell aria (6-7%) proviene dal traffico veicolare, in particolare dai veicoli con motore Diesel. Il tempo di persistenza del biossido di zolfo nell ambiente è di circa 4 giorni. In particolari condizioni meteorologiche e in presenza di concentrazioni elevate, tale 62

65 sostanza può diffondersi nell atmosfera ed interessare territori situati anche a grande distanza dalla sorgente inquinante. Per quanto riguarda gli effetti sul metabolismo umano, il biossido di zolfo è considerato nella letteratura internazionale il più pericoloso degli inquinanti atmosferici, a causa dell ipersensibilità ad esso mostrata da alcune fasce di popolazione, come gli anziani o le persone soggette a malattie croniche dell'apparato respiratorio - cardiovascolare. Il biossido di zolfo già a basse concentrazioni è una sostanza irritante per gli occhi, per la gola e per il tratto superiore delle vie respiratorie; a concentrazioni elevate può dar luogo a irritazioni delle mucose nasali, bronchiti e malattie polmonari; l esposizione prolungata a concentrazioni di alcuni mg/m 3 di SO 2 possono comportare incremento di faringiti, affaticamento e disturbi a carico dell apparato sensorio. E inoltre accertato un effetto irritante sinergico in caso di esposizione combinata con il particolato, dovuto probabilmente alla capacità di quest ultimo di veicolare il biossido di zolfo nelle zone respiratorie del polmone profondo. Inoltre il biossido di zolfo presente in atmosfera è il principale responsabile delle cosiddette piogge acide, in quanto, attraverso reazioni con l ossigeno e le molecole d acqua, tende a trasformarsi in anidride solforica e, in presenza di umidità, in acido solforico. Per il biossido di zolfo (SO 2 ) il riferimento normativo è la direttiva 2008/50/CE che conferma il Decreto Ministeriale del 2 aprile 2002, n.60. I valori limite, ovvero le concentrazioni massime in atmosfera per evitare, prevenire o ridurre gli effetti dannosi sulla salute umana e sull'ambiente, validi in tutti i paesi dell U.E. e quindi anche in Italia, sono riepilogati in Tabella 6: Tabella 6 VALORE LIMITE Concentrazioni massime di biossido di zolfo in Europa. PERIODO DI MEDIAZIONE VALORE LIMITE IN VIGORE DAL Per la protezione della salute umana Per la protezione della salute umana 1 ora 350 µg/m 3 da non superare più di 24 volte all'anno 24 ore 125 µg/m 3 da non superare più di 3 volte all'anno 01/01/ /01/2005 Per la protezione degli ecosistemi Anno civile Inverno (1 ottobre 31 marzo) 20 µg/m 3 19/07/

66 Per il biossido di zolfo è stata stabilita anche una soglia di allarme, ovvero la concentrazione atmosferica oltre la quale vi è un rischio per la salute umana in caso di esposizione di breve durata e raggiunto il quale si deve immediatamente intervenire. Tale valore è pari a 500 µg/m 3, misurati su tre ore consecutive in un sito rappresentativo della qualità dell'aria su un area di almeno 100 km Le polveri sottili Con il termine polveri atmosferiche, o materiale particellare, si intende un insieme eterogeneo di particelle solide e liquide che, a causa delle ridotte dimensioni, tendono a rimanere sospese in aria. Le singole particelle sono anche molto diverse tra loro per dimensione, forma, composizione chimica e processo di formazione. L'insieme delle particelle sospese in atmosfera è definito come particolato sospeso P.T.S. (Polveri Totali Sospese) o P.M. (dall inglese Particulate Matter, materiale particellare). Generalmente tali particelle sono costituite da una miscela di elementi quali: carbonio (organico ed inorganico), fibre, silice, metalli (ferro, rame, piombo, nichel, cadmio, ecc.), nitrati, solfati, composti organici (idrocarburi, acidi organici, I.P.A., ecc.), materiale inerte (frammenti di suolo, spore, pollini, ecc.), particelle liquide. Tale composizione dipende essenzialmente dal processo di formazione delle stesse particelle e dalle sostanze con cui sono giunte a contatto nella loro permanenza in atmosfera (ad esempio possono fungere da veicolanti di metalli pesanti). Il diametro è compreso tra 0,005 µm e 150 µm (lo spessore di un capello umano è di circa 100 µm); all interno di questo intervallo le polveri atmosferiche sono suddivise in: particelle grossolane: con diametro superiore ai 10 µm; particelle fini (PM 10 ): con diametro compreso tra 2,5 µm e 10 µm; particelle finissime (PM 2,5 ): con diametro inferiore ai 2,5 µm. Nonostante tra PM 10 e PM 2,5 vi sia una certa sovrapposizione dimensionale, le due classi sono generalmente ben distinte sia in termini di sorgenti di emissione e di processi di formazione, sia per quanto riguarda la composizione chimica ed il comportamento nell atmosfera. Le fonti urbane di emissione di polveri nelle aree urbane sono principalmente due: traffico veicolare; 64

67 impianti di riscaldamento civili. Tutti i mezzi di trasporto emettono polveri fini. In particolare i motori Diesel e i ciclomotori emettono un quantitativo di polveri, per km percorso, maggiore rispetto ai veicoli a benzina, riconosciuti comunque responsabili della produzione di una certa quantità di questo inquinante. Le polveri fini (PM 10 ) presentano una componente di origine secondaria che nelle aree urbane può arrivare fino al 30-40% in peso. Le particelle cosiddette secondarie si formano a partire da inquinanti precursori, in particolare ossidi di azoto (NO x ), composti organici volatili (C.O.V.), biossido di zolfo (SO 2 ), ed ammoniaca (NH 3 ). La componente secondaria nelle aree urbane è spesso preponderante nelle polveri finissime (PM 2,5 ). Il tempo di permanenza in atmosfera delle polveri dipende principalmente dalla loro dimensione. In particolare le particelle più grossolane si depositano al suolo nell arco di poche ore e la distanza percorsa è di solito breve. Tuttavia, in situazioni particolari, esse possono raggiungere gli strati più alti dell'atmosfera e percorrere anche notevoli distanze (si pensi ad esempio alla sabbia desertica che raggiunge le nostre città). Al contrario, le particelle più fini di diametro fino ad 1 µm, tendono a rimanere sospese in aria e conseguentemente possono permanere in atmosfera per molti giorni con trasporti anche di centinaia e migliaia di chilometri. Sempre per effetto della loro elevata volatilità, la distribuzione dell inquinante sul territorio risulta spesso pressoché omogenea anche in territori orograficamente complessi come quello della Provincia di Trento. Fig.30 Correlazione fra le distribuzioni di PM 10 delle stazioni di Trento via Veneto e Rovereto via Benacense (fonte: agenzia provinciale per la protezione dell ambiente; 65

68 In Fig.30 si evidenzia la buona correlazione, statisticamente significativa (R 2 =0,85), fra le stazioni, distanti 30 Km, di Trento via Veneto e Rovereto via Benacense; questo grafico è ripetibile anche utilizzando i dati degli altri siti di misura delle PM 10. L interesse suscitato dalle polveri atmosferiche trae origine storicamente dallo studio di fenomeni acuti di smog, nel corso dei quali le polveri, in combinazione con il biossido di zolfo, hanno determinato il verificarsi di pesanti effetti sanitari. In generale, quanto più piccola è la dimensione delle particelle, tanto maggiore è la loro capacità di penetrare nei polmoni e dunque di produrre effetti dannosi sulla salute umana. Per questo motivo le polveri fini (PM 10 ) ed ancor più le polveri finissime (PM 2,5 ) presentano un interesse sanitario sicuramente superiore rispetto alle polveri totali considerate nel loro insieme (PTS): particelle grossolane: si fermano nelle prime vie respiratorie; particelle fini (PM 10 ): dette anche polveri inalabili, penetrano nel tratto superiore delle vie aeree o tratto extratoracico (cavità nasali, faringe e laringe); particelle finissime (PM 2,5 ): dette anche polveri respirabili, possono giungere fino alle parti inferiori dell'apparato respiratorio o tratto tracheobronchiale (trachea, bronchi, bronchioli e alveoli polmonari). Le particelle inalate si possono depositare in qualche tratto dell'apparato respiratorio, oppure essere espulse successivamente. Se le particelle depositate sono liquide o solubili possono essere assorbite dai tessuti in qualsiasi punto dove si depositano e provocare dei danni intorno a tale punto; le particelle insolubili possono essere trasportate, in base alle loro dimensioni, verso altre parti del tratto respiratorio o del corpo, dove possono essere assorbite o provocare danni biologici. Per il Materiale Particolato (PM 10 ) il riferimento normativo è la direttiva 2008/50/CE che conferma il Decreto Ministeriale del 2 aprile 2002, n. 60. I valori limite validi in tutti i paesi dell U.E. sono riepilogati in Tabella 7. Il riferimento normativo per la PM 2,5 è la direttiva 2008/50/CE che aggiorna il Decreto Ministeriale del 2 aprile 2002, n. 60 e stabilisce nuovi limiti per il 2015 ed il 2020 (Tabella 8) 66

69 Tabella 7 VALORE LIMITE Concentrazioni massime di PM10 in Europa. PERIODO DI MEDIAZIONE VALORE LIMITE IN VIGORE DAL Per la protezione della salute umana 24 ore 50 µg/m 3 da non superare più di 35 volte all'anno 01/01/2005 Per la protezione della salute umana Anno civile 40 µg/m 3 01/01/2005 Tabella 8 VALORE LIMITE Concentrazioni massime di PM2,5 in Europa. PERIODO DI MEDIAZIONE VALORE LIMITE IN VIGORE DAL Per la protezione della salute umana Per la protezione della salute umana Anno civile 25 µg/m 3 (valore obiettivo) 01/01/2010 Anno civile 25 µg/m 3 01/01/2015 Per la protezione della salute umana Anno civile Riduzione del 20% sui valori rilevati nel /01/ L anidride carbonica A temperatura ambiente (20-25 C), l'anidride carbonica è un gas inodore, incolore, debolmente siliceo ed ininfiammabile. L'anidride carbonica è uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera. Essa gioca un ruolo importante nei processi vitali di animali e piante, come fotosintesi e respirazione. Le piante verdi convertono l'anidride carbonica (CO 2 ) e l'acqua (H 2 O) in composti alimentari, quali glucosio (C 6 H 12 O 6 ) ed ossigeno. Questo processo è denominato fotosintesi. La reazione di fontosintesi e' la seguente: 6 CO H 2 O --> C 6 H 12 O O 2 (1) Piante ed animali, alternativamente, convertono i residui alimentari combinandoli con l'ossigeno per produrre energia per lo sviluppo ed altre attività vitali. Questo è il processo di respirazione, l'inverso di fotosintesi. La reazione di respirazione e' la seguente: C 6 H 12 O O 2 --> 6 CO H 2 O (2) La fotosintesi e la respirazione svolgono un ruolo importante nel ciclo di carbonio e sono in equilibrio tra loro. 67

70 La troposfera è la parte più inferiore dell'atmosfera, spessa circa km. All interno della troposfera ci sono gas denominati gas serra. I gas serra assorbono parte del calore e lo intrappolano vicino alla superficie terrestre, in modo da riscaldare la terra. La vita come la conosciamo esiste soltanto come conseguenza di questo naturale effetto serra, dal momento che tale processo regola la temperatura della terra. Da quando la rivoluzione industriale iniziò nel 1850, le attività umane stanno causando le emissioni di gas serra nell'atmosfera, come l anidride carbonica. Gran parte della responsabilità per il progressivo riscaldamento del nostro pianeta va addebitata al modello energetico dominante: l 80% delle emissioni di anidride carbonica, il principale "gas serra", proviene dalla combustione del carbone, del petrolio e del metano, dunque dall'attività delle centrali termoelettriche, dai fumi delle industrie, dagli scarichi delle automobili. Se le emissioni dei "gas di serra" in atmosfera proseguiranno ai ritmi attuali, dovremo attenderci nei prossimi decenni un riscaldamento globale del pianeta compreso tra 1 e 3,5 C. Le conseguenze di questo aumento della temperatura sarebbero catastrofiche a vari livelli. Comunque esiste una parte consistente della comunità scientifica secondo cui non ci sono evidenze scientifiche che il rilascio di anidride carbonica o altri gas serra, prodotti dalle attività umane, stia causando, o lo farà nel prossimo futuro, un catastrofico riscaldamento dell'atmosfera terrestre e un eventuale cambiamento climatico. In base al Protocollo di Kyoto, firmato nel 1997, ogni Paese o gruppo di Paesi ha sottoscritto un proprio obiettivo di riduzione delle emissioni di anidride carbonica. Tra i Paesi industrializzati, responsabili di gran parte delle emissioni che minacciano il clima e cui tocca perciò lo sforzo maggiore per una loro riduzione, solo l'unione Europea ha in parte tenuto fede ai suoi impegni; quanto all'italia sono stati compiuti alcuni positivi passi in avanti, poiché siamo stati uno dei primi Paesi ad adottare una energycarbon tax, imposta che grava sugli usi energetici a maggiore impatto sul clima. L'obiettivo di ridurre del 6,5% le emissioni di CO 2 entro il 2010 resta però lontano. Nel 1993 al termine della Conferenza dell'aja l'europa non riuscì a far sottoscrivere agli Stati Uniti e al Giappone l'accettazione di misure incisive per curare la febbre del pianeta. I fenomeni naturali accaduti negli ultimi anni hanno portato nel 2007 alcuni paesi ad introdurre delle nuove norme, tra cui gli Stati Uniti, nei quali più di cento città hanno aderito negli ultimi anni in modo autonomo al Protocollo di Kyoto. Nel summit svolto agli inizi del maggio 2007 a Bangkok gli esperti del Ipcc, l'intergovernmental Panel on Climate Change, 68

