MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA INNOVATIVI A RIDOTTO IMPATTO AMBIENTALE

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1 MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA INNOVATIVI A RIDOTTO IMPATTO AMBIENTALE Stefano Frigo, Ettore Musu, Riccardo Rossi, Roberto Gentili (Dipartimento di Ingegneria dell Energia e dei Sistemi) Montecatini Terme, Maggio 2012

2 I VEICOLI E L AMBIENTE Secondo numerosi studiosi, l incremento nell atmosfera di sostanze inquinanti e di gas serra, in primis l anidride carbonica, dipende fortemente dall aumento di energia prodotta da fonti fossili, delle quali tra l altro si paventa l esaurimento. In campo veicolistico molti studi sono volti perciò alla mobilità sostenibile, ovvero a soluzioni atte a ridurre l emissione di sostanze inquinanti e di anidride carbonica e, più in generale, il consumo dei combustibili derivati dal petrolio. Diverse le linee di ricerca: dalla riduzione della massa del veicolo, alla propulsione elettrica ed ibrida, a combustibili alternativi, a motori termici innovativi.

3 I MOTORI Molto si fa per ridurre emissioni inquinanti e consumi (quindi anche l emissione di anidride carbonica) dei motori. Per migliorare il rendimento dei motori ad accensione comandata si punta su downsizing, sovralimentazione, iniezione diretta, fasatura variabile. Per ridurre le emissioni dei Diesel si ricorre a sistemi d iniezione sempre più evoluti ad altissima pressione, nonché su postrattamenti sempre più efficaci dei gas di scarico. Vengono studiati sistemi di combustione innovativi. Vengono impiegati sistemi elettronici di controllo sempre più efficienti. Sta diffondendosi l uso di motori elettrici per azionare alcuni ausiliari con più efficacia e minore spesa energetica.

4 RICERCHE MOTORISTICHE IN CORSO A titolo esemplificativo si descrivono sinteticamente tre studi sui motori condotti presso il DESE dell Università di Pisa. Il primo è relativo ad un motore alimentato ad idrogeno e caratterizzato da un innovativo sistema d iniezione diretta a due stadi. Il secondo ha per oggetto l alimentazione di un motore ad accensione comandata con ammoniaca più una modesta quantità di idrogeno. Il terzo riguarda un nuovo concetto di motore Diesel denominato HCPC, finalizzato all ottenimento sia di bassissime emissioni inquinanti che di un alto rendimento.

5 SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA DI H2 A DUE STADI Il sistema di iniezione di H 2 ideato unisce i vantaggi dell iniezione diretta (alta potenza specifica, nessun ritorno di fiamma nel collettore di aspirazione) con quelli dell iniezione indiretta (massimo sfruttamento della pressione residua nel serbatoio ~ 12 bar).

6 PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELL INIEZIONE A DUE STADI L idrogeno viene dapprima immesso all interno di una precamera nella quantità voluta grazie ad un normale elettro-iniettore, dopo viene iniettato nel cilindro per mezzo di una valvola a fungo comandata meccanicamente, che, grazie all elevata sezione di passaggio, consente le elevate portate volumetriche necessarie. Valvola di iniezione Precamera Elettro-iniettore

7 INIEZIONE DIRETTA A DUE STADI: PRIME FASI DELLA RICERCA La realizzazione del prototipo è stata preceduta da un attività numerica che ha consentito una prima validazione della soluzione ed anche di dimensionare le varie parti del sistema di iniezione. Posizione candela Distribuzione dell idrogeno al momento dell accensione a piena potenza e 6000 giri/min Posizione candela Distribuzione dell idrogeno al momento dell accensione a bassa potenza e 3000 giri/min

8 A seguito dei risultati dell attività CFD è stato allestito un prototipo modificando il motore Aprilia-Rotax da 650 cm 3 che ha equipaggiato, sino al 2004, la moto Aprlia Pegaso 650. Valvole di aspirazione Valvola di iniezione dell idrogeno Testa originale Testa modificata

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10 INIEZIONE DIRETTA A DUE STADI: RISULTATI SPERIMENTALI La fase iniziale dell indagine sperimentale è stata dedicata alla verifica del funzionamento del sistema di iniezione ed alla misura delle prestazioni del motore. Prima di tutto è stato analizzato il corretto funzionamento del sistema di iniezione a due stadi e se le sue caratteristiche complessive (pressione nella precamera, fasatura della valvola di iniezione, pressione della linea di alimentazione dell idrogeno, ecc.) fossero adeguate al raggiungimento delle prestazioni previste. Il motore ha dimostrato un comportamento regolare, erogando la massima potenza con λ~1 senza detonazioni e/o problemi di combustione. La fasatura di accensione ottimale a pieno carico è 3 dopo il PMS. Potenza (kw) Potenza H2 18 Potenza Benzina 15 Coppia H2 Coppia Benzina rpm Coppia (Nm)

11 INIEZIONE DIRETTA A DUE STADI: IMPLEMENTAZIONE DEL SISTEMA SU UN MOTORE PLURICILINDRICO È stata anche valutata la possibilità di adottare una versione migliorata del sistema d iniezione diretta d idrogeno a due stadi in un motore pluricilindrico, con poche modifiche alla configurazione del motore. Per l applicazione specifica è stato scelto il motore FIAT 1,6 l, 16v Blupower.

