Maria Teresa Petrone

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1 Qualità ambientale e risparmio energetico: il cammino del settore automotive verso la competitività e l eccellenza attraverso lo sviluppo di motori a combustione interna alimentati a biodiesel Progetto di Ricerca e Innovazione a cura di: Maria Teresa Petrone

2 Autore del progetto di Ricerca e Innovazione Ing. Maria Teresa Petrone PhD student Università degli Studi della Basilicata Dipartimento di Ingegneria e Fisica dell Ambiente viale dell Ateneo Lucano, 10 I Potenza Assegnista di Ricerca ENEA Centro Ricerche Trisaia Dipartimento Tecnologie per l Energia, Fonti Rinnovabili e Risparmio Energetico S.S.106 Jonica km I Rotondella (MT) Laureata cum summa laude in Ingegneria Meccanica presso l Università degli Studi della Basilicata, è attualmente iscritta all ultimo anno del corso di Dottorato di Ricerca in Ingegneria dell Ambiente presso la stessa Università dove svolge inoltre attività didattica integrativa e di sostegno ai corsi di Progettazione Termofluidodinamica delle Macchine, Modellistica degli Impianti Motore e Macchine II per i corsi di laurea in Ingegneria Meccanica e Ingegneria per l Ambiente e il Territorio. E titolare di un assegno di ricerca presso il Dipartimento Tecnologie per l Energia, Fonti Rinnovabili e Risparmio Energetico del Centro Ricerche ENEA Trisaia. Vincitrice di una borsa di studio Leonardo da Vinci ha svolto attività di ricerca all estero in qualità di visiting PhD student presso Cenaero (Belgio) ed ha collaborato in qualità di vincitrice di una borsa di studio Galileo a progetti di ricerca svolti presso l ENSAM (Francia). Tra i suoi principali interessi vi sono lo sviluppo di MCI ad alta efficienza e basse emissioni, lo studio teorico-numerico di combustibili alternativi per MCI, la produzione di clean energy da fonti rinnovabili.

3 Premessa Il settore automotive ricopre un ruolo di fondamentale importanza nell economia mondiale in quanto fucina di idee, creatività e innovazione tecnologica. Esso rappresenta il comparto più significativo dell industria manifatturiera e contribuisce in modo sostanziale ai progressi delle attività di ricerca e sviluppo. L Italia vanta una lunga e consolidata tradizione nell ideazione, progettazione e produzione di autoveicoli: da Leonardo da Vinci, ideatore di una serie innumerevole di veicoli dotati di accorgimenti e soluzioni tecniche straordinariamente innovative, sino alla realizzazione del prototipo di un motore a combustione interna ad opera di Eugenio Bersanti e Felice Matteucci nel 1858 a Firenze. Prima la nascita delle prime officine meccaniche (Bianchi a Milano, Isotta Fraschini a Bari, OM a Milano, Fiat a Torino), poi il progressivo affermarsi di marchi quali Lancia, Alfa Romeo, Abarth, Maserati, Lamborghini, Ferrari segna il passaggio dalla storia al mito. Creatività ed elevatissimi standard tecnologici di prodotto caratterizzano il successo competitivo delle imprese operanti nel settore automotive, espressione di perfetta sintesi tra arte stilistica e tecnica ingegneristica. La storia dell auto è la storia delle sue forme, della bellezza ed eleganza, della trasformazione di un idea estetica in realtà, ma anche il frutto del progresso tecnologico e della ritrovata armonia tra uomo e ambiente. Così esperti di design, fiore all occhiello e grande capitale d immagine italiano, incontrano ricercatori in grado di sviluppare tecnologie e soluzioni innovative per il rispetto e la salvaguardia dell ambiente dando vita, in una sorta di scambio sinergico, a nuove strategie competitive per la gestione del cambiamento nel settore automotive. In particolare, l esigenza di una concreta riduzione delle emissioni inquinanti e di un reale abbattimento dei consumi di energia nel settore dei trasporti impone la necessità di sviluppare, accanto a nuove aerodinamiche, nuove tecnologie propulsive ad alta efficienza e basse emissioni. Importanti impulsi verso il miglioramento delle prestazioni energetiche ed ambientali dei veicoli arrivano dallo sviluppo di architetture realizzate secondo la cosiddetta tecnologia ibrida ovvero