71 hanno definito le linee programmatiche che permetterebbero di rallentare l'ascesa dei gas serra, delle temperature e dei cambiamenti climatici. La comunità europea ha spinto per imporre il limite massimo di 120 g/km di CO 2 entro il Da considerazioni di vario genere comunque si è giunti alla conclusione che l abbattimento di tali emissioni attraverso la tecnologia legata allo sviluppo delle vetture è molto più oneroso in confronto ad altri provvedimenti quali, un aumento nell uso di bio-combustibili, migliori infrastrutture, gestione del traffico e imposizioni di stili più adeguati di guida (approccio integrato). Un accordo di compromesso per ridurre le emissioni di CO 2 dei veicoli nuovi è stato adottato nel dicembre Si tratta di un accordo che mira a non danneggiare troppo il mercato automobilistico sulla base di una proposta della Francia di limitare gradualmente le emissioni di CO 2 a 120 g/km per il 65% delle auto nuove nel 2012, il 75% nel 2013, l 80% nel 2014 ed il 100% nel Questi misure sono stati riportati nel regolamento EC/443/2009. Il limite di 130 g/km deve essere raggiunto con i miglioramenti nella tecnologia automobilistica. Un ulteriore riduzione 10 g/km verso l'obiettivo di 120 g/km dovrebbero essere ottenuti attraverso approcci alternativi secondo i criteri dell approccio integrato. L'accordo prevede anche ammende per le case automobilistiche che violano i limiti. Tra il 2012 e il 2018, le ammende saranno le seguenti: 5 per il primo grammo di CO 2, 15 per il secondo grammo, 25 per il terzo e 95 dal quarto grammo di CO 2 in poi. Dal 2019, i costruttori dovranno pagare 95 per ogni grammo in eccesso rispetto alla destinazione. A lungo termine, il compromesso prevede una media di emissioni obiettivo di 95 g/km di CO 2 entro il Il 28 ottobre 2009 la Commissione europea ha adottato una nuova proposta legislativa per ridurre le emissioni di CO 2 dei veicoli commerciali leggeri. Per tutti i nuovi veicoli commerciali leggeri (furgoni) si prevede di applicare il limite di 175 g/km di CO 2 a decorrere dal Questo requisito dovrebbe essere rispettato dal 75% dei veicoli commerciali nel 2014, dal 80% nel 2015, e dal 100% dal 2016 in poi. I limiti di emissione sono stabiliti in base alla massa del veicolo, utilizzando una curva del valore limite. La curva è impostata in modo tale che sia raggiunto un valore di 175 g/km CO 2 mediato sul parco di veicoli commerciali. Per i furgoni pesanti sono ammessi emissioni superiori a furgoni leggeri. Solo la media del parco di veicoli sarà regolata, così che potranno essere prodotti veicoli con emissioni al di sopra della curva dei valori limite a condizione che tali siano bilanciati da altri veicoli che sono sotto 69

72 la curva. I veicoli interessati dalla normativa sono i furgoni, che rappresentano circa il 12% del mercato dei veicoli leggeri. Questo include i veicoli adibiti al trasporto merci fino a 3,5 t (furgoni e furgoni derivati da autovetture, noto come N1) e che pesano meno di 2610kg a vuoto. Per l'anno 2020 è specificato un obiettivo di 135 g/km. Se la media delle emissioni di CO 2 del parco di veicoli di un costruttore è superiore al suo valore limite, in ogni anno dal 2014, il fabbricante è tenuto a pagare una quota in eccesso per ogni veicolo commerciale registrato. Questa quota ammonta a 5 per il primo g/km oltre la soglia, 15 per il secondo, 25 per il terzo, e 120 per ogni g/km successivo. Dal 2019, già il primo g/km oltre il valore di soglia costerà 120. Questo valore è superiore a quello per le auto 95 a causa delle differenze nei costi di conformità. Per i veicoli con emissioni estremamente basse (inferiori a 50 g/km) sarà dato un incentivo. Le case costruttrici di automobili non sono d accordo sui provvedimenti presi dal Consiglio Europeo e prospettano delle reazioni negative da parte del Mercato a causa dell impatto che avranno sui costi dei veicoli. Comunque se entro il 2030, ma con una soglia critica che può manifestarsi già nel 2015, non si stabilizzano i gas serra ma si continua come negli ultimi trent'anni, le concentrazioni dei gas supereranno il limite di sicurezza dell'atmosfera del pianeta che corrisponde a parti per milione (ppm). Ne potrebbe conseguire un innalzamento di oltre due gradi delle temperature medie nel mondo con conseguenze catastrofiche irreversibili. 2.2 Normative antinquinamento relative ad i veicoli con motore Diesel Il raggiungimento degli obiettivi sulla qualità dell aria richiede una continua riduzione delle emissioni a partire dal settore dell energia, dell agricoltura e dell industria per finire a quello dei trasporti. In questo contesto le attività mirate all abbattimento delle emissioni dei veicoli devono essere sviluppate come parte integrante di una strategia complessiva. In seguito all emanazione in Germania ed in Francia di due decreti rispettivamente del 1968 e del 1969 recanti disposizioni relative alle misure da adottare contro l'inquinamento atmosferico provocato dai motori ad accensione comandata dei veicoli a motore ed in base all'accordo del 20 marzo 1958 relativo all'adozione di condizioni uniformi di omologazione e al reciproco riconoscimento 70

73 dell'omologazione degli equipaggiamenti e degli elementi dei veicoli a motore, il 2 marzo 1970 è stata adottata la prima direttiva del Consiglio delle Comunità Europee concernente il ravvicinamento delle legislazioni degli Stati membri relative alle misure da adottare contro l'inquinamento atmosferico con i gas prodotti dai motori ad accensione comandata dei veicoli a motore (70/220/CEE). Per procedere nella stesura di una regolamentazione razionale è stata adottata sin da subito una classificazione dei veicoli in base al loro utilizzo ed alla loro massa, parametri fondamentali per stabilire l impatto economico, sociale e soprattutto ambientale delle direttive introdotte. La classificazione di riferimento (ONU-ECE) prevede tre categorie di veicoli M, N, L come appresso suddivise: a) Categoria M: veicoli a motore destinati al trasporto di persone ed aventi almeno quattro ruote M1: veicoli destinati al trasporto di persone, aventi al massimo otto posti a sedere oltre al sedile del conducente (autovetture passeggeri); M2: veicoli destinati al trasporto di persone, aventi più di otto posti a sedere oltre al sedile del conducente e massa massima non superiore a 5 t (minibus); M3: veicoli destinati al trasporto di persone, aventi più di otto posti a sedere oltre al sedile del conducente e massa massima superiore a 5 t (autobus); b) Categoria N: veicoli a motore destinati al trasporto di merci, aventi almeno quattro ruote; N1: veicoli destinati al trasporto di merci, aventi massa massima non superiore a 3,5 t (veicoli commerciali leggeri); N2: veicoli destinati al trasporto di merci, aventi massa massima superiore a 3,5 t ma non superiore a 12 t (veicoli merci pesanti); N3: veicoli destinati al trasporto di merci, aventi massa massima superiore a 12 t (veicoli merci pesantissimi); c) Categoria L: motoveicoli L1: veicoli a due ruote la cilindrata del cui motore (se si tratta di motore termico) non supera i 50 cc e la cui velocità massima di costruzione (qualunque sia il sistema di propulsione) non supera i 50 km/h; 71

74 L2: veicoli a tre ruote la cilindrata del cui motore (se si tratta di motore termico) non supera i 50 cc e la cui velocità massima di costruzione (qualunque sia il sistema di propulsione) non supera i 50 km/h; L3: veicoli a due ruote la cilindrata del cui motore (se si tratta di motore termico) supera i 50 cc o la cui velocità massima di costruzione (qualunque sia il sistema di propulsione) supera i 50 km/h; L4: veicoli a tre ruote asimmetriche rispetto all'asse longitudinale mediano, la cilindrata del cui motore (se si tratta di motore termico) supera i 50 cc o la cui velocità massima di costruzione (qualunque sia il sistema di propulsione) supera i 50 km/h (motocicli con carrozzetta laterale); L5: veicoli a tre ruote simmetriche rispetto all'asse longitudinale mediano, la cilindrata del cui motore (se si tratta di motore termico) supera i 50 cc o la cui velocità massima di costruzione (qualunque sia il sistema di propulsione) supera i 50 km/h; Per veicoli leggeri si intendono quei veicoli il cui peso complessivo è superiore a 400 kg ed inferiore alle 3,5 tonnellate e rappresentano la fonte più consistente di inquinamento per trasporto terrestre. La procedura di prova per tali veicoli fu stabilita con il regolamento ECE R che prevedeva l esecuzione al banco a rulli di un ciclo di funzionamento ritenuto rappresentativo di un percorso urbano (ciclo UDC: Urban Driving Cycle) e sulla base di questo ciclo è stata varata la direttiva 70/220/CEE. Il ciclo completo è formato dalla successione di quattro cicli elementari per un tempo complessivo di 780 secondi e 4,052 km percorsi. Il ciclo doveva essere effettuato con partenza da freddo, nel senso che prima di effettuare la prova il veicolo doveva essere termostatato ad una temperatura compresa tra i 20 ed i 30 C, avviato e lasciato al minimo per un tempo non superiore ai 40 secondi prima di iniziare le misure. Il ciclo elementare (Fig.31) fissava la velocità di avanzamento del veicoli in km/h in funzione del tempo ed i rapporti al cambio da impiegare lungo il percorso. Durante il ciclo elementare, della durata di 195 secondi, la velocità massima prevista era di 50 km/h, mentre la velocità media era pari 18,7 km/h. Il Regolamento ECE-15 prevedeva, inoltre, tre tipi di prove: la prova di Tipo I da effettuarsi su banco a rulli dinamico di cui si è appena detto; 72

75 la prova di Tipo II per la determinazione del tenore di CO nei gas di scarico, tenendo il motore al minimo, immediatamente dopo aver effettuato la prova di Tipo I; la prova di Tipo III per la misura della portata dei gas provenienti dal basamento del motore, causata essenzialmente dai trafilamenti di gas di scarico e di miscela fresca attraverso le fasce elastiche. A questa prima normativa ne seguirono altre, sotto forma di emendamenti al regolamento ECE-15, che stabilirono limiti alle emissioni più stringenti. Fig.31 Ciclo elementare ECE-UDC Nel 1972 viene emanata la direttiva 72/306/CEE del Consiglio per il ravvicinamento delle legislazioni degli Stati membri relative alle misure da adottare contro l'inquinamento prodotto dai motori Diesel destinati alla propulsione dei veicoli che fa riferimento alle prescrizioni uniformi relative all'omologazione dei veicoli dotati di motori Diesel, per quanto concerne le emissioni di inquinanti del regolamento n.24 allegato all'accordo del 20 marzo È interessante notare come la 72/306/CEE facesse riferimento ad un coefficiente di assorbimento luminoso limite misurato da un opacimetro e quindi in definitiva a quella che oggi è la metodologia di rilevamento della fumosità dei gas di scarico. Nel 1977 la direttiva 77/102/CEE fissa dei limiti anche per le emissioni di ossidi di azoto dei motori ad accensione comandata. Con la direttiva 83/351/CEE furono stabiliti dei limiti sulle emissioni per motori Diesel e ridotti per i benzina in riferimento alla CO e alle emissioni della massa combinata di idrocarburi incombusti ed ossidi di azoto in sostituzioni ai limiti separati per questi due inquinanti previsti dalle direttive precedenti riguardanti i motori ad accensione comandata. Inoltre fu introdotto il campionamento a volume costante (CVS). Fino all emendamento 04 e per la prova di Tipo I, la misura 73

76 degli inquinanti veniva effettuata campionando i gas emessi allo scarico che, dopo opportuna separazione mediante condensazione dell acqua in essi contenuta sotto forma di vapore in quantità non trascurabili, venivano inviati a dei sacchi di materiale plastico inerte. Il campionamento aveva una durata pari a quello dell intero ciclo di prova. Successivamente i gas di scarico così raccolti venivano inviati agli strumenti di misura che restituivano il valore delle concentrazioni dei singoli inquinanti nel volume raccolto. La misura procedeva fino allo svuotamento totale del sacco. La conoscenza delle concentrazioni e quella del volume totale permettevano la determinazione delle masse dei singoli inquinanti. Tale procedura, però, presentava alcuni inconvenienti in quanto i singoli componenti la miscela raccolta tendevano a separarsi per stratificazione rendendo la miscela disomogenea. Inoltre la misura del volume campionato non risultava sufficientemente precisa. A partire dalla data di entrata in vigore dell emendamento 04 le emissioni sono state determinate mediante la tecnica denominata CVS (Costant Volume Sampling) già adottata negli USA. Secondo tale tecnica i gas di scarico vengono fortemente diluiti mediante aria ambiente opportunamente filtrata e la portata complessiva, aria di diluizione e gas di scarico, viene mantenuta costante. Dalla miscela così ottenuta ne viene prelevata, durante tutta la durata del ciclo, una piccola quantità che viene inviata a dei sacchi, sempre si materiale inerte, dai quali vengono poi effettuati i prelievi per le analisi. La tecnica della diluizione, oltre a riprodurre in un certo modo condizioni più realistiche in quanto gli inquinanti emessi vengono misurati in condizioni più vicine a quanto avviene nella realtà, evita la necessità della condensazione del vapor d acqua e in una certa misura congela gli equilibri chimici grazie al forte abbassamento della temperatura ed alla forte riduzione delle concentrazioni. Nel 1988 con la direttiva 88/76/CEE, recepita in Italia con il D.M. del Ministero dell Ambiente del 05/06/1989, venne introdotto il regolamento ECE 83 che, pur mantenendo inalterato il ciclo di prova rivide i criteri di classificazione delle autovetture che vennero distinte non più in base al peso ma in base alla cilindrata. La direttiva 88/436/CEE introduce valori limite per le emissioni di particelle inquinanti dei motori Diesel. L'Unione Europea ha emanato dal 1991 ad oggi una serie di direttive sulle emissioni di inquinanti da parte dei veicoli. In base a queste direttive sono state individuate differenti categorie di appartenenza per gli autoveicoli (Euro 1, 2, 3, 4, 5, 6) e altre per moto e ciclomotori. Abbiamo quindi le seguenti classi di vetture: 74

