CONTROLLO E RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DA MOTORI ALIMENTATI A BIOMASSA LIQUIDA

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1 CONTROLLO E RIDUZIONE DELLE EMISSIONI DA MOTORI ALIMENTATI A BIOMASSA LIQUIDA MOTORE DIESEL

2 GRANDEZZE CARATTERISTICHE I motori a combustione interna vengono caratterizzati con alcuni importanti parametri che definiscono le caratteristiche principali: Cilindrata volume complessivo disponibile per i fluidi di lavoro Regime di rotazione velocità del motore, giri/minuto o radianti al secondo Potenza lavoro reso nell unita di tempo Pressione media effettiva la pressione equivalente ad un lavoro costante sulla cilindrata Rapporto di compressione rapporto tra i volumi max e min, legato al rendimento Rendimento quantità di energia chimica convertita in en meccanica Consumo di carburante resa del motore

3 Ciclo diesel Schematizzazione delle fasi del Ciclo Diesel

4 Ciclo diesel Schematizzazione sul piano Pressione-Volume confronto Otto, Diesel

5 Ciclo diesel Fasi ciclo Diesel sviluppate sull angolo dell albero motore.

6 Ciclo diesel Fasi ciclo Diesel diagramma polare sull angolo dell albero motore.

7 PROCESSO DI COMBUSTIONE Il grafico rappresenta lo sviluppo tipico della pressione in funzione dell'angolo di manovella, in assenza di combustione (linea tratteggiata) e con regolare iniezione di combustibile (linea continua), nel cilindro di un motore Diesel sovralímentato. Nella figura sono inoltre visualizzate: la curva della frazione in massa xb(θ) di gasolio bruciato (curva tratto-punto) e la curva di rilascio di calore (dqb/dθ) per ogni angolo della manovella (curva tratteggiata). Nella figura si possono distinguere quattro fasi principali nel processo di combustione: 1. la prima (AB = ritardo): esso inizia all'istante in cui il combustibile incomincia a penetrare in camera di combustione e termina quando si avvia la fase dicombustione; 2. la seconda (BC = combustione rapida o premiscelata): è caratterizzata da una veloce propagazione della combustione a tutta la carica premiscelata (combustibilearia) formatasi durante il ritardo di accensione, provocando un forte incremento di pressione e rilascio di calore; 3. nella terza fase (OD = combustione controllata o diffusiva): si ha la combustione, regolata dai processi di diffusione, dei nucleo centrale dei getto e del combustibile successivamente iniettato, man mano che entra in camera di combustione, per cui la quantità di calore liberata può essere graduata attraverso il controllo dell'iniezione; 4. nell'ultima fase (DE = completamento combustione): l'iniezione è terminata, ma viene portata a termine la combustione dei gasolio iniettato in precedenza.

8 REGOLAZIONE DELLA POTENZA Regolazione della potenza I motori ad accensione per compressione bruciano un combustibile poco volatile. Questo impone l iniezione di uno spray di combustibile direttamente in camera di combustione senza avere premiscelamento con l aria come avviene nei motori ad accensione comandata. Il combustibile iniettato ad alta velocità in camera di combustione si presenta inizialmente come una colonna liquida compatta e successivamente si polverizza in una moltitudine di gocce di piccole dimensioni che si allontanano reciprocamente facendo assumere al getto la forma di un cono. La miscela combustibile-comburente è il risultato di un complesso processo di interazione aria-spray regolato dalle caratteristiche dello spray, dai moti secondari e dall intensità di turbolenza dell aria e dalla rapidità con la quale il combustibile liquido evapora. Il processo di combustione risultante è prevalentemente diffusivo e non dipende dal rapporto aria-combustibile globale ma da quello locale. I motori Diesel lavorano, perciò, con eccesso d aria e la regolazione della potenza è realizzata variando la portata di combustibile.