4 caratterizzate dalla presenza a bordo di un sistema elettrico che affianca il tradizionale sistema di propulsione, dallo sviluppo di sistemi di reforming catalitico per fuel-cells e, infine, dallo sviluppo di sistemi di iniezione innovativi per il miglioramento dell efficienza di combustione. Numerosi studi, inoltre, sono rivolti alla valutazione degli effetti delle proprietà del combustibile sulle prestazioni e sul livello di emissioni inquinanti dei motori a combustione interna. In particolare, la possibilità di alimentare i motori a combustione interna con biocombustibili (bioetanolo e biodiesel) derivanti da fonti energetiche rinnovabili piuttosto che con combustibili di origine fossile (gasolio e benzina) rappresenta l ultima sfida dell innovazione tecnologica in campo motoristico.

5 Obiettivi scientifici del Progetto di Ricerca e Innovazione Il crescente interesse per problematiche quali l impatto ambientale degli autoveicoli ed il loro consumo energetico porta al rispetto di normative sempre più severe in termini di emissioni inquinanti ed al miglioramento dell efficienza della combustione degli MCI. A tal proposito, l impegno delle case automobilistiche è orientato allo sviluppo di motori a combustione interna caratterizzati da alta efficienza e basse emissioni. In particolare, i più importanti progetti di innovazione nell ambito delle tecnologie propulsive sono legati allo sviluppo di nuovi sistemi di iniezione, alla riduzione dei consumi di combustibile, al controllo delle emissioni inquinanti e all impiego di combustibili alternativi per l alimentazione di motori a combustione interna. Questa attività di ricerca ha come obiettivo finale lo studio teorico-numerico di combustibili alternativi per motori a combustione interna. Il combustibile scelto come riferimento è biodiesel prodotto da oli di origine vegetale; l interesse per tale combustibile è dettato dalla sua natura completamente rinnovabile e dalla sua sostenibilità ambientale. Lo studio teorico consentirà di analizzare le caratteristiche chimico-fisiche di biodiesel producibile da coltivazioni locali, di valutare la sua disponibilità territoriale e, infine, di ottimizzarne i processi di produzione. Il codice di simulazione fluidodinamica multi-dimensionale consentirà di analizzare i complessi principi di funzionamento dei motori Diesel alimentati con combustibili alternativi e di elaborare nuove strategie per la progettazione di motori innovativi eco-compatibili e ad alta efficienza energetica. Eventuali modifiche tecniche, necessarie per l impiego immediato di biocombustibili liquidi negli MCI tradizionali, verranno proposte al termine dell attività di ricerca. L interesse per tale attività di ricerca nasce dalla reale convinzione che, al fine di raggiungere una posizione di vantaggio competitivo sul mercato globale, il sistema economico e sociale del Mezzogiorno deve mettere a sistema tutte le risorse territoriali creando, attraverso nuove forme di collaborazione locale tra Università, Centri di Ricerca e Piccole Medie Imprese, nuovi fattori di sviluppo e competitività dei sistemi produttivi.