77 pre-euro 1 o Euro 0: indica i veicoli "non catalizzati" a benzina e i veicoli "non ecodiesel": questi veicoli sono stati i primi ad essere colpiti da eventuali provvedimenti di limitazione; Euro 1: indica le autovetture conformi alla direttiva 91/441 o i "veicoli commerciali leggeri" conformi alla direttiva 93/59. Ha introdotto l obbligo per la casa costruttrice di montare la marmitta catalitica e di usare l alimentazione a iniezione. E' entrata in vigore nel Euro 2: indica le autovetture conformi alla direttiva 94/12 o i "veicoli commerciali leggeri" conformi alla direttiva 96/69. Normativa che ha richiesto modifiche anche sui Diesel, è in vigore dal Euro 3: indica i veicoli conformi alla direttiva 98/69. In vigore dal 2000, relativa all'ulteriore diminuzione delle emissioni, è obbligatoria per gli autoveicoli fabbricati dopo il 1 gennaio Alcune auto potrebbero essere state immatricolate nel 2001 ma fabbricate nel 2000 e quindi prive di Euro 3; alcune case costruttrici hanno anticipato l'obbligo per cui ci sono dei veicoli immatricolati prima del 2001 che rispettano l'euro 3. Euro 4: indica i veicoli conformi con la direttiva 98/69B. È entrata in vigore dal 1 gennaio A partire da settembre 2009 si possono omologare solo auto Euro 5 e nel settembre 2014 è prevista l introduzione dell Euro Euro 1 Con l introduzione dell Euro 1 le regolamentazioni in tema di emissioni inquinanti sono diventate molto più severe e rigorosamente strutturate. Sono Euro 1 i veicoli immatricolati dopo il 1º gennaio 1993 che rispettano le seguenti norme: 91/441 CE 91/542 CE punto A 93/59 CEE Mentre prima dell Euro 1 era solo concesso agli Stati membri di vietare l immatricolazione delle vetture non conformi alle direttive di riferimento in atto, con l Euro 1 le case costruttrici sono costrette a rispettare i limiti imposti dalle direttive e gli stati membri obbligati a vietare l immatricolazione di 75

78 vetture le cui emissioni non siano conformi ai requisiti degli allegati della direttiva 70/220/CEE, nella versione modificata dalla direttiva in atto. Con l Euro 1 sono stati eliminate le differenze fra i limiti sulle emissioni in base alla cilindrata prima esistenti ed è stata introdotta una procedura di prove europea migliorata (91/441/CEE) che divenne ciclo UDC + EUDC: il nuovo ed attuale ciclo di prova, riportato in Fig.32, consiste nella esecuzione, alla fine del quarto modulo del ciclo urbano, di un ciclo extraurbano (EUDC = Extra Urban Driving Cycle) in cui la velocità massima è di 120 km/h e la velocità media è pari a 62,6 km/h. L intero ciclo di omologazione, pertanto, ha una durata complessiva di secondi nei quali il veicolo percorre 10,807 km con una velocità media di 33 km/h. Questa modifica al ciclo di omologazione dei veicoli venne introdotta in quanto il precedente ciclo UDC, in cui la velocità massima era di 50 km/h, non permetteva una valutazione realistica delle emissioni di NO x. Fig.32 Ciclo UDC + EUDC Inoltre vennero introdotte: la prova di tipo IV (veicoli a benzina). la prova di tipo V relativa alla durata dei dispositivi anti-inquinamento sia per i veicoli a benzina che per i veicoli Diesel. La prova V prevedeva o la misura delle emissioni dopo un invecchiamento del dispositivo di km o, in alternativa, l applicazione di opportuni fattori di deterioramento (Tabella 9) da applicare ai valori misurati nella prova di tipo I. 76

79 Tabella 9 Fattori di deterioramento. Tipo di veicolo HC + NOx CO PM Benzina 1,2 1,2 - Diesel 1,0 1,1 1,2 In Tabella 10 sono riportate le varie opzioni per l omologazione dei veicoli previste dalla 91/441/CEE. Tabella 10 Differenti opzioni per l omologazione previsti dalla 91/441/CEE. La differenza nei limiti regolamentati per le emissioni è stata applicata in funzione del peso del veicolo relegando le norme più severe ai mezzi con massa inferiore ai 2500 kg (93/59 CEE). A motivo della grande importanza delle emissioni inquinanti provenienti dai veicoli a motore e del loro contributo ai gas responsabili dell'effetto serra, si è ritenuto necessario stabilizzare, e successivamente ridurre, soprattutto le loro emissioni di CO 2 in conformità della decisione del consiglio di amministrazione del PNUA (Programma delle Nazioni Unite per l'ambiente), del 24 maggio Inoltre per sostenere il mercato dell automobile nella direttiva 91/441/CEE è stata riportata la possibilità per gli Stati membri di prevedere incentivi fiscali per i veicoli rispettanti muniti di dispositivi capaci soddisfare, in anticipo, le norme europee entrate in vigore nel I limiti imposti dall Euro 1 per le autovetture sono riportati in Tabella 11. Tabella 11 Limiti imposti dall Euro 1. CO [g/km] HC+NO x [g/km] Particolato [g/km] 2,72 0,97 0,14 77

80 2.2.2 Euro 2 La normativa Euro 2 è entrata in vigore il 1 gennaio I veicoli che appartengono alla categoria degli Euro 2 devono rispettare le seguenti direttive: 91/542 punto B 94/12 CE 96/1 CE 96/44 CE 96/69 CE 98/77 CE L Euro 2 è stata già concepita nel 1991 (91/542/CEE B) come una seconda fase successiva alla Euro 1, che mirava all'introduzione di una scadenza più lunga per l'industria motoristica europea fissando dei valori limite basati sul previsto progresso delle tecnologie in fase di sviluppo e tale da concedere all'industria un tempo sufficiente al perfezionamento di tali tecnologie; infatti questa seconda fase presupponeva la realizzazione di determinate condizioni di base per quanto concerne la disponibilità di carburante Diesel a basso tenore di zolfo ed un corrispondente carburante di riferimento per le prove di emissioni, il progresso realizzato dalle tecnologie di controllo delle emissioni nonché la disponibilità di un metodo perfezionato per il controllo di conformità della produzione (91/542/CEE B). Il problema legato all effetto serra si fa sentire sempre più con un peso maggiore come riportato nella 94/12/CE in cui si sottolinea la necessità di ridurre le emissioni, in particolare le emissioni di CO 2, principalmente mediante un minor consumo di carburante attraverso progressi nelle tecnologie dei motori e dei veicoli, nonché in materia di qualità dei carburanti. In Tabella 12 sono riportati i limiti imposti dagli standard Euro 2: Tabella 12 Limiti imposti dall Euro 2. CO [g/km] HC+NO x [g/km] Particolato [g/km] 1 0,7 0,08 78

81 2.2.3 Euro 3 La normativa Euro 3 è entrata in vigore il Gli standard Euro 3 fanno riferimento alle seguenti direttive: 98/69 CE 98/77 CE rif 98/69 CE 99/96 CE 99/102 CE rif. 98/69 CE 2001/1 CE rif. 98/69 CE 2001/27 CE 2001/100 CE fase A 2002/80 CE fase A 2003/76 CE fase A Con l introduzione della nuova regolamentazione i limiti sulle emissioni vengono ridotti consistentemente (35% in media per i motori Diesel) e le prove per la conformità dei veicoli rese più rigorose; in particolare viene adottato un nuovo ciclo di prova intesa a rappresentare meglio le emissioni dopo una partenza a freddo con la soppressione del periodo di 40s in cui il motore viene mantenuto al minimo prima dell inizio del primo ciclo. Nella direttiva 98/69 CE si inizia a tener conto del progresso verso la disponibilità industriale di sistemi chiave di post-trattamento quali i catalizzatori DeNOx. Di notevole importanza è l introduzione obbligatoria di un sistema di diagnostica di bordo (OBD) per il controllo delle emissioni in grado di identificare la probabile zona di malfunzionamento mediante codici di guasto inseriti nella memoria di un computer. Nella direttiva 98/69 CE in allegato vengono riportate alcune prescrizioni e le prove riguardanti il sistema OBD. Il montaggio obbligatorio dei sistemi OBD per i veicoli con motore Diesel è stato posticipato a decorrere dal 2003 poiché in una fase meno avanzata rispetto ai corrispettivi montati sui motori ad accensione comandata. Dalle iniziali tre prove previste dalla 70/220/CEE, con la 98/69/CEE le prove di omologazione sono diventate sette: 79

82 Prova di tipo I Controllo delle emissioni dallo scarico dopo una partenza a freddo; Prova di tipo II Emissioni di ossidi di carbonio con motore al minimo; Prova di tipo III Prova di tipo IV Emissioni di gas dal basamento; Determinazione delle emissioni per evaporazione dai veicoli con accensione comandata; Prova di tipo V Prova di invecchiamento per verificare la durata dei dispositivi antinquinamento; Prova di tipo VI Prova delle emissioni medie di ossido di carbonio e idrocarburi a bassa temperatura dopo la partenza a freddo. Prove OBD Prova per verificare il funzionamento del sistema OBD mediante simulazione di guasto del sistema di gestione del motore o di controllo delle emissioni. Procedure per determinare la durata degli OBD. Le opzioni per l omologazione dei veicoli sono riportati in Tabella 13. Tabella 13 prove di omologazione per categoria del veicolo. Le vetture Diesel omologate Euro 3 sono obbligate a rispettare i limiti riportati in Tabella 14 Tabella 14 Limiti imposti dall Euro 3. CO [g/km] NO x [g/km] HC+NO x [g/km] Particolato [g/km] 0,64 0,5 0,56 0, Euro 4 Il 1 gennaio 2006 entra in vigore l Euro 4; il riferimento normativo è listato di seguito: 80

83 98/69/CE B 98/77/CE rif. 98/69/CE B 1999/96 CE B 1999/102 CE B rif. 98/69/CE B 2001/1 CE B rif. 98/69 CE B 2001/27 CE B 2001/100 CE B 2002/80 CE B 2003/76 CE B 2005/55/CE B1 2006/51/CE rif. 2005/55/CE B1 L Euro 4 nasce insieme all Euro 3 come seconda fase considerando che per lo sviluppo armonioso del mercato interno e per la protezione degli interessi dei consumatori sono necessarie prospettive vincolanti a lunga scadenza al fine di incoraggiare l introduzione anticipata di veicoli muniti dei dispositivi antinquinamento più avanzati. I limiti imposti dall Euro 4 sono riportati in Tabella 15 Tabella 15 Limiti imposti dall Euro 4. CO [g/km] NO x [g/km] HC+NO x [g/km] Particolato [g/km] 0,5 0,25 0,3 0, Euro 5 ed Euro 6 Sin da luglio 2008 è possibile omologare ed immatricolare automobili sia Euro 4 che Euro 5. A partire da settembre 2009 si potranno omologare solo automobili Euro 5, ma si potranno immatricolare sia automobili Euro 4 che Euro 5. Da gennaio 2011 si potranno omologare ed immatricolare solo automobili Euro 5. I riferimenti legislativi che interessano l Euro 5 fino ad oggi sono: 1999/96/CE 2005/55/EC 81

84 2005/78/CE 715/2007 CE 692/2008 CE Da settembre 2014 sarà obbligatorio omologare secondo gli standard Euro 6 e nel 2015 tali regolamentazioni dovranno essere rispettate anche per l immatricolazione delle vetture. La normativa di riferimento per l Euro 6 è la 715/2007 CE. È importante sottolineare che la normativa 715/2007 CE non è una direttiva ma un regolamento; ciò la rende di fatto immediatamente applicabile senza che ogni Stato membro debba attuarne il recepimento. L Euro 5 introduce le seguenti novità: garantire il funzionamento dei dispositivi di controllo dell inquinamento da a km; controllare le emissioni attualmente non ancora regolamentate dovute alla diffusione di carburanti di nuova formula, di tecnologie motoristiche (idrocarburi totali THC rispetto agli idrocarburi diversi dal metano NMHC e sul metano); Con l Euro 6 ci si propone: di introdurre la numerazione, oltre la massa, delle particelle di particolato. di fissare, come ultimo termine, metodi, prove e requisiti specifici all omologazione e i requisiti relativi alle emissioni di CO 2 e consumo di carburante. I limiti imposti dall Euro5 sono riportate in Tabella 16 Tabella 16 Limiti imposti dall Euro 5. CO [g/km] NO x [g/km] HC+NO x [g/km] Particolato [g/km] 0,5 0,18 0,23 0,005 Quelli relativi all Euro 6 sono mostrati in Tabella 17 Tabella 17 Limiti imposti dall Euro 6. CO [g/km] NO x [g/km] HC+NO x [g/km] Particolato [g/km] 0,5 0,08 0,17 0,005 82

85 3 Nuove tecnologie per il controllo delle emissioni e sistemi di post-trattamento 3.1 La formazione degli inquinanti I processi di formazione degli inquinanti sono dipendenti dalla distribuzione del combustibile e da come questa varia nel tempo, per via del miscelamento. I gas di scarico dei motori a combustione interna contengono ossidi di azoto (NO e NO 2 ) comunemente noti come NO x, monossido di carbonio (CO) e composti organici incombusti o idrocarburi parzialmente bruciati (HC). I motori Diesel si differenziano dai benzina per la bassa concentrazione di CO e HC e l alta produzione di particolato (PM). Oltre a queste specie, soprattutto il combustibile Diesel, contiene una quantità di zolfo che a seguito della combustione produce biossido e triossido di zolfo (SO x ) che combinandosi con l acqua produce un pericoloso aerosol di acido solforico. La Fig.33 mostra le zone, all interno dello spray, dove avviene la formazione delle specie inquinanti per le particolari condizioni di miscela e temperatura che si instaurano. Fig.33 Suddivisione dello spray per zone di formazione degli inquinanti 83