9 REGOLAZIONE DELLA POTENZA Regolazione della potenza La pressione media effettiva dipende direttamente dalla massa di combustibile per ciclo ed è limitata superiormente da: - limiti sulle emissioni inquinanti ai bassi regimi; - massimi carichi termici agli alti regimi (prossimi al regime di massima potenza). Considerando che la quantità di combustibile iniettata per ciclo è piccola e che la regolarità del processo di combustione è determinata dalle caratteristiche dello spray di combustibile, il compito del sistema di iniezione in un motore ad accensione per compressione è particolarmente complesso. Il sistema di alimentazione del combustibile nei motori Diesel deve garantire quindi: - alta pressione di iniezione; - quantità di combustibile adeguata al carico; - fasatura (corretti istanti di inizio e fine iniezione); - uniformità di alimentazione fra i vari cilindri; - caratteristiche dello spray tali da ottenere un processo di combustione regolare e basse emissioni inquinanti in tutto il campo di funzionamento del motore.

10 REGOLAZIONE DELLA POTENZA Variazioni tipiche del rapporto aria fuel all interno della camera di combustione in funzione del carico. All aumentare del carburante iniettato in camera di combustione la Pme cresce proporzionalmente fino ad arrivare a valori limite per: Inquinamento Carichi termici Carichi meccanici Rumore.

11 SPRAY DIESEL La formazione dello spray in camera di combustione è il principale elemento che caratterizza emissioni, rumore, prestazioni e durate nei motori diesel.

12 SPRAY DIESEL La formazione dello spray in camera di combustione è il principale elemento che caratterizza emissioni, rumore, prestazioni e durate nei motori diesel.

13 SPRAY DIESEL Atomizzazione primaria Insorgere di oscillazioni aerodinamiche In grado di frantumare il fluido in gocce. Atomizzazione secondaria superamento di valori limite del N di Re aumentano la nebulizzazione.

14 SPRAY DIESEL.

15 RITARDO DI ACCENSIONE Nella fase iniziale dell iniezione, le prime goccioline di combustibile introdotte nel cilindro vengono in contatto con l aria compressa avente una temperatura già elevata, ma che sarà ulteriormente incrementata dall innesco della combustione. In questo tipo di motori la combustione avviene spontaneamente, a seguito del riscaldamento (e conseguente evaporazione) del combustibile contenuto in ciascuna gocciolina, riscaldamento provocato dalla cessione di calore da parte dell aria calda al combustibile freddo appena iniettato. Risulta evidente che le goccioline di combustibile introdotte nel cilindro nella fase iniziale dell iniezione si troveranno in un ambiente caratterizzato da una temperatura minore, rispetto a quelle che saranno introdotte a combustione già avviata. La conseguenza di ciò è che il combustibile delle prime goccioline iniettate inizierà a bruciare con un ritardo maggiore rispetto a quello introdotto successivamente, per via della maggiore lentezza nella cessione del calore dovuta alla minore temperatura del fluido circostante. Nella prima parte dell iniezione si verifica quindi un accumulo di goccioline nell intorno dell iniettore, che inizieranno a bruciare tutte insieme.

16 Classificazione dei sistemi di iniezione Diversi sistemi di iniezione sono stati sviluppati per i motori Diesel nel tempo, generalmente classificati come segue: 1. sistema di iniezione con una pompa per cilindro che fornisce all istante e per il tempo necessari la portata di combustibile richiesta all iniettore corrispondente; in questo caso la pompa è responsabile della pressione di iniezione, della quantità di combustibile iniettata e della fasatura, mentre gli iniettori, ad apertura automatica, sono responsabili delle caratteristiche dello spray; 2. sistema di iniezione con pompa singola e distributore in cui un unica pompa fornisce il combustibile con pressione e portata adeguate a tutti gli iniettori ad apertura automatica e un distributore apre il collegamento fra la mandata della pompa e l iniettore che deve aprire, occupandosi in parte della fasatura;