6 Fasi del Progetto di Ricerca e Innovazione Analisi qualitativa di biodiesel per applicazioni automotive La possibilità di alimentare i motori a combustione interna con biocombustibili (bioetanolo e biodiesel) derivanti da fonti energetiche rinnovabili piuttosto che con combustibili di origine fossile (gasolio e benzina) rappresenta l ultima sfida dell innovazione tecnologica in campo motoristico. L obiettivo di questa fase del Progetto di Ricerca e Innovazione è la valutazione degli aspetti qualitativi di biodiesel per l alimentazione di motori Diesel ad iniezione diretta. Le principali caratteristiche chimico-fisiche prese in considerazione saranno il numero di cetano, la densità, la volatilità, la viscosità e la tensione superficiale. Saranno altresì ottimizzati i processi di produzione di biodiesel da coltivazioni locali attraverso la stima della disponibilità territoriale di materia prima e la scelta delle tecnologie impiantistiche più innovative. Studio teorico-numerico sull utilizzo di biocombustibili liquidi per l alimentazione dei motori a combustione interna L ottimizzazione della fase di combustione è senza dubbio il fattore più importante nella fase di progettazione e sviluppo degli MCI ad elevata efficienza. A tal proposito, le linee di ricerca seguite sino ad oggi hanno riguardato principalmente la progettazione di sistemi di iniezione innovativi a controllo elettronico (common rail), il direzionamento dello spray di combustibile iniettato in camera e l ottimizzazione della geometria della camera di combustione. Proposte di ricerca innovative riguardano lo sviluppo di propulsori alimentati con combustibili alternativi. Questa fase dell attività di ricerca riguarda la messa a punto di un codice numerico di simulazione per motori alternativi a combustione interna alimentati a biodiesel. In particolare, il modello numerico permette di analizzare il processo di accensione nei motori Diesel ad iniezione diretta. In tali motori, il processo di mescolamento tra combustibile iniettato in camera di combustione ed aria circostante e la conseguente autoaccensione del combustibile rappresentano fenomeni di fondamentale importanza per l evoluzione della combustione e la formazione di specie

7 inquinanti. uando il tempo caratteristico della chimica è molto più piccolo di quello della turbolenza, il mescolamento tra i reagenti controlla la comparsa degli spot di accensione, il tempo di ritardo di accensione, l efficienza della combustione e la formazione dei prodotti di reazione tra cui le specie chimiche inquinanti. Tutte queste argomentazioni giustificano il forte interesse nello studio della regione del getto dove avviene il mescolamento tra i reagenti (reacting mixing layer) e del fenomeno dell accensione. La trattazione di tale fenomeno richiede la messa a punto di uno strumento di indagine adatto a simulare accuratamente sia la chimica sia la fluidodinamica del fenomeno della combustione. Il processo di combustione implica una forte interazione tra i fenomeni fluidodinamici turbolenti e la chimica delle reazioni: la turbolenza può accelerare il processo di combustione favorendo il miscelamento dei reagenti e lo spegnimento della fiamma in presenza di deformazioni troppo elevate delle particelle fluide; le reazioni chimiche esotermiche generano variazioni di densità nel flusso che vanno ad alterare il comportamento fluidodinamico del fenomeno. Da un punto di vista numerico, la forma discretizzata delle equazioni di conservazione della massa, della quantità di moto e dell energia per una miscela multi-componente di specie chimicamente reagenti rappresenta il modello matematico per la simulazione del campo di moto che si sviluppa in un ampio intervallo di scale spaziali e temporali, dalla scala di Kolmogorov a quella caratteristica dei grandi vortici turbolenti. In particolare, l approccio classico è quello di scrivere le equazioni di Navier-Stokes mediate alla Reynolds (RANS) implementando opportuni modelli di turbolenza per la chiusura del sistema. Questa metodologia, pur implicando che l accuratezza della soluzione dipenda fortemente dalla validità del modello di turbolenza utilizzato e pur causando una notevole perdita di informazioni locali ed istantanee, è caratterizzata da un elevata efficienza computazionale. Essa, pertanto, fornisce informazioni per l ottimizzazione del funzionamento dei motori a combustione interna e per una prima comprensione dei vari processi coinvolti. Il codice verrà interamente parallelizzato impiegando le direttive standard della Message Passing Interface (MPI). L efficienza di parallelizzazione del codice verrà testata su un Linux Beonwulf Cluster HP-IA32 con 40 nodi biprocessore ProLiant DL360 presso il Laboratorio di Macchine - Sezione Computazionale dell Università degli Studi della Basilicata. Esso verrà impiegato per simulare il comportamento in camera di combustione di getti tridimensionali chimicamente reagenti al variare delle condizioni iniziali di temperatura e velocità ed il loro effetto sul tempo di ritardo dell accensione, sulla localizzazione degli spot di accensione e sulla dinamica dell accensione stessa. Per ogni esempio applicativo verranno eseguite diverse simulazioni al variare del combustibile impiegato (gasolio tradizionale e biodiesel) ed i risultati ottenuti saranno confrontati tra loro e con quelli disponibili in letteratura.