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14 MOTORE AD AMMONIACA-IDROGENO Montecatini Terme, Maggio 2012 Lo stoccaggio dell idrogeno a bordo del veicolo è un problema di non semplice ed economica soluzione. Un alternativa consiste nello stoccare l idrogeno sotto forma di ammoniaca, che a temperatura ambiente è liquida a soli ~ 9 bar e quindi comporta ingombri e masse relativamente piccoli e serbatoi poco costosi. Attraverso processi di reforming catalitico, da effettuarsi a bordo del veicolo, dall ammoniaca può essere estratto idrogeno da utilizzare in celle a combustibile o in motori a combustione interna. Nel caso dei motori a combustione interna, è conveniente utilizzare direttamente l ammoniaca come combustibile, ma vi sono problemi soprattutto a causa della bassa velocità di fiamma e dell alta energia di innesco propri delle miscele aria-ammoniaca. Questo rende il comportamento del motore molto irregolare, con grosse difficoltà negli avviamenti a freddo. Vi è quindi la necessità di abbinare all ammoniaca altri combustibili che ne incrementino le qualità di combustione. L idrogeno è quello che dà i benefici migliori, essendo contraddistinto da alta velocità di fiamma e bassa energia di innesco, caratteristiche opposte e quindi complementari rispetto a quelle dell ammoniaca.

15 Le prove al banco hanno confermato la necessità di addizionare idrogeno all ammoniaca in una percentuale minima, che in energia varia da circa il 7% a pieno carico ad un 10% a medio carico, per garantire un comportamento regolare del motore (bassa dispersione ciclica, facilità di avviamenti a freddo). A pieno carico, il motore ha erogato una potenza, rispetto a quella del motore alimentato a benzina, inferiore di circa il 10% ai bassi regimi di rotazione e di circa il 25% agli alti regimi. Iniettori idrogeno Iniettori ammoniaca a

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17 MOTORE DIESEL INNOVATIVO: HOMOGENEOUS CHARGE PROGRESSIVE COMBUSTION Molte ricerche vengono svolte sulla combustione HCCI (Homogeneous-charge, compressionignition), che viene considerata una soluzione assai promettente al fine di ridurre le emissioni inquinanti, specie di ossidi azoto e di particolato, nei motori funzionanti sia a benzina che a gasolio. Purtroppo ad oggi la combustione HCCI è ruvida e rumorosa, poiché comporta alti gradienti di pressione, nonostante se ne moderi l andamento diluendo fortemente la carica con gas combusti. Inoltre essa non si estende a tutte le condizioni operative del motore, che deve quindi poter funzionare anche in modalità convenzionale (ad accensione comandata o Diesel). Per mantenere i pregi della combustione HCCI e superarne i limiti, si è studiato un nuovo concetto di combustione per motori Diesel, denominato Homegeneous Charge Progressive Combustion (HCPC). Il principio è di far affluire gradualmente nel cilindro una carica omogenea precompressa durante la fase di combustione, in modo che l andamento di quest ultima venga controllato dall afflusso della carica e non dalla presenza dei gas residui, la cui funzione si limita al controllo delle emissioni di ossidi azoto (riducono la pressione parziale dell ossigeno e le temperature locali).

18 La soluzione costruttiva è del tipo split cycle. Le fasi di aspirazione e di compressione sono effettuate in un cilindro (cilindro compressore) diverso da quello (cilindro combustore) nel quale avvengono le fasi di combustione, espansione e scarico. Durante la fase di combustione il fluido è trasferito dal cilindro compressore a quello combustore grazie ad un opportuno sfasamento tra i due cilindri, i quali vengono messi in comunicazione mediante un condotto ed una valvola posta all uscita del cilindro compressore. Durante tale trasferimento, viene iniettato nel condotto il combustibile, che, date le condizioni di elevata turbolenza e temperatura, evapora, si miscela pressoché omogeneamente con l aria e si autoaccende, dando luogo a combustione omogenea nel cilindro combustore.

19 È stata condotta una vasta attività di simulazione numerica nella quale sono state considerate diverse varianti del motore. Dominio di calcolo del motore HCPC all apertura della valvola di trasferimento (codice AVL Fire) Andamento del combustibile iniettato

20 Il motore HCPC produce emissioni di particolato ordini di grandezza più basse rispetto a quelle di un Diesel convenzionale Mappe di temperatura, rapporto di equivalenza e frazione massica di particolato a 10, 20, 30 dopo il PMS

21 Il motore HCPC per applicazioni pesanti rispetta la normativa EURO 6 senza bisogno di complicati e costosi sistemi di trattamento dei gas di scarico (Filtro antiparticolato, SCR), mantenendo un efficienza paragonabile o superiore al motore Diesel convenzionale HCPC Diesel Rendimento indicato 47.0% 45.9% HC [g/kwh] CO [g/kwh] Soot [g/kwh] NOx [g/kwh]

22 MOTORE HCPC Rispetto ad una combustione Diesel convenzionale, si ha una grandissima riduzione delle emissioni di particolato, quasi nullo fino a rapporti d equivalenza globali dell ordine di 0,85 e si ottengono anche un alto rendimento indicato (superiore al 45%) ed un elevata potenza specifica. Con un moderato livello di EGR anche le emissioni di ossidi d azoto scendono ai valori delle migliori combustioni HCCI. Il motore HCPC per applicazioni pesanti rispetta i limiti della normativa EURO 6 senza bisogno di complicati e costosi sistemi di post trattamento dei gas di scarico e mantenendo un rendimento dello stesso livello o superiore a quello di un motore Diesel convenzionale. La combustione avviene gradualmente, così la salita di pressione è lineare senza alti gradienti, con benefici riguardo alla silenziosità e dolcezza di funzionamento del motore rispetto ai motori Diesel e HCCI odierni.

23 Grazie per l attenzione Montecatini Terme, Maggio 2012