17 Classificazione dei sistemi di iniezione 3. sistema di iniezione con accumulatore di pressione in cui un unica pompa di alimentazione fornisce continuamente combustibile in pressione ad un accumulatore da cui si dipartono i collegamenti con gli iniettori ad apertura comandata; l accumulatore ha la funzione di smorzare le oscillazioni di pressione, gli iniettori sono responsabili della quantità di combustibile iniettata, della fasatura e delle caratteristiche dello spray e la pompa fornisce soltanto la pressione di iniezione adeguata; possono rientrare in questa classe anche i sistemi con accumulo a bassa pressione e con iniettori-pompa, in cui cioè gran parte della pressione di iniezione è ottenuta attraverso un pompante posto in corrispondenza dell iniettore o attraverso lo spillo dell iniettore stesso; 4. sistema di iniezione con accumulatore e distributore la cui unica differenza con il precedente è la presenza di un distributore a valle dell accumulatore che apre i collegamenti con i vari iniettori ad apertura automatica all istante e per il tempo desiderati. In passato i motori Diesel erano tutti equipaggiati con sistemi di iniezione meccanica con pompa in linea con un numero di pompanti alternativi con pistone rotante pari al numero dei cilindri.

18 POMPE IN LINEA

19 COMMON RAIL

20 COMMON RAIL A differenza dei sistemi classici, il Common Rail prevede che la generazione di pressione sia disaccoppiata rispetto all iniezione: ciò significa che la pressione viene generata indipendentemente dal numero di giri e dalla quantità di carburante e può essere selezionata all interno di un intervallo prefissato (attualmente da 150 a 1800 bar). Il componente che rende possibile il disaccoppiamento è l accumulatore ad alta pressione; Gli iniettori sono ad apertura comandata elettricamente tramite solenoide. Il sistema è gestito in modo completamente elettronico e consente la generazione di iniezioni multiple (pilota, gestione post-iniezione). Oggi i motori Diesel competono in termini di prestazioni con quelli ad accensione comandata, garantendo nel contempo consumi specifici nettamente inferiori. L introduzione del sistema CR consente: - elevate pressioni di iniezione, fino a 1600 bar nei sistemi già industrializzati e fino a 1800 bar in quelli di nuova generazione; - controllo della pressione e dei parametri di iniezione ( free mapping ) indipendente dal regime di rotazione del motore e in funzione di un gran numero di parametri motoristici e operativi. Componenti del sistema : - un circuito idraulico di alta pressione costituito dalla pompa di alta pressione, dall accumulatore comune, dagli elettroiniettori e dai vari condotti; un circuito idraulico di bassa pressione costituito da un elettropompa, da più stadi di filtraggio e dai vari condotti di mandata e di ritorno; - una centralina elettronica.

21 INIETTORE POMPA il sistema iniettore pompa integra in un solo corpo una pompa con un singolo iniettore. L idea nasce dal fatto che per poter realizzare pressioni altissime, è necessario portare la pompa vicino all iniettore perché alle alte pressioni nascono problemi di elasticità delle tubazioni e persino di compressibilità del liquido, con conseguenti colpi d ariete Nel gruppo iniettore-pompa, direttamente sulla testa del cilindro, è alloggiato un gruppo pompante di tipo alternativo (a stantuffo) azionato meccanicamente dall albero a camme del motore con una bilanciere. Una valvola comandata elettronicamente (elettrovalvola a solenoide) varia l apertura della mandata, permettendo così di regolare la portata. L iniettore è ad apertura automatica. La centralina che presiede all iniezione determinando, con la valvola elettromagnetica, la quantità di gasolio per ogni pompata, riceve segnali da: pedale dell acceleratore, velocità di rotazione del motore, velocità di rotazione dell albero a camme di comando degli iniettori, temperatura liquido di raffreddamento, pressione aria condotto di alimentazione.