8 Modifiche tecniche per motori Diesel ad iniezione diretta alimentati a biodiesel Il punto di forza dei biocombustibili liquidi risiede nei vantaggi energetici ed ambientali derivanti dal loro utilizzo su larga scala nel settore automobilistico. Tuttavia, l impiego di biodiesel nei motori a combustione interna tradizionali presenta purtroppo una serie di problematiche di tipo tecnico e tecnologico. Tali problematiche saranno evidenziate dall analisi dei risultati ottenuti a valle dello studio teorico-numerico. In prima approssimazione, è possibile prevedere l insorgenza di una serie di problemi di carattere ingegneristico legati principalmente alla compatibilità e durata dei materiali, all influenza sull olio lubrificante, al calo delle prestazioni del sistema di iniezione e, infine, alla durata e alle performance del motore (coppia, potenza e consumo specifico). Questa ultima fase dell attività di ricerca prevede l analisi di tutte le problematiche connesse all impiego di biocombustibili liquidi (biodiesel) per l alimentazione di motori a combustione interna e l individuazione delle possibili soluzioni progettuali volte a migliorarne l efficienza energetica.

9 Risultati attesi e ricadute industriali Le ricadute industriali di tale attività sono molteplici. La più importante riguarda la possibilità di impiego, in tempi brevi, di combustibili alternativi per l alimentazione di motori a combustione interna su veicoli attualmente in produzione. Essa comporta da un lato la nascita in Basilicata di imprese spin-off della ricerca per la progettazione e lo sviluppo di sistemi di propulsione innovativi e, infine, il trasferimento di conoscenza ad alto contenuto tecnologico alle grandi case automobilistiche operanti sul territorio nazionale ed internazionale. Inoltre, essa vede la Basilicata come capofila di una filiera agricola destinata alla produzione no food di oli di origine vegetale e la nascita di impianti per la produzione di biodiesel.

10 Risorse disponibili per la realizzazione del Progetto di Ricerca e Innovazione. Le risorse per la realizzazione del Progetto di Ricerca e Innovazione consistono in: calcolatore parallelo a memoria distribuita di tipo Linux Beowulf Cluster con 40 nodi biprocessore Intel Xeon; quadriprocessore parallelo a memoria condivisa Compaq ES40; postazioni di lavoro per l accesso remoto ai calcolatori paralleli; banco prova motore. Esse si trovano rispettivamente presso il Laboratorio di Macchine - Sezione Computazionale ed il Laboratorio di Motori a Combustione Interna per il Trasporto Terrestre dell Università degli Studi della Basilicata ed il Dipartimento ed il Dipartimento Tecnologie per l Energia, Fonti Rinnovabili e Risparmio Energetico del Centro Ricerche ENEA Trisaia.

11 Si ringraziano per la costante disponibilità ed i preziosi consigli: Prof. Ing. Vinicio MAGI Professore Ordinario Università degli Studi della Basilicata Dipartimento di Ingegneria e Fisica dell Ambiente viale dell Ateneo Lucano, 10 I Potenza Ing. Giacobbe BRACCIO Responsabile Unità di Ricerca ENEA Centro Ricerche Trisaia Dipartimento Tecnologie per l Energia, Fonti Rinnovabili e Risparmio Energetico S.S.106 Jonica km I Rotondella (MT) Dott. Egidio VIOLA Ricercatore ENEA Centro Ricerche Trisaia Dipartimento Tecnologie per l Energia, Fonti Rinnovabili e Risparmio Energetico S.S.106 Jonica km I Rotondella (MT)

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