86 3.1.1 Gli ossidi di azoto (NO x ) La diversa distribuzione di dosatura all interno dello spray, produce un ampio range di temperature e di velocità di formazione delle specie chimiche durante la combustione. Il monossido di azoto si forma nelle zone con un rapporto aria/combustibile stechiometrico in ragione di una elevata temperatura e dell alta concentrazione di ossigeno, a seguito della dissociazione dell azoto molecolare (N 2 ) e della combinazione con l ossigeno. Il monossido tenderebbe a riformarsi, ma la rapida riduzione di temperatura (nell ordine dei 100 C/ms) durante la fase di espansione congela tale processo. Il biossido di azoto si forma invece, per ossidazione del monossido di azoto quando questo viene rilasciato in atmosfera. Le variabili motoristiche che maggiormente influenzano la concentrazione degli NO x sono di seguito elencate in ordine decrescente di importanza: rapporto di miscela aria/combustibile; anticipo dell iniezione; regime di rotazione; Se fissiamo la pressione e la temperatura della carica fresca all aspirazione, all aumentare del carico (diminuisce il rapporto aria/combustibile) aumentano le temperature e si estendono le zone stechiometriche portando ad un incremento degli NO x. L effetto dell aumento dell anticipo è il seguente: una maggior quantità di combustibile viene ad accumularsi prima dell accensione (per effetto dell aumento del ritardo di accensione) la quale brucia prima del PMS con alti picchi di pressioni ed elevate temperatura, fattori catalizzanti la formazione degli NO x. Al contrario, un aumento del regime di rotazione, porta ad una riduzione del tempo di permanenza della carica combusta alle alte temperature in favore della riduzione degli NO x Il particolato (PM) Il particolato imputabile ai motori Diesel (Diesel Particulate Matter) è tradizionalmente diviso in tre frazioni principali, che possono essere ulteriormente suddivise come segue [29]: 1. frazione solida (SOL): 84

87 atomi di carbonio; fuliggine; 2. frazione organica solubile (SOF): Materiale organico derivante dall olio lubrificante; Materiale organico derivante dal combustibile; 3. particolato solforoso (SO 4 ): acido solforico; acqua. In accordo con questa classificazione, il particolato totale (TPM) può essere definito come: TPM= SOL+ SOF+ SO 4 (3) La frazione più consistente delle particelle è composta dalla fase solida, materiale carbonioso. Questo carbonio, non legato chimicamente ad altri elementi, è il cosiddetto soot responsabile delle emissioni che si mostrano come fumo nero. Successivamente alla formazione degli agglomerati di carbonio generalmente si depositano sulla particella gli altri elementi prima elencati. Un esempio di composizione del particolato di un motore Diesel per trazione pesante del 1994 è riportato in Fig.34 Fig.34 Esempio di composizione del particolato Il processo di formazione del fumo è complesso e non ancora ben compreso: le alte temperature e pressioni del gas in camera di combustione, la complessa composizione del carburante, la presenza di un ambiente turbolento e la natura non stazionaria del processo rendono difficile interpretare le fasi fondamentali della formazione del soot nel contesto della combustione nei motori Diesel moderni. Alcuni studi dividono il processo di formazione e sviluppo della fuliggine in cinque fasi: 85

88 Pirolisi: in condizioni di alte pressioni ed alte temperature le molecole di combustibile diventano instabili e si spezzano in piccole strutture di idrocarburi. Formazione di precursori in fase gassosa: le piccole strutture di idrocarburi formano dei precursori in fase gassosa. Le prime molecole sono principalmente particelle di acetilene, che danno inizio alla formazione di composti aromatici e policromatici (PAH). Nucleazione: le molecole gassose si condensano a formare piccole particelle solide (soot); le dimensioni variano da 5 nm fino ad 80 nm. Crescita superficiale: le particelle reagiscono con quelle circostanti adsorbendo composti organici. Agglomerazione: quando le particelle sono cresciute in diametro fino a diverse decine di nm, si addensano insieme a formare grappoli formati da oltre 4000 sferule con diametri che possono arrivare fino ad 1 µm. La produzione di soot è in genere molto sensibile alle variazioni di pressione in camera di combustione; in particolare è stato evidenziato che la crescita della pressione in camera di combustione è in grado sia di accelerare la produzione di soot sia di incrementarne la quantità prodotta per diverse ragioni. Prima di tutto la crescita della pressione in camera di combustione estende i limiti di infiammabilità, cosicché il soot può essere prodotto in regioni che a pressioni minori sarebbero troppo ricche per bruciare. Un altro effetto della pressione in camera di combustione è quello di ritardare l evaporazione delle goccioline di combustibile favorendo così la formazione di soot a partire dalla fase liquida; inoltre essa ha l effetto di restringere l angolo conico di emissione dello spray di combustibile facendo crescere il diametro medio delle particelle, accentuando ulteriormente la formazione di particolato. Misure sperimentali evidenziano che la quantità di soot prodotto cresce, con legge quadratica fino a circa 10 bar, con andamento lineare oltre. Per fiamme premiscelate si è inoltre visto che esiste un valore di soglia della pressione in camera di combustione al di sotto del quale non si riscontra formazione di soot; tale valore dipende dal tipo di idrocarburo. La quantità di soot prodotto presenta un massimo al variare della temperatura in camera di combustione; al di sotto di una certa temperatura infatti il processo di formazione non riesce ad attivarsi, mentre oltre una certa temperatura il meccanismo di ossidazione diventa preponderante. In Fig.35 sono riportati i risultati per diversi valori del rapporto di equivalenza [30] (lambda). 86

89 Fig.35 Velocità di ossidazione del soot in funzione della temperatura e del rapporto di equivalenza. In una camera di combustione è molto importante, allo scopo di limitare la formazione di soot, avere un alto rapporto aria-combustibile. Molto importante è anche la qualità del miscelamento; in tale ambito anche la turbolenza ha un effetto positivo Gli idrocarburi incombusti (HC) Gli idrocarburi incombusti sono imputabili a due cause: le particelle di combustibile e comburente non sono state a contatto per un tempo sufficiente a far avvenire la reazione; la temperatura locale durante il contatto delle particelle non è tale da fornire un energia superiore a quella di attivazione della reazione. Le cause principali che contribuiscono alla formazione degli HC nei motori Diesel sono: parte del combustibile iniettato può impattare contro le pareti della camera di combustione; le temperature in prossimità della pareti sono consistentemente più basse di quelle che si registrano nelle altre zone della camera di combustione; pertanto le goccioline di combustibile a ridosso delle pareti non hanno il tempo necessario per evaporare completamente durante la fase di combustione e la parte non combusta viene evacuata successivamente durante la fase di scarico; alcune particelle di miscela, sono intrappolate nella camicia del cilindro da uno strato sottile di lubrificante durante il ciclo di compressione e liberate, quando ormai non possono più essere ossidate a causa delle basse condizioni termodinamiche; 87

90 durante i transitori il rapporto aria/combustibile può essere estremamente basso (a causa ad esempio della risposta lenta del turbogruppo che non fornisce un adeguta pressione di sovralimentazione); in queste condizioni è possibile che parte del combustibile non riesca ad entrare in contatto per un tempo sufficiente col comburente e che pertanto non bruci. lo sgocciolamento dell iniettore alla fine del processo di combustione Il monossido di carbonio (CO) Il monossido di carbonio è un composto intermedio appartenente al complesso meccanismo di reazione degli idrocarburi con l ossigeno. Tale componente, se non entra a contatto con l ossigeno prima che la temperatura si riduca notevolmente in seguito alla fase di espansione, diventa stabile e costituisce parte dei gas di scarico. Quindi il monossido di carbonio, è controllato dal rapporto di miscela aria/combustibile. Le miscele povere generano una bassa concentrazione di CO e pertanto i motori Diesel non risentono molto di questo problema. Le concentrazioni nei gas di scarico variano tra le 10 e le 500 ppm. 3.2 Evoluzione delle tecniche di abbattimento delle emissioni nei motori Diesel Le tecnologie per il controllo delle emissioni nei motori Diesel possono essere raggruppate in tre categorie: a) tecniche di progettazione del motore; b) tecnologie legate al combustibile; c) sistemi di trattamento dei gas combusti allo scarico (post-trattamento). Il miglioramento in termini di emissioni dal 1970 fino alla fine del 20 secolo è da attribuire principalmente alle sempre più avanzate tecnologie di progettazione del motore. 88

91 Una riduzione significativa delle emissioni è stata ottenuta tramite il miglioramento della formazione della miscela. Un adeguato miscelamento del combustibile con l aria nel cilindro può essere ottenuto tramite una combinazione di tre approcci: la generazione di moti forzati della carica come lo squish e lo swirl, controllati attraverso una adeguata progettazione delle porte di ingresso e della geometria della camera di combustione; la distribuzione uniforme del combustibile in forma gassosa in tutta la camera di combustione grazie ad un attenta progettazione degli iniettori. un incremento del rapporto aria/combustibile. Poiché la generazione dei moti forzati dell aria è legata a maggiori perdite di carico del ciclo di pompaggio e quindi una penalizzazione del rendimento del motore, storicamente si è preferito introdurla in camere di combustione di dimensioni ridotte, come nei motori per autovetture. L incremento delle pressioni di iniezione ha permesso di migliorare il grado di polverizzazione dello spray riducendo i tempi di evaporazione delle goccioline di combustibile permettendo una più rapido e migliore distribuzione del combustibile in fase gassosa in tutta la camera di combustione. L evoluzione del sistema di sovralimentazione ha contribuito ad incrementare il rapporto aria/combustibile la potenza dei motori riducendone al contempo le emissioni di NO x. L entrata in vigore dell Euro 1 è coincisa con l introduzione delle tecniche di ricircolo dei gas combusti nei motori Diesel per ridurre le emissioni di NO x. Infatti i gas combusti ricircolati determinano: la diluizione della carica fresca con riduzione della concentrazione di ossigeno la riduzione della temperatura media dei gas nel cilindro durante la combustione a seguito del maggiore calore specifico dei gas combusti. reazioni chimiche endotermiche durante la fase di combustione. l incremento della massa complessiva aspirata nel cilindro poiché i gas di scarico hanno una densità maggiore dell aria; quindi aumenta la capacità termica dei gas con conseguente riduzione delle temperature massime raggiunte. La massa di EGR introdotta è stata ulteriormente 89

92 incrementata con l introduzione di uno scambiatore di calore posto sul ramo di ricircolo per rientrare nei limiti Euro 3 ed Euro 4. Una proprietà importante delle misure adottate su quasi tutti i motori per il controllo delle emissioni è il trade-off NOx-PM, cioè le soluzioni che riducono gli NOx tendono ad incrementare i PM e vice versa. Il ritardo di iniezione è probabilmente l esempio più noto che riporta questo comportamento (Fig.36). Fig.36 Esempio di trade-off tra ossidi di azoto e particolato nei motori Diesel La motivazione di tale andamento è la seguente: il ritardo dell iniezione determina il ritardo della combustione quindi il picco di pressione si sposta più a destra del PMS e si attesta a valori più bassi con una conseguente riduzione delle temperature. Questo determina una minore formazione di NOx che necessita di elevate temperature ma al contempo rallenta la velocità delle reazioni a cui consegue il congelamento di un numero maggiore di composti intermedi tra cui il particolato. A causa di tale compensazione, non è possibile soddisfare simultaneamente i requisiti imposti per gli NOx e PM dalle normative antinquinamento più recenti solo attraverso lo sviluppo di tecnologie legate alla progettazione del motore con una combustione di tipo tradizionale. Poiché il margine di miglioramento delle tecnologie motoristiche standard in tema di riduzione delle emissioni è ormai limitato, in base a quanto precedentemente visto, le soluzioni che rimangono per affrontare le richieste imposte dalle normative antinquinamento sono: a) miglioramento delle caratteristiche dei combustibili; b) introduzione di nuovi sistemi specifici per l abbattimento delle sostanze inquinanti. c) sviluppo di nuove strategie o concetti di combustione; 90

93 Sotto la prospettiva attuale, la tendenza più importante delle proprietà del gasolio è la riduzione del contenuto di zolfo. Il gasolio a bassissimo tenore di zolfo (ULSD) si sta diffondendo su tutto il mondo. L ultimo obiettivo è raggiungere un livello di zolfo pari a 10 ppm, di cui si fa riferimento nelle normative europee come combustibile sulfur-free. Mentre la riduzione di zolfo, taglia le emissioni di diossidi di zolfo e di particolati sulfurei, il loro maggiore obiettivo consiste nell aprire le porte all applicazione dei catalizzatori per il post-trattamento, molti dei quali sono estremamente sensibili allo zolfo. Tra le altre caratteristiche desiderate per la riduzione delle emissioni ci sono un numero più elevato di cetano e un contenuto minore di sostanze aromatiche. Gli oli lubrificanti contengono anche altri composti come il fosforo ed i precursori delle ceneri inorganiche, che devono essere limitati per minimizzare il loro impatto negativo sui sistemi di post-trattamento. L introduzione su larga scala dei sistemi altamente efficienti di post-trattamento dei gas di scarico dei motori Diesel sembra essere necessaria per la simultanea conformità verso gli standard sulle emissioni prossime ad entrare in vigore negli stati Uniti, in Europa, ed in Giappone. Introducendo i sistemi di post-trattamento i progettisti del motore possono agire sulla curva di trade-off NOx-PM e contemporaneamente ottimizzare altre caratteristiche prestazionali ad esempio riducendo al minimo il consumo specifico. Un progresso significativo è stato fatto nello sviluppo di strategie di combustione alternative. La maggior parte di queste si basano su un notevole aumento nelle proporzioni della combustione premiscelata e temperature di combustione più basse per ridurre sia gli NO x che i PM rispetto ai livelli raggiunti con la combustione più convenzionale. Se queste tecnologie si evolvessero al punto tale da coprire l intera mappa di funzionamento del motore, potrebbe essere possibile soddisfare gli standard sulle emissioni più restrittivi appoggiandosi meno ai sistemi di post-trattamento. In Tabella 18 è schematizzato l apporto fornito dalle tecnologie introdotte nel tempo nei motori Diesel nella riduzione delle emissioni inquinanti. 91