22 INIETTORE POMPA Il vantaggio del sistema iniettore-pompa rispetto al CR è la possibilità di raggiungere pressioni di iniezione più elevate; i sistema attualmente in commercio permettono di ottenere una pressione massima del gasolio di circa 2050 bar. Questo riduce i tempi di iniezione e migliora la polverizzazione del getto, permettendo di raggiungere coppie e potenze più elevate. Gli svantaggi sono, però, diversi: - l iniettore-pompa è molto più ingombrante di un elettroiniettore da CR e richiede una riprogettazione della testa del cilindro per essere alloggiato, - i pompanti degli iniettori sono trascinati e in fase con il motore e questo rende meno flessibile la strategia di iniezione; è possibile per il momento soltanto una preiniezione di pochi mm3 di gasolio ai bassi regimi; - la centralina elettronica controlla solo la portata di gasolio iniettata e non gli istanti di apertura e chiusura dello spillo.

23 INIETTORE POMPA

24 FORMAZIONE DI INQUINANTI NEL DIESEL Schematizzazione dello Spray di carburante con le zone sensibili alla formazione dei vari inquinanti. Zona A di parziale combustione, idrocarburi incombusti. Zona B prodotti di completa combustione Zona C prodotti di completa ossidazione e NOx a carico parziale, Particolato a pieno carico. Zona D prodotti di ossidazione incompleta e particolato.

25 IDROCARBURI INCOMBUSTI - HC Gli HC possono avere ragioni diverse per la loro formazione: possono generarsi nella parte periferica della miscela dove la concentrazione di combustibile è troppo bassa per portare all autoaccensione e propagazione del fronte di fiamma. Si possono verificare fenomeni di cracking e parziale ossidazione del combustibile. Alcuni HC si possono generare nella parte centrale del getto dove la carenza locale di ossigeno non permette la totale ossidazione nelle fasi di pieno carico. Per i motori di piccolo alesaggio una parte considerevole della mscela raggiunge le pareti prima della completa ossidazione. La parte di combustibile rimasta nel pozzetto dell iniettore può essere aspirata in camera di combustione dopo che l iniettore sia chiuso, questa viene scaricata ancora incombusta. CO Non è un problema per i motori diesel, la grande presenza di ossigeno porta all ossidazione in CO2.

26 OSSIDI DI AZOTO - NOx Gli NOx derivano dalla dissociazione di N2 e O2: i combustibili non contengono azoto, ma è il 76% di N2 che compone il comburente unito al 21% di O2 alle alte temperature si dissociano e formano ossidi di azoto. La cinetica chimica è legata in modo esponenziale alla temperatura e in modo lineare alle concentrazione delle specie ([N2] e [O2]), e teoricamente al calare delle temperature dovrebbe riportare le concentrazioni all equilibrio. Cio non è valido per rapidi cali di temperature. Nel processo di combustione del motore diesel, al momento dell apertura delle valvole di scarico e dell espulsione dei gas, si ha un Congelamento delle specie. Buona parte degli ossidi di azoto rimane nelle corrente dei gas anche a temperature ridotte! Le parti di miscela piu sensibili alla formazione di NOx sono: Le prime parti di miscela perché hanno elevata percentuale di ossigeno e subiscono l elevato surriscaldamento dovuto alla combustione della parte centrale del getto. Le parti centrali del getto perche si raggiungono temperature piu elevate, ma solo se siamo a carichi parziali. Infatti la percentuale di ossigeno è molto influente alla formazione di NOx, e solo ai carichi parziali genera elevati valori di NOx.