94 Tabella 18 Impatto sulle emissioni delle principali tecnologie applicate sui motori Diesel Tecnologia Impatto sulle emissioni Rilevanza Tecniche di progettazione del motore Sistema di iniezione Sistema di aspirazione Camera di combustione Controllo elettronico Riduzione del ~90% PM, Riduzione del ~75% NO x, Notevoli riduzioni nelle emissioni di HC/CO ottenute nel lasso temporale che comprende il 1980 ed il 1990 La combinazione di queste tecnologie ha rappresentato la maggiore risorsa per l abbattimento delle emissioni fino alla fine del Sono potenziali per un ulteriore abbattimento delle emissioni nel futuro. Ricircolo dei gas combusti Riduzione dal 30 al 50 % degli NOx Usato comunemente nei veicoli leggeri. In continuo aumento l applicazione sui veicoli pesanti. Strategie di combustione avanzata Potenziale per motori con bassissime emissioni. La combustione alternativa a carica omogenea HCCI mostra un potenziale per superare la crescente richiesta di riduzione delle emissioni senza l ausilio di sistemi di trattamento allo scarico ad elevata efficienza. Tecnologie legate al combustibile ed al lubrificante Combustibile e oli lubrificanti Combustibili alternativi Limitato impatto sulle emissioni nei motori odierni Variabile in funzione del combustibile e dell inquinante Il contenuto di zolfo nel combustibile e nel lubrificante rimane il problema critico. Le ceneri inorganiche ed il contenuto di fosforo del lubrificante è allo stesso modo importante. Queste proprietà devono essere controllate per permettere l utilizzo di catalizzatori allo scarico. Breve termine: mercato di nicchia guidato dalle normative sulle emissioni. Lungo termine: importanza critica a causa dell esaurimento delle riserve petrolifere. Additivi dei combustibili Effetti moderati sulle emissioni Possibile utilizzo per assistere la rigenerazione dei filtri antiparticolato. Aggiunte di acqua Riduzione dell 1% degli NO x ogni 1% di acqua aggiunta Mercato di nicchia: motori per impianti fissi e applicazione navale. Trattamento dei gas combusti allo scarico Catalizzatore ossidante per i Diesel (DOC) Trappola per il particolato (DPF) con flusso a parete Notevole abbattimento delle emissioni di HC e CO. La conversione dei PM dipende dalla quantità di zolfo nel combustibile. Riduzioni dei PM dal 70 ad oltre il 90 % Ampiamente usato dalla Euro 2/3 rimarrà un componente per il controllo delle emissioni in futuro. Utilizzato sin dalla Euro 4 è praticamente montato su quasi tutte le vetture Euro 5. In alcuni casi viene installato sulle automobili che non ne sono provviste per renderle conformi alla normativa Euro 4 o Euro 5 Filtri a spugna Riduzione delle emissioni di particolato del 50% circa In combinazione con motori a basse emissioni, questo filtro può sostituire la trappola con flusso a parete. È stato applicato commercialmente per la prima volta su motori per veicoli pesanti equipaggiati di EGR conformi alla Euro 4. Catalizzatore selettivo riducente ad Urea (Urea-SCR) Catalizzatori assorbenti degli NOx Catalizzatore ossidante a miscela magra Catalizzatore assistito al plasma Riduzione del 90% circa di NOx Abbattimento delle emissioni di NOx dal 70 al 90 % Riduzione potenziale degli NOx del % circa nei sistemi passivi, fino al 50% in quelli attivi Riduzione degli Nox del 50% circa Installato su molti veicoli pesanti Euro 5. Si pensa di introdurlo su larga scala con l Euro 6. Tale tecnologia ha un range di funzionamento ottimale più ristretto rispetto all Urea-SCR. Il range ottimale si sovrappone a quello di funzionamento dei veicoli durante il ciclo di prova previsto negli Stati Uniti in cui è prevista un applicazione sui veicoli leggeri mentre è caratterizzato da bassissime prestazioni per il ciclo di prova Europeo. Potenziale di riduzione degli NOx insufficiente per gli obiettivi di regolamentazione delle emissioni a lungo termine. Potrebbe crescere d importanza con l introduzione di nuove strategie di combustione. Il potenziale di riduzione degli NOx è insufficiente per un utilizzo a lungo termine. 92

95 3.3 Nuove strategie di combustione L esigenza di adeguarsi alle più stringenti normative sull inquinamento senza intaccare consistentemente le prestazioni del motore ha spinto la ricerca allo sviluppo di strategie di combustione innovative. Lo stato più evoluto di tali tecniche risiede nel processo di combustione per compressione della carica omogenea, homogeneous charge compression ignition (HCCI), la cui applicazione per motori Diesel è detta homogeneous Charge Diesel combustion (HCDC). L obiettivo principale di questa tecnica è di ottenere un propulsore funzionante con una carica omogenea in tutto il campo di funzionamento dello stesso, con la separazione dell evento di miscelazione da quello di accensione, come avviene nei motori ad accensione comandata, ottenendo una riduzione delle emissioni e alti rendimenti se paragonati a quelli di un motore Diesel (Fig.37). Fig.37 Rappresentazione del processo di combustione nei motori ad accensione comandata convenzionali, ad accensione spontanea convenzionali, e nei motori con combustione per compressione della carica omogenea HCCI Le esigenze tecniche di tale applicazione sono: realizzazione di un sistema in grado di formare la carica premiscelata, con una diluizione tale da soddisfare il carico richiesto; realizzazione di un sistema di controllo della combustione. Dal punto di vista delle emissioni è importante limitare i possibili valori, registrati localmente, del rapporto di equivalenza e della temperatura come riportato in Fig.38 [31]. 93

96 Le caratteristiche fondamentali dell approccio HCCI sono le seguenti: eliminazione delle zone ricche (elevato rapporto di equivalenza), causa della formazione del soot, tipico dei motori Diesel; sviluppo simultaneo della combustione in tutto il cilindro e riduzione dei nuclei di accensione; conseguente riduzione dei picchi locali di temperatura in cui è preponderante la formazione degli NO x ; il processo di combustione è di tipo premiscelato e quindi il rilascio del calore è più rapido rispetto alla combustione di un motore Diesel convenzionale. Per questo la temperatura massima mediata nello spazio (camera di combustione) che si registra nei motori HCCI è maggiore della temperatura massima mediata nello spazio che si registra nei motori Diesel convenzionali, nonostante la combustione inizi prima in questi ultimi. Quindi il rendimento del ciclo è maggiore. Fig.38 Regioni di formazione di soot ed NO x in funzione del rapporto di equivalenza e della temperatura e zone di funzionamento ricoperte dai differenti approcci alla combustione. In Fig.39 vi è una schematizzazione che esalta le differenze tra un sistema convenzionale di combustione Diesel e la combustione HCCI, in termini di percentuale di massa bruciata e rilascio del calore. 94

97 Fig.39 Differenze del processo di combustione fra motori ad accensione spontanea convenzionali e motori con combustione per compressione della carica omogenea HCCI: il calore cumulativo di combustione (a sinistra) e la velocità di rilascio del calore (a destra) La formazione della carica omogenea Il sistema di miscelazione da realizzare è strettamente legato al tipo di combustibile utilizzato e in particolare alla sua volatilità. Poiché il gasolio ha una temperatura di autoaccensione relativamente bassa ed una altrettanto bassa volatilità, è richiesto un tempo considerevole per ottenere la completa evaporazione e l omogeneizzazione della miscela aria-combustibile nel cilindro prima della combustione. Una soluzione al problema consiste nel progettare la camera di combustione con un rapporto di compressione molto basso (8:1 o minori) che però implica anche una notevole riduzione del rendimento del motore. In più il rapporto di compressione deve essere sufficientemente alto per permettere l autoaccensione. Se introduciamo il combustibile in camera (iniezione diretta), l iniezione deve essere effettuata molto prima del PMS e per avere una buona distribuzione del combustibile nel cilindro sono stati sviluppate configurazioni innovative della camera di combustione. Infatti in queste condizioni, la deposizione di combustibile sulle pareti a causa dell eccessiva penetrazione del getto dovuta alle basse pressioni e temperature durante l iniezione molto anticipata determina un incremento del consumo specifico e dei prodotti di una combustione incompleta (HC e CO). Molte modifiche nella progettazione degli iniettori che includono cambiamenti nel diametro del foro, un incremento del numero dei fori del polverizzatore, e una riduzione dell angolo del cono del getto [32] (Narrow Angle Direct Injection) sono comunemente utilizzate per ridurre la deposizione di combustibile sulle pareti del cilindro e sulla testa del pistone (Fig.40). Per lo stesso motivo la testa del pistone presenta una tazza più profonda rispetto ai motori convenzionali. 95

98 Fig.40 Differenze nell angolo di iniezione e nella conformazione della tazza fra il sistema convenzionale (a) ed il sistema NADI (b). Nonostante le modifiche apportate alla camera di combustione l applicazione HCCI rimane relegata al funzionamento del motore a potenze medio basse. Infatti se vogliamo incrementare la coppia dobbiamo incrementare la portata di combustibile iniettato e quindi viene richiesto un tempo maggiore per l evaporazione; se invece aumentiamo il numero di giri, il tempo disponibile al combustibile per evaporare diminuisce. Una delle misure adottate per allargare il campo di applicabilità della tecnologia HCCI è l introduzione di un vaporizzatore del gasolio con gli svantaggi in termini di rendimento già visti per il sistema di iniezione con precamera. Una soluzione alternativa consiste nel miscelare il combustibile con aria già preriscaldata, soluzione di facile applicazione nei motori Diesel sovralimentati (l aria è già riscaldata in seguito alla compressione). In questo modo non solo aumenta la velocità di evaporazione ma si innescano nel caso del gasolio delle fiamme fredde [33] che sono il prodotto di una limitata reazione esotermica associata ad una parziale ossidazione del combustibile ed il calore sviluppato può essere utilizzato per vaporizzare completamente il combustibile liquido miscelato. Purtroppo però riscaldando l aria se ne riduce la densità e quindi anche in questo caso abbiamo un limite alla massima coppia generabile Il controllo della combustione Oltre alle problematiche relative alla formazione della carica omogenea l applicazione HCCI sugli autoveicoli è limitata ad un range ristretto di funzionamento, da un lato per problemi di misfire (mancata accensione) a causa del basso controllo dell accensione, dall altro limitata da problemi di detonazione dovuti all alta velocità di combustione specie agli alti carichi, causando un elevato rumore, danni alla struttura del motore ed eventualmente un inaccettabile livello di NO x. 96

99 Numerosi consensi in campo sperimentale e computazionale, hanno stabilito che la combustione HCCI è determinata dalla velocità delle reazioni chimiche, parametro fortemente dipendente dalla temperatura. Un ruolo secondario è svolto dal miscelamento e dal trasferimento di calore che influenzano rispettivamente la formazione della carica e lo sviluppo della combustione. Per un funzionamento regolare con combustione HCCI sono necessarie due condizioni: la composizione della miscela deve assicurare un uniforme e contemporaneo sviluppo della combustione; la temperatura a fine compressione deve essere uguale alla temperatura di autoaccensione della carica. La prima condizione è relegata al processo di formazione della carica prima esaminato. La temperatura di autoaccensione è funzione: del tipo di combustibile della dosatura Si può agire sulla temperatura di autoaccensione in modo flessibile utilizzando due combustibili con caratteristiche differenti e regolando le frazioni iniettate. La dosatura invece determina una variazione lieve della temperatura di autoaccensione e quindi la regolazione è molto delicata; in più agli alti carichi risulta difficile agire in modo flessibile su questo parametro. Per regolare l istante di accensione invece è più facile agire sui seguenti parametri: la temperatura di ingresso dell aria o della miscela; la diluizione della miscela; il rapporto di compressione. Abbiamo precedentemente visto come regolare la temperatura di ingresso dell aria o della miscela. Molto spesso si introduce un sistema di ricircolo dei gas di scarico che permette di agire sia sulla temperatura in ingresso della carica aspirata sia sulla diluizione della miscela. Purtroppo la risposta del sistema EGR non si adatta perfettamente alle rapide variazioni del funzionamento dei veicoli dediti al trasporto. Per questo in molti casi il sistema EGR, di facile installazione e basso costo, è affiancato da altre tecnologie più flessibili: il VCR (variable compression ratio) ed il VVT (variable valve timing). 97

100 Il sistema VCR Questo sistema interviene sulla variazione del rapporto di compressione in modo da variare la temperatura e, quindi, di conseguenza variare in modo opportuno l istante di accensione della carica parallelamente alle variazioni di carico, che nelle applicazioni veicolari sono molto rapide. Molte opzioni sono state studiate per ottenere il sistema VCR: realizzazione di un cilindro sul quale è presente uno stantuffo in grado di variare la sua posizione e quindi modificare il volume dello spazio morto [34]; motore realizzato con un pistone opposto, progettato per avere una fase variabile tra due alberi a gomiti [35]; sistema in cui varia la distanza tra la testa del cilindro e l albero a gomiti (SAAB ed Envera) [36]; sistema CCE, Camshaft Controlled Epsilon (Fig.41). Fig.41 Il sistema CCE Il sistema VVT Questo sistema è in grado di gestire l apertura delle valvole di aspirazione e scarico in modo del tutto indipendente dal funzionamento del motore e con estrema flessibilità. In questo modo è possibile ottimizzare la fasatura delle valvole in ogni punto di funzionamento del motore per ottenere il massimo riempimento del cilindro oppure nel caso specifico dell applicazione HCCI modificare la temperatura e la diluizione della carica, variando la quantità dei gas residui presenti nel cilindro dal ciclo precedente (EGR interno). Il Centro Ricerche Fiat ha sviluppato un sistema elettro-idraulico VVT (UNIAIR), che può essere installato su un motore Diesel common rail. 98