27 PARTICOLATO - PM durante la fase premiscelata la parte ricca della miscela brucia, genera i precursori del particolato e si consuma tutto l ossigeno richiamato; durante la fase diffusiva, alimentata dai gas caldi residui della fase premiscelata, si forma la maggior parte dei NOx; durante tale fase il particolato può essere ossidato se la durata della fiamma diffusiva e la disponibilità di ossigeno lo consentono; la formazione di particolato è dunque il risultato di un equilibrio dinamico tra i meccanismi di formazione e di ossidazione. La formazione del particolato può essere suddivisa secondo tre fasi: formazione dei nuclei precursori, crescita di dimensioni dei nuclei carboniosi, accumulazione in particelle di diametro maggiore. La distribuzione dei diametri delle particelle risulta tipicamente bimodale; i due modi vengono detti di nucleazione ed accumulazione

28 ACCORGIMENTI A LIVELLO MOTORISTICO I PRINCIPALI INTERVENTI PER CONTENERE GLI INQUINANTI GASSOSI: Adozione del ricircolo dei gas di scarico per abbassare la concentrazione di ossigeno, contenere la cinetica di reazione e quindi le temeprature in camera di combustione (EGR Exhaust gas recirculation). Riduzione NOx. raffreddare l aria di aspirazione, abbassando la temperatura dei componenti della miscela si abbassano le emissioni di ossidi di azoto. Intercooler Controllare il tempo di iniezione, diventa fondamentale avere trovare gli equilibri tra rendimento termico (costi carburante), emissioni di NOx, e di particolato. (ritardo d iniezione). Controllare la modalità di iniezione, tempo, quantità e parzializzazione dello spray (common rail). controllare la carica di aria nei cilindri, la geometria dei condotti diventa fondamentale per velocizzare i processi di combustione. Turbine con geometrie variabili per avere i rapporti aria carburante costanti anche in fasi di carico parziale. Controllare il carburante cercando: poco zolfo, alta volatilità, facile accendibilità, basse temperature di fine distillazione, bassi aromatici.

29 EFFETTO MULTIJET

30 MOTO DELL ARIA La dosatura del combustibile non è sufficiente da sola a garantire buone prestazioni (coppia e potenza) del motore. Nei motori a combustione interna, soprattutto in quelli Diesel, il campo di moto all interno del cilindro gioca un ruolo fondamentale. I dettagli relativi al campo di moto dell aria all interno del cilindro controllano: - il processo di miscelamento aria-combustibile sia in termini di preparazione della carica premiscelata, che in termini di evaporazione e combustione delle gocce che bruciano con fiamma di tipo diffusivo; - lo scambio termico con le pareti del condotto; - la concentrazione degli inquinanti allo scarico. Questo significa che diventa essenziale essere in grado di predire le caratteristiche del campo di moto e intervenire affinché esse favoriscano le prestazioni del motore. Questo è oggi possibile grazie sia allo sviluppo di tecniche sperimentali avanzate (anemometria a filo caldo, anemometria laser-doppler, PIV ecc.) che alla disponibilità di elevate risorse computazionali e di avanzati modelli di calcolo.

31 MOTO DELL ARIA - TURBOLENZA I campi di velocità all interno del cilindro di un motore sono fortemente non stazionari con elevate intensità di turbolenza. Il flusso è turbolento e composto da vortici di dimensione variabile. L energia si trasferisce dai vortici di dimensioni maggiori, fortemente instabili, a vortici di dimensioni via via più piccole. I vortici di dimensione minima scompaiono per effetto di una dissipazione della loro energia cinetica ad opera delle forze viscose. In un flusso turbolento, si generano fluttuazioni di velocità, temperatura, densità, pressione e concentrazione. L influenza di tali componenti di fluttuazione sulle reazioni, sul rilascio del calore e sulla struttura della fiamma dipende dai relativi tempi caratteristici associati a ciascun elemento. Oltre alla turbolenza, il campo di moto all interno del cilindro di un motore a combustione interna è caratterizzato dalla presenza di moti secondari organizzati di tipo rotatorio sia su piani perpendicolari all asse del cilindro, sia su piani passanti per tale asse. E, in genere, intervenendo su di essi che si cerca di favorire il processo di formazione della carica e la combustione.

32 MOTO DELL ARIA - ESEMPI

33 MOTO DELL ARIA - ESEMPI

34 EMISSIONI REGOLAMENTATE

35 ESEMPIO EMILI ROMAGNA

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