101 3.3.3 Partenza a freddo Le difficoltà derivanti dalla partenza a freddo sono dovute alla forte dipendenza della temperatura della carica sulla combustione. Durante la fase d avvio del motore, la carica non riceve il calore necessario dai condotti d aspirazione e il calore trasferito dalla stessa carica alle pareti fredde della camera di combustione è alto. La combinazione di questi effetti ostacola l accensione della carica. Attualmente due sono le soluzioni possibili: utilizzo della candeletta, durante la fase di avvio [37]. utilizzo mirato dei sistemi VVT [38] e VCR; Controllo delle emissioni Lo svantaggio della combustione HCCI sulle emissioni è l elevata presenza di HC e CO allo scarico. Ai bassi carichi o in presenza di una elevata percentuale di EGR, le emissioni del monossido di carbonio e degli idrocarburi incombusti peggiorano presumibilmente perché la temperatura è troppo bassa per completare la reazione dal CO al CO 2 e il combustibile a ridosso delle pareti non brucia completamente. La produzione degli NOx, invece, è molto bassa grazie all utilizzo di una carica molto diluita. Però, la necessità di aumentare la potenza porta la carica ad essere poco diluita con un aumento eccessivo della temperatura di combustione e di conseguenza degli NOx. Passando agli alti carichi generalmente si adopera un approccio più convenzionale [32] (Dual injection strategy): parte del combustibile iniettato molto prima del PMS brucia secondo l approccio HCCI senza portare la temperatura a valori troppo elevati; il resto del combustibile necessario a soddisfare la richiesta di coppia viene iniettato di seguito determinando una fase di combustione diffusiva. La tecnologia HCCI è comunque tuttora di difficile applicazione sia per le problematiche viste, sia per la complessità nella progettazione ma anche per i costi aggiuntivi che comporta conseguenza dell installazione di nuovi componenti al sistema motore; aspettando che tale tecnologia si consolidi le case costruttrici di automobili stanno adattando ai motori già esistenti una tecnologia di combustione (Premixed Charge Compression Ignition) che si rifà molto al concetto HCCI. La conformazione geometrica della camera rimane di tipo convenzionale e solo ai 99

102 bassi regimi si introduce una consistente quantità di combustibile molto prima del PMS prolungate secondo l approccio dual injection strategy. 3.4 Sistemi di trattamento dei gas di scarico I moderni motori Diesel a basso impatto ambientale dispongono di sistemi di abbattimento delle emissioni allo scarico molto efficienti. La Fig.42 illustra un caso di disposizione dei sistemi di trattamento: Fig.42 Moderno sistema di trattamento dei gas di scarico di una autovettura Diesel Le funzioni assolte dai dispositivi per il post-trattamento sono principalmente due: a) catalizzazione delle reazioni di conversione delle emissioni; b) intrappolamento delle particelle inquinanti. In alcuni casi lo stesso componente realizza entrambe le funzioni Generalità sui catalizzatori Si definisce catalizzatore una sostanza che influenza la velocità della reazione chimica ma non fa parte né dei reagenti né dei prodotti. Il catalizzatore determina una riduzione dell energia di attivazione che incrementa la velocità della reazione (Fig.43). Ogni catalizzatore è caratterizzato da due proprietà fondamentali [39]: Attività; Selettività. 100

103 L attività è legata all abilità del catalizzatore di incrementare la velocità di reazione. Fig.43 Effetto dei catalizzatori sull energia di attivazione di una reazione La selettività fa riferimento all abilità del catalizzatore di accelerare certe reazioni piuttosto che altre. Purtroppo si è riscontrato empiricamente che un miglioramento nella selettività è accompagnato da un deterioramento nell attività. Un catalizzatore solido è composto generalmente nel seguente modo [40]: Un sub-strato di supporto in materiale ceramico o metallico con struttura a nido d ape con molti canali piccoli e paralleli che si sviluppano assialmente lungo il monolita (Fig.44); Un rivestimento di materiale poroso ad elevata superficie specifica (Fig.44 (b) e (c)); Una pellicola coprente di materiale catalitico; ad esempio il platino o il palladio (Fig.44 (c)). Fig.44 Composizione di un catalizzatore 101

104 La reazione nei catalizzatori solidi è governata dai seguenti tre processi (Fig.45) [39]: Reazione chimica; Diffusione nei pori; Trasferimento di massa. Alle basse temperature la velocità di reazione è lenta rispetto ai processi di diffusione. Quando le temperature aumentano, la velocità di reazione incrementa molto sia per la ridotta energia di attivazione sia per la dipendenza esponenziale del coefficiente di Arrhenius ed il fenomeno di conversione viene controllato dalla diffusione nei pori. Alle alte temperature il fenomeno di diffusione nei pori diventa sufficientemente più veloce di quello del trasferimento di massa il quale, avendo una piccola dipendenza dalla temperatura pone un limite alla velocità di reazione. Fig.45 Effetto della temperatura sull efficienza del catalizzatore. In tutte le applicazioni pratiche i catalizzatori si disattivano progressivamente con l uso secondo queste modalità principali [39]: Sporcamento (fouling): materiali ad alto peso molecolare si depositano fisicamente sulla superficie esterna del catalizzatore diminuendone la superficie attiva effettiva e bloccando l accesso ai pori (Fig.46 (a)); Avvelenamento (poisoning): alcune sostanze presenti nel combustibile o nei lubrificanti possono reagire in maniera temporanea o permanente con i siti attivi del catalizzatore disattivandoli (Fig.46 (b)); Disattivazione termica o sinterizzazione (sintering): in presenza di temperature elevate la cui entità dipende dal catalizzatore e dal rivestimento del sub-strato è possibile che i cristalli catalitici 102

105 iniziali si raggruppino per formarne altri più grandi riducendo la superficie attiva (Fig.46 (c)). Per quanto riguarda il rivestimento è possibile una parziale o completa occlusione dei pori (Fig.46 (d)) Catalizzatore ossidante Fig.46 Processi di disattivazione dei catalizzatori. A differenza dei motori a benzina, dove la marmitta catalitica trivalente riesce in maniera efficace ad abbattere contemporaneamente i tre maggiori inquinanti presenti nei gas di scarico (CO, NO x, HC), nei motori Diesel la marmitta riesce a abbattere soltanto CO e HC mediante ossidazione, motivo per cui si parla di catalizzatore ossidante (DOC o OxiCat). Le principali reazioni di ossidazione che avvengono nella marmitta hanno una stechiometria del tipo [41]: [Idrocarburi] + O 2 = CO 2 + H 2 O (4) CO + ½ O 2 = CO 2 (5) Il catalizzatore ossida, oltre agli HC, anche le sostanze organiche che costituiscono il SOF, di fatto quindi lo stesso catalizzatore ossidante contribuisce alla rimozione del particolato. Il catalizzatore ossidante è sensibile alla presenza di zolfo: 103

106 2 SO 2 + O 2 = 2 SO 3 (6) SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 (7) al fine di non assistere ad una rapida disattivazione (peraltro mai reversibile al 100%), è necessario disporre di carburanti a basso tenore di zolfo (< 0.005% in peso). L ossidazione dell NO ad NO 2 è un altra reazione indesiderata data la maggiore tossicità di quest ultima molecola: NO + ½ O 2 = NO 2 (8) In alcuni casi però se ne favorisce la formazione per facilitare la rigenerazione del DPF. La Fig.47 mostra l efficienza dell OxiCat in funzione della temperatura [41]. Fig.47 Efficienza dell OxiCat in funzione della temperatura. Il catalizzatore presenta una bassissima efficienza alle basse temperature (light-off); un buon dimensionamento si traduce quindi nell ottimizzazione dello scambio termico tra gas combusti e OxiCat Sistemi De-Nox La riduzione degli NO x nei motori Diesel è affidata a tre tipi di sistemi: a) HC-SCR: catalizzatore selettivo di riduzione ad idrocarburi I catalizzatori selettivi che promuovono la riduzione degli NO x attraverso gli idrocarburi vengono detti anche lean NOx catalyst (LNC). La reazione desiderata è la seguente [42]: {HC} + NO x = N 2 + CO 2 + H 2 O (9) 104

107 La reazione competitiva non selettiva con l ossigeno è la seguente: {HC} + O 2 = CO 2 + H 2 O (10) La selettività del catalizzatore ossidante dipende da molti fattori tra cui la temperatura, le specie di idrocarburi utilizzati per la reazione, la disponibilità di ossigeno, il rapporto HC/NO x ma soprattutto dalla tipologia di catalizzatore adottato. I gruppi di catalizzatori più promettenti per sviluppo ed applicazione futura sono due: Rame su zeolite (Cu/ZSM-5); Platino su allumina (Pt/Al 2 O 3 ) Non sono ancora stati sviluppati catalizzatori che riescono a funzionare adeguatamente in tutto il range di funzionamento dei motori Diesel. Comunque in questi motori una parte significativa degli NO x viene generata tra i 250 ed i 350 C che è esattamente l area che si trova fra i due valori ottimali di funzionamento del platino e della zeolite (vedi Fig.48) [42]. Fig.48 Efficienza di conversione degli NO x per rame su zeolite (Cu/ZSM-5) e platino su allumina (Pt/Al 2 O 3 ) in funzione della temperatura. b) NAC: trappola per gli ossidi di azoto ( NOx Adsorber Catalyst) Il catalizzatore di NO x ad assorbimento deriva dal catalizzatore a tre vie usato per i motori ad accensione comandata che è inattivo in condizioni di miscela povera. Il catalizzatore a tre vie è stato adattato ai sistemi Diesel tramite l utilizzo di un particolare rivestimento che funziona nel seguente modo (Fig.49) [43]: 105

108 1. Assorbe ed immagazzina gli NO x durante il funzionamento standard del motore (miscele povere) 2. Rilascia gli NO x in caso di miscela ricca In questo modo è possibile impostare delle fasi periodiche di rigenerazione del catalizzatore tramite l introduzione di combustibile supplementare necessario al raggiungimento di una miscela ricca. La fase di assorbimento comprende le seguenti due reazioni: NO + ½ O 2 NO 2 (11) BaO + NO 2 + ½ O 2 Ba(NO 3 ) 2 (12) Ad elevate temperature il nitrato diventa instabile e si decompone in NO o NO 2 che in condizioni di miscela ricca reagiscono col monossido di carbonio a dare azoto: Ba(NO 3 ) 2 BaO + 2 NO + 1½ O 2 (13) Ba(NO 3 ) 2 BaO + 2 NO 2 + ½ O 2 (14) NO + CO ½ N 2 + CO 2 (15) I catalizzatori di NO x ad assorbimento presentano anche delle reazioni indesiderate dovute principalmente ai composti dello zolfo: SO 2 + ½ O 2 SO 3 (16) BaO + SO 3 BaSO 4 (17) Fig.49 Meccanismo di azione del sistema NAC. Il solfato di bario è molto più stabile del nitrato e richiede temperature molto più elevate per essere rilasciato. Per questa ragione l avvelenamento da zolfo rappresenta il problema più rilevante per questi catalizzatori anche in seguito all introduzione su larga scala del Diesel a bassissimo tenore di zolfo. 106

109 c) Urea-SCR: catalizzatore selettivo di riduzione ad urea (Selective Catalitic Reduction) Il sistema urea-scr prevede l utilizzo dell ammoniaca per la riduzione degli NO x. L ammoniaca però è tossica e pericolosa da trasportare. Per questo si è deciso di ricorrere all urea, CO(NH 2 ) 2, che non è tossica, è facile da trasportare e sistemare ed è commercialmente disponibile oltre ad essere completamente dissociabile in ammoniaca sotto le condizioni operative dell urea-scr secondo la seguente reazione di idrolisi [44]: CO(NH 2 ) 2 + H 2 O 2 NH 3 + CO 2 (18) La dissociazione dell urea raggiunge valori fino al 20% in fase gassosa a temperature di 330 C e fino al 50% a temperature di 400 C. In effetti la rimanente urea completa la reazione sulla superficie del catalizzatore il che gioca un ruolo fondamentale per il corretto funzionamento dell SCR. Le reazioni principali del sistema urea-scr sono [44]: 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N H 2 O (19) 6 NO NH 3 7 N H 2 O (20) NO + NO NH 3 2 N H 2 O (21) A queste si sommano altre reazioni non selettive con l ossigeno che producono ulteriori emissioni inquinanti o nelle migliori condizioni portano ad un consumo non produttivo di ammoniaca: 2 NH O 2 N 2 O + 3 H 2 O (22) 4 NH O 2 2 N H 2 O (23) 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O (24) Se i gas contengono zolfo, sotto i 250 C, possono attivarsi anche le seguenti reazioni: NH 3 + SO 3 + H 2 O NH 4 HSO 4 (25) 2 NH 3 + SO 3 + H 2 O (NH 4 ) 2 SO 4 (26) i cui prodotti possono dar vita al fenomeno di sporcamento del catalizzatore. L efficienza dell urea-scr è funzione delle quantità di urea-ammoniaca iniettata e delle temperature operative (Fig.50). Una quantità ridotta di ammoniaca può determinare un valore troppo basso 107

110 dell efficienza dell SCR. Una quantità troppo elevata può causare un rilascio indesiderato di ammoniaca nell atmosfera Generalmente le emissioni di ammoniaca tendono a ridursi con l incrementare della temperatura mentre l efficienza dell SCR dipende dal range di temperatura di funzionamento. Fig.50 Efficienza di conversione degli NO x e percentuale di ammoniaca non reagente per un sistema urea-scr in funzione del rapporto tra massa di ammoniaca e massa di ossidi di azoto. La reazione (21) tra ammoniaca, NO 2 ed NO è la più veloce e può promuovere quindi la conversione degli NO x alle basse temperature (Fig.51). Per questo, in alcuni casi, il livello di NO 2 è volutamente incrementato nel passaggio dei gas di scarico attraverso il DOC installato a monte dell SCR. Se però la quantità di NO 2 supera quella di NO è possibile la formazione di N 2 O indesiderato [45]: 8 NO NH 3 7 N 2 O + 9 H 2 O (27) Fig.51 Effetto della presenza degli NO 2 sull efficienza di conversione degli NO x alle basse temperature. 108

111 Rispetto ai dispositivi per l abbattimento di NO x precedentemente esaminati il sistema SCR presenta quindi il principale svantaggio di dover prevedere l introduzione di un serbatoio aggiuntivo per l urea e l inconveniente per il conducente del veicolo di provvedere al periodico riempimento. Comunque il sistema urea-scr è caratterizzato da un ampio campo di temperature di funzionamento ottimali che ne permettono l applicazione per il superamento dei cicli di prova previsti dagli standard sulle emissioni (Fig.52) [46]. Fig.52 Efficienza a confronto dei differenti sistemi di post-trattamento degli NO x Filtri antiparticolato Il filtro antiparticolato è un dispositivo che permette la rimozione delle particelle carboniose presenti nei gas di scarico; le particelle sono rimosse mediante intrappolamento nei pori del filtro e successiva ossidazione, per via termica o catalitica. I filtri si dividono in due gruppi, caratterizzati dal tipo di supporto contenuto in essi e, come si vedrà, da diverse efficienze di rimozione del particolato: 1. Sistemi chiusi (Closed traps) 2. Sistemi aperti (Open traps) Entrambi i sistemi infine possono presentare una rigenerazione discontinua oppure continua, a seconda del meccanismo con cui il particolato viene rimosso dal filtro. I materiali di costruzione di tali dispositivi variano molto in base alla tipologia di filtro e produttore; tuttavia è possibile elencare alcuni materiali comunemente utilizzati, in genere di tipo ceramico. Carburo di silicio ricristallizzato Carburo di silicio silicon bounded 109

112 Nitruro di silicio (Cordierite) Titaniato di alluminio Mullite acculare La geometria dei sistemi di intrappolamento del particolato è molto diversificata e comprende monoliti a nido d ape in ceramica o metallo, su cui sono depositati materiali nobili come Rodio, Palladio, Platino Sistemi chiusi (wall-flow) Nei sistemi chiusi, l intero flusso di gas di scarico è costretto a passare attraverso delle pareti porose. I pori hanno una larghezza caratteristica media che è minore di quella più piccola delle particelle di particolato che si depositano sulla parete mentre i gas di scarico possono essere evacuati (Fig.53). Fig.53 Meccanismo di funzionamento del filtri a sistema chiuso. Tale meccanismo di intrappolamento determina una notevole efficienza di rimozione del soot ma anche una consistente perdita di carico; inoltre in questo modo si generano strati sottili ma ad elevata concentrazione di soot che possono portare all innesco di reazioni incontrollate. In Fig.54 è riportato un esempio di filtro antiparticolato utilizzato su bus e applicazioni non stradali. Fig.54 Esempio di filtro a sistema chiuso. 110

113 Sistemi aperti (flow-through) I sistemi aperti possono essere di diverse forma e materiale, ad esempio possono essere costituiti da una schiuma ceramica irregolare, all interno della quale il flusso passa e deposita il materiale carbonioso (Fig.55). La definizione aperto deriva dal fatto che, contrariamente a quanto avviene nei filtri chiusi, non tutto il flusso è soggetto a rimozione del particolato in quanto si possono creare dei cammini preferenziali nella schiuma senza che il particolato si possa depositare; per tale motivo l efficienza dei sistemi aperti è inferiore a quella dei sistemi chiusi. Fig.55 Meccanismo di funzionamento dei filtri a sistema aperto. Il particolato viene ossidato per mezzo di NO 2, prodotto da un opportuno catalizzatore che avvolge la spugna. L interesse verso i filtri di tipo aperto nasce dalla facilità con la quale possono essere montati su autovetture Diesel di vecchia fabbricazione, con scopo di retrofit, senza la necessità di modificare l impianto Tipologie di rigenerazione La rigenerazione del particolato può essere effettuata secondo due meccanismi, uno di tipo discontinuo ed uno di tipo continuo. I primi sono più avanzati e permettono riduzioni del particolato prossime al 99%, mentre i secondi hanno efficienze inferiori e variabili tra il 30 e l 80%. Fig.56 Modalità di rigenerazione dei filtri: continua (a); discontinua (b). 111

114 I filtri a rigenerazione discontinua prevedono un processo di rigenerazione periodico del filtro (Fig.56 (a)), dovuto all accumulo di particelle carboniose; tale accumulo dipende fortemente dalle condizioni di utilizzo del motore. E possibile dare un valore indicativo considerando necessaria la rigenerazione dopo circa km di utilizzo oppure quando si registra una caduta di pressione prefissata tra monte e valle del filtro. Il processo di rigenerazione consiste nella ossidazione delle particelle depositatesi nelle strutture del filtro, a temperature prossime a 600 C; si possono avere due diversi meccanismi di rigenerazione: 1. rigenerazione senza additivo: il processo prevede l utilizzo di post-iniezioni di gasolio al fine di aumentare la temperatura dei gas di scarico fino a 600 C. 2. rigenerazione con additivo: si utilizza un additivo a base di ossido di Cerio (cerina), che ha lo scopo di abbassare la temperatura di combustione del C da 550 C a circa 450 C; in questo modo la rigenerazione è più semplice e rapida. La temperatura di 450 C è raggiunta per mezzo di una iniezione supplementare di gasolio in prossimità del Punto Morto Superiore, con conseguente post combustione e raggiungimento della temperatura richiesta Un tipico esempio di filtro a rigenerazione discontinua è il FAP (Filtro Attivo Antiparticolato), sviluppato da Peugeut-Citroen e attualmente impiegato da numerose case automobilistiche come BMW, Audi e le due già citate. L efficienza di tale dispositivo è estremamente elevata (>95%), motivo per cui il suo utilizzo è supportato dai costruttori. L utilizzo in autovetture non di nuova costruzione non è auspicabile in quanto comporterebbe elevati costi di installazione (necessità di modificare il motore ed altri componenti). I filtri a rigenerazione continua possono essere utilizzati come strumento di retrofit per autoveicoli leggeri o pesanti, dove non è possibile installare filtri antiparticolato a rigenerazione discontinua. Tali sistemi hanno una struttura simile ai discontinui, la caratteristica che li contraddistingue consiste nel fatto che il processo di rigenerazione è di tipo continuo, senza la necessità di effettuare post iniezioni di combustibile. Il processo è descrivibile con la seguente equazione: dm f, soot dt ( T ) G = 0 + m f, soot K f soot η (28) 112

115 in cui m f,soot è la massa di soot sul filtro, K è la costante cinetica della reazione, η f è l efficienza del filtro e G soot è la portata di soot generato dal motore. Il criterio della rigenerazione continua (Fig.56 (a)) consiste nel portare il filtro ad una temperatura di equilibrio per ottenere condizioni di funzionamento stazionario (dm f,soot /dt=0). Il range di temperature dei gas di scarico è solitamente più basso di quello necessario per la rigenerazione continua del filtro quindi si incrementa la velocità di reazione per mezzo di un catalizzatore, l NO 2, prodotto inquinante solitamente indesiderato delle reazioni non selettive dell OxiCat posto a monte del filtro. Infatti l NO 2 abbassa il range di temperature di ossidazione del soot a valori compresi tra 300 e 450 C caratteristici della seguente reazione: C + 2 NO 2 2 NO + CO 2 (29) 113

116 4 Possibili architetture dei motori I motori Diesel di ultima generazione sono il risultato non solo di miglioramenti apportati ad ogni componente preso singolarmente ma anche di un accoppiamento sempre più ottimizzato dei vari sottosistemi del motore che hanno determinato lo sviluppo di un parco di motori caratterizzato da architetture variegate sempre più complesse. Quindi l analisi completa dei motori Diesel odierni presuppone sia lo studio dei possibili schemi e delle possibili configurazioni dei singoli sottosistemi ma anche le reciproche influenze in tutto il campo di funzionamento e sotto ogni aspetto funzionale e prestazionale del motore. Particolare attenzione è riposta in quest ultimo periodo al sistema di sovralimentazione a due stadi, alle possibili soluzioni di abbattimento delle emissioni tramite trattamento allo scarico dei gas combusti ed ai metodi di ricircolo dei gas di scarico. 4.1 Sovralimentazione a due stadi La sovralimentazione rappresenta un elemento chiave nella tecnologia dei motori Diesel delle moderne autovetture. Lo scopo del sistema di sovralimentazione consiste principalmente nel miglioramento delle prestazioni del motore in termini di coppia ed emissioni senza intaccare consistentemente i costi ed i consumi. Un notevole sviluppo tecnologico in questo ambito è stato è stato possibile prima con l introduzione della valvola waste-gate, successivamente con la turbina a geometria variabile. Lo sforzo più recente risiede nell analisi dei possibili sistemi composti da più gruppi di sovralimentazione separati; i risultati della ricerca mostrano che la migliore soluzione risiede nel sistema di sovralimentazione con due turbogruppi a gas di scarico posti in serie (Twin Stage o Twin Turbo) che permette di migliorare notevolmente le prestazioni del motore su tutto il campo di funzionamento del motore. Inoltre, la tecnologia a due stadi, attraverso un ulteriore incremento della pressione di sovralimentazione, può permettere l innalzamento del tasso di ricircolo dei gas di scarico, così come previsto dai futuri limiti stabiliti per le emissioni a pieno carico dei motori Diesel di veicoli ad uso commerciale. Il rispetto di valori di emissione sempre più ridotti previsti per il futuro anche nel caso di 114

117 motori ad elevata sovralimentazione, dunque, rappresenta un ulteriore punto a favore dell impiego del sistema a due stadi Sovralimentazione a due stadi nei motori dei veicoli ad uso commerciale La Fig.57 rappresenta lo schema della sovralimentazione regolata a due stadi applicata al motore dei veicoli ad uso commerciale [3]. Il sistema prevede l utilizzo di due turbogruppi posti in serie con una valvola che permette il by-pass della turbina di alta pressione. Il turbogruppo di alta pressione è di dimensioni ridotte rispetto a quello di bassa; il primo è maggiormente utilizzato in fase di partenza ed ai bassi carichi, il secondo ai medi ed alti carichi. Fig.57 Schema della sovralimentazione regolata a due stadi tipica del motore dei veicoli ad uso commerciale. In questo tipo di applicazione l obiettivo principale è quello di ottenere una notevole riduzione dei consumi in tutto il campo di funzionamento del motore ed innalzare contemporaneamente il valore massimo del momento torcente e della potenza nominale; per questo i due turbogruppi devono essere dimensionati in maniera tale che i compressori funzionino con rendimenti molto elevati e la turbina di bassa pressione sia in grado di smaltire l intero flusso dei gas di scarico anche in condizioni di pieno carico senza dover ricorrere all introduzione di una waste-gate. 115

118 In Fig.58 sono rappresentate le mappe caratteristiche dei compressori di entrambi gli stadi a bassa e ad alta pressione (attenzione alle unità di misura: la portata è volumetrica). Nel diagramma sono state tracciate delle linee che congiungono i punti di funzionamento corrispondenti rispettivamente al momento torcente massimo e alla potenza nominale. Oltre al funzionamento del motore a livello del mare è stato preso in considerazione anche quello a piedi (in entrambi i casi era previsto il ricircolo dei gas di scarico). Nel diagramma risulta rappresentato anche l andamento del rapporto di compressione totale risultante. A causa dell altezza e del ricircolo di gas si ottiene un rapporto di compressione di circa cinque senza eccedere con la sollecitazione aerodinamica. Questo consente alla sovralimentazione regolata a due stadi di fornire ulteriori opportunità di aumentare la pressione di sovralimentazione senza imporre la necessità di ricorrere a componenti di sistema di qualità superiore. Fig.58 Mappe caratteristiche dei compressori nella sovralimentazione a due stadi tipica del motore dei veicoli ad uso commerciale con rappresentazione della curva caratteristica del motore Ad un basso numero di giri, a causa della limitata disponibilità di gas di scarico, lo stadio a bassa pressione partecipa solo in minima parte all alimentazione. Il bypass della turbina ad alta pressione è completamente chiuso. Le dimensioni della turbina di bassa pressione determinano una contropressione esigua ed il contributo energetico dei gas di scarico è elaborato completamente dalla turbina ad alta pressione; in questo modo l energia dei gas di scarico si esaurisce tutta nella compressione dell aria nel compressore ad alta pressione. Il sistema lavora quindi come se fosse in 116

119 presenza di un singolo stadio fino a quando il compressore di bassa pressione raggiunge rapporti di compressione accompagnati da valori di rendimento accettabili. Ovviamente la curva di funzionamento deve essere sufficientemente distante da quella di pompaggio. Incrementando il regime parte dei gas di scarico vengono inviati, attraverso la valvola di by-pass, direttamente alla turbina di bassa pressione. Grazie al bypass la pressione di sovralimentazione risulta regolata in modo flessibile in modo tale da far lavorare in condizioni ottimali di rendimento il compressore di alta pressione. Con l aumentare del numero di giri del motore la quantità di gas derivato a monte della turbina ad alta pressione cresce. Il maggior contributo energetico prelevato dalla turbina di bassa pressione permette di spostare il punto di funzionamento del compressore di bassa pressione verso rendimenti e rapporti di compressione più elevati. È importante notare che la sezione di passaggio del compressore di alta pressione deve essere sufficientemente grande da permettere il passaggio di tutta la carica fresca anche nel punto di massima coppia erogabile dal motore. A riguardo è importante tener conto della portata volumetrica piuttosto che quella massica in ingresso al compressore di valle; fortunatamente la prima è soggetta a variazioni contenute principalmente perché il maggior apporto alla portata massica è da attribuire all incremento di densità operato dal compressore di bassa pressione La sovralimentazione a due stadi nei motori delle autovetture La sovralimentazione regolata a due stadi applicata alle autovetture si distingue da quella classica in alcuni punti. In Fig.59 è illustrata schematicamente l applicazione della sovralimentazione a due stadi al motore delle autovetture. La turbina del sistema di sovralimentazione a due stadi delle autovetture possiede un bypass per lo stadio a bassa pressione e uno per quello ad alta pressione oltre che un bypass per il compressore di alta pressione. L obiettivo della sovralimentazione regolata a due stadi nelle sue applicazioni automobilistiche è in primo luogo il raggiungimento di un momento torcente più alto nell avviamento e il miglioramento del funzionamento transitorio combinato all aumento della potenza nominale. In realtà tale sistema di sovralimentazione consente in particolari condizioni limite, 117

120 quali il raggiungimento del valore massimo della pressione tollerabile nel cilindro, di ottenere un incremento significativo della pressione media anche a regime intermedio. Fig.59 Schema della sovralimentazione regolata a due stadi tipica nei motori automobilistici Ai fini di migliorare l avviamento e l accelerazione lo stadio ad alta pressione utilizza un turbogruppo di dimensioni più ridotte. Questo offre il vantaggio di avere più spazio di montaggio a disposizione e, grazie ad un momento di inerzia più piccolo, sembra avere effetti positivi sul funzionamento transitorio del motore. Ad alto regime si provvede al totale bypass dello stadio ad alta pressione, per evitare lo strozzamento della carica aspirata e contropressioni allo scarico troppo elevate. Pertanto la pressione di sovralimentazione necessaria al raggiungimento del valore di coppia desiderato deve essere raggiunta con uno stadio. Quindi per lo stadio a bassa pressione valori elevati del rapporto di pressione rendono indispensabile il ricorso a compressori con rendimenti maggiori rispetto a quelli per applicazioni commerciali. Si possono individuare quattro modalità di funzionamento del turbogruppo che corrispondono a quattro differenti campi operativi del motore (vedi Fig.60) come nel caso del motore Diesel BMW 3 l, 6 cilindri con un sistema a due stadi in serie in produzione dal 2005 [47]. 118

121 Fig.60 Strategia del sistema operativo della BMW 3 litri, 6 cilindri di motore Diesel con misti a due stadi e turbocompressore registro. La curva di funzionamento del sistema di sovralimentazione assume di conseguenza, per l applicazione automobilistica l andamento descritto in Fig.61 [19]. Fig.61 Curve di funzionamento del sistema di sovralimentazione a due stadi per applicazione automobilistica. Durante l avviamento (Fig.60 campo di funzionamento 1) tutte le valvole risultano chiuse. I gas di scarico forniscono lavoro solo alla turbina di piccole dimensioni. A questo punto il piccolo turbocompressore si preoccupa di generare pressione di sovralimentazione, mentre il grande turbocompressore è portato a regime. Col crescere del numero di giri il flusso delle masse di scarico aumenta. Al raggiungimento di una pressione di sovralimentazione definita esso è inviato in parte 119

122 direttamente al turbogruppo di bassa pressione tramite il bypass (Fig.60 campo di funzionamento 2). Per quello che riguarda l aspirazione in questa fase di funzionamento i due turbocompressori continuano ad operare in serie, con l enorme contributo da parte del grande compressore alla generazione di pressione reso possibile grazie alla precompressione. A partire da un certo momento la funzione alimentatrice è assunta dal solo grande turbocompressore poiché il compressore di alta pressione finirebbe per strozzare il flusso aspirato. A questo punto uno dei bypass del compressore permette il collegamento diretto fra il grande turbocompressore e lo scambiatore di calore per l aria di sovralimentazione, mentre il bypass della turbina si apre totalmente per riuscire a sfruttare tutto il potenziale offerto dal grande turbocompressore in modo da aumentare il rendimento (Fig.60 campo di funzionamento 3). Valori particolarmente alti del numero di giri (Fig.60 campo di funzionamento 4) prevedono l intervento aggiuntivo di un Wastegate nel grande turbocompressore che consente di deviare una parte del gas di scarico esternamente alle turbine. In questo modo, con una conoscenza dettagliata del complicato comportamento del sistema, risulta possibile produrre un sistema di sovralimentazione compatto che con l impiego di componenti collaudati sia in grado di soddisfare i più elevati requisiti in termini di momento torcente, di risposta e potenza. 4.2 Gli schemi per il ricircolo dei gas di scarico HP Loop EGR Il sistema EGR maggiormente adottato attualmente è quello ad alta pressione (HP EGR; Fig.62) Fig.62 Schema del sistema EGR ad alta pressione Il sistema HP EGR preleva i gas di scarico a monte della turbina e li immette nuovamente nel sistema 120

123 motore a valle del compressore. In questo modo si riducono al minimo le perdite di carico dei gas combusti lungo il percorso di reintroduzione. Inoltre si evita il passaggio dei gas di scarico attraverso il compressore i quali potrebbero determinare un rapido deterioramento di tale organo. Varie strategie sono state utilizzate per aumentare la differenza di pressione tra i condotti di scarico e aspirazione per facilitare un maggior flusso di EGR verso il motore [4],[48]-[51]. Valvole a farfalla o restrizioni sono esempi di possibili tecniche. Un approccio, più comune nei mezzi pesanti, è l utilizzo di un venturi da inserire in corrispondenza dell intersezione fra il condotto di aspirazione e quello di ricircolo. Infatti, ad un incremento della velocità dell aria nella sezione ristretta del venturi segue una riduzione della pressione dell aria e quindi un maggior salto di pressione disponibile. Un appropriata progettazione del venturi può anche migliorare il miscelamento dell EGR con la carica fresca, risultando in una migliore distribuzione dell EGR fra i cilindri [48]. Purtroppo il sistema HP EGR riduce il flusso di gas attraverso la turbina. Se incrementiamo il grado di EGR (aumentando la sezione di passaggio della valvola EGR) la portata elaborata dalla turbina diminuisce e quindi a pari rapporto di espansione aumenta la velocità della turbina e del compressore ad essa collegato; ovviamente diminuisce anche la potenza trasferita alla turbina e quindi al compressore che di conseguenza elabora una portata minore e sposta il punto di funzionamento verso la linea di pompaggio (Fig.63). Ne consegue una riduzione della potenza in uscita dal motore ed un incremento del consumo specifico [4]. Fig.63 Influenza del sistema HP EGR nella mappa del compressore. 121

124 Con l ausilio di una turbina a geometria variabile (VTG) è possibile restringere la sezione utile di passaggio della stessa aumentando la contropressione allo scarico e quindi l energia fornita al turbogruppo e la portata di EGR. Comunque, se ci avviciniamo alle condizioni di pieno carico la contropressione allo scarico e la pressione di sovralimentazione possono risultare eccessive in riferimento ai limiti imposti dalle caratteristiche strutturali del veicolo. Di conseguenza si è costretti, anche in presenza di una VTG, a limitare o la coppia massima erogabile dal motore o la portata di EGR in condizioni prossime a quelle di pieno carico LP Loop EGR Il LP Loop è un sistema ben noto che offre un alternativa per superare i limiti del sistema ad alta pressione primo dei quali l'introduzione di una consistente percentuale di EGR per funzionamento del motore ai carichi elevati. I gas di scarico sono prelevati a valle della turbina e introdotti a monte del compressore (Fig.64). Fig.64 Schema del sistema EGR ad alta pressione Prima dell introduzione nel mercato del filtro antiparticolato (DPF) l intero sistema di aspirazione, compreso il compressore, sarebbero stati soggetti ad una rapida corrosione. Questa era una delle ragioni che ha limitato l applicazione di tale sistema. Introducendo il DPF è possibile far passare tutti i gas di scarico attraverso la turbina preservando le prestazioni e la durabilità del turbo [4]. Fra i principali vantaggi del LPL rispetto all'hpl abbiamo: Potenziale per un più basso consumo specifico come risultato delle migliorate prestazioni del turbogruppo in conseguenza di una maggiore flessibilità nella gestione della turbina non più legata al funzionamento del sistema EGR. 122

125 Risposta dinamica più rapida del sistema motore: un cambiamento del punto di funzionamento del motore determina variazioni più ridotte della velocità del turbogruppo [49] per la maggior costanza nella portata sia dei gas combusti che attraversano la turbina sia della miscela che attraversa il compressore. Infatti, nel LP EGR, all inizio della fase transitoria diminuisce la frazione di EGR (il flusso di EGR è all'incirca costante) mentre aumenta il tenore di aria fresca nella miscela aspirata dal compressore. Possibilità di eliminare la valvola a farfalla sul condotto di aspirazione necessaria nel HP EGR per ridurre la quantità di aria introdotta alle medie potenze (portata elevata attraverso la turbina) per mantenere sufficientemente alta la percentuale di EGR. Questo si traduce in minori perdite fluidodinamiche e semplificazione del sistema di controllo [49]. Il compressore provvede ad un migliore miscelamento della carica fresca con l EGR che si distribuisce nelle stesse proporzioni in ogni cilindro [50]. Maggiore durata dei componenti a valle del compressore e dei lubrificanti per il tenore ridotto di particolato presente nei gas di scarico che si vanno a miscelare con la carica fresca all aspirazione [51]. Si riduce anche la possibilità di ostruzione del flusso di EGR per presenza di depositi di particolato nelle tubazioni. Il percorso seguito dai gas di scarico ricircolati per ritornare al motore è più lungo e quindi ne determina un maggior rilascio termico e l ingresso nel motore a temperature più basse mantenendo invariate le condizioni di funzionamento del refrigeratore. Il sistema è facilmente installabile su veicoli anche non predisposti [52]. Fig.65 Risposta del motore per differenti quantità di EGR nel sistema HP-loop e LP-loop. 123

126 Di contro, il LPL presenta ancora vari svantaggi di considerevole entità: Il maggior volume e la maggior lunghezza del ramo di ricircolo determinano un ritardo nel raggiungimento della percentuale desiderata di EGR all'interno delle camere di combustione. Ne consegue purtroppo un incremento degli NO x nei transitori [4]. I filtri antiparticolato, anche i più efficienti, lasciano passare una piccola porzione materiale carbonioso che può corrodere a lungo tempo le pale del compressore soprattutto ad elevate velocità di rotazione. In presenza di uno scambiatore a monte del compressore è possibile la condensazione di goccioline d acqua che intacchino la girante. A riguardo è preferibile ridurre al massimo il tragitto compreso tra lo scambiatore ed il compressore in maniera tale da ritardare la condensazione (fenomeno del ritardo di formazione) a valle della girante[51]. Nel caso in cui non sia presente uno scambiatore a monte del compressore si è costretti a limitare i rapporti di compressione a causa delle eccessive temperature raggiunte dai gas in seguito al processo di compressione. Aumentano le perdite di carico distribuite per la maggior lunghezza del tragitto percorso dai gas di ricircolo. É possibile ridurre gli ingombri del LP EGR prelevando l EGR a monte del filtro antiparticolato e introducendolo a valle del compressore. Quindi, questa variante del LP loop (LP to HP loop) necessita di un ulteriore compressore per il pompaggio dei gas combusti che si traduce in un incremento della flessibilità di tale sistema ma anche in un consistente incremento dei costi [49] Sistema ibrido (HP+LP loop) In definitiva analizzando i sistemi HP e LP EGR si può osservare che il primo è più vantaggioso ai bassi carichi e per percentuali ridotte di gas ricircolati mentre il secondo è più efficiente per valori elevati coppia motrice ed elevate percentuali di EGR. Si è pensato quindi di accoppiare i due sistemi (Fig.66) per ottenere il massimo delle prestazioni su tutto il range di funzionamento del motore. 124

127 Fig.66 Schema del sistema EGR ibrido. La presenza di due sistemi ovviamente determina una maggiore flessibilità nella gestione dell'egr. Quando il veicolo non sta accelerando si preferisce usare solo l'hp loop e solo nel caso in cui risulti essere insufficiente si ricorre all'utilizzo del LP loop, evitando in questo modo l'uso della valvola a farfalla. Quando il veicolo sta accelerando, la valvola del ramo EGR ad alta pressione viene chiusa per massimizzare il flusso attraverso la turbina, migliorando la risposta del motore durante i transitori. Attraverso una giusta calibrazione dei tempi di chiusura della valvola dell'hp EGR e di apertura della valvola del LP EGR è possibile fornire una quantità consistente di EGR durante tutto il transitorio anche a carichi elevati evitando i ritardi caratteristici del sistema LP EGR in termini di gas di ricircolo. Il sistema ibrido ingloba due sottosistemi: di conseguenza sia i costi che gli ingombri sono maggiori sia del LP che dell'hp presi singolarmente ed il sistema di controllo risulta essere più complesso [49] Sovralimentazione nei motori forniti di sistema EGR Come già visto, le caratteristiche relative alla regolazione della sovralimentazione sono strettamente legate alla tipologia di EGR adottata. La complessità di progettazione e gestione del sistema di sovralimentazione a due stadi e del sistema ibrido EGR porta oggi ad escludere l installazione di entrambe le tecnologie sullo stesso motore. Invece, il sistema EGR ibrido accoppiato alla sovralimentazione con turbogruppo avente una turbina a geometria variabile rappresenta un caso tipico e probabilmente il più complesso e completo da analizzare. La regolazione può essere effettuata agendo su tre parametri principali: la sezione utile di passaggio della VTG, l'uso di uno o dell'altro ramo di ricircolo dei gas di scarico ed infine il grado di refrigerazione impostato sullo scambiatore di 125

128 calore del ramo EGR a bassa pressione. In Fig.67 è illustrato qualitativamene l'effetto di questi parametri sulla sovralimentazione Fig.67 Influenza della VGT, della refrigerazione e della variazione da LP ad HP loop sul compressore. Se fissiamo il grado di EGR e incrementiamo la percentuale di gas di ricircolo fatta fluire attraverso il ramo a bassa pressione la potenza fornita alla turbina e quindi al compressore aumenta ossia ci spostiamo verso destra sulla mappa del compressore. Riducendo la sezione di passaggio della turbina aumentiamo la contropressione allo scarico e quindi, a parità di portata elaborata, abbiamo un incremento della potenza fornita al compressore e della pressione di sovralimentazione che si traduce in maggiore aria aspirata dai cilindri e quindi in un incremento della portata che effluisce attraverso la turbina: in definitiva restringere la sezione di passaggio della turbina porta ad un incremento sia del rapporto di compressione sia della portata. Infine la refrigerazione dei gas di ricircolo determina un abbassamento della temperatura della carica entrante nel compressore ossia una riduzione della portata corretta ed un aumento della densità dei gas di ricircolo che permette di introdurre nel motore la stessa portata del caso in cui è assente lo scambiatore di calore con un rapporto di compressione minore raggiunto tramite l'apertura della sezione di passaggio della VTG. La regolazione della sovralimentazione avviene in base alle condizioni di marcia del veicolo in riferimento a due parametri principali: il coefficiente di riempimento del cilindro ed il consumo specifico del motore (BSFC). Ai medi regimi ( giri/min) ed ai bassi carichi del motore si fa ricorso all'uso del ramo EGR ad alta pressione. Nel caso si richieda potenza per un'eventuale accelerazione si procede alla chiusura 126

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