Home

Combustione double-fuel in un motore

1. 8 5 g 8 25 175 3 5 S DI N 8 g Hs E 7 75 12 5 gt 7 5 10 7 25 7 5 7 5 6 75 2 5 6 5 0 6 25 2 5 1 1 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 2 1 Confronto pmi a 1 bar tra miscela 60 metano 40 benzina e 100 metano All aumentare dela MAP l aumento di pmi sempre presente per valori fino a 4000giri min per poi diminuire o comunque eguagliarsi ai valori del GNC In seguito vengono riportati i grafici per gli altri valori di MAP utilizzati fig 5 2 2 e fig5 2 3 96 PMI DELTA 13 4 35 1 2 bar 100 metano al 125 1 2 bar 60 metano j i J 0 N 12 Differenza 11 5 10 5 10 za g5 1 EE mm lod d ee an n 1 S n P2U3494JIC n Ld ELI E PENNE PURA ee 1 n TEN o n w f 1 1 1 1 s c Nn in 6 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1712 5 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 2 2 Confronto pmi a 1 2 bar tra miscela 60 metano 40 benzina e 100 metano Per MAP 1 2 bar oltre i 4000giri min si ha un calo della pmi a causa d
2. 1 T ANAS I 1 I 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 5 3 Curve di Coppia lorda per MAP 1 2 bar al variare della miscela double fuel La durata complessiva della combustione diminuisce con il regime ma non influenzate dalla MAP in modo evidente Dopo i 4000 giri min la durata della combustione delle miscele double fuel eguaglia quella del benzina 115 durata di completa combustione 0 100 107 1 2 bar 100 metano 9 5 1 2 bar 80 metano 9 1 2 bar 60 metano Bos 1 2 bar 40 metano 87 1 bar benzina tempo ms e 1 2 T 1 1 1 1 1 1 1 1 Li D 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 5 4 Confronto durata complessiva combustione 0 100 MFB per MAP 1 2 bar al variare della miscela double fuel Nella figura successiva mostrato l andamento del rendimento indicato in cui possibile notare che anche in questo caso l utilizzo di elevate percentuale fornisce un piccolo miglioramento rispetto al caso 100 metano fig 5 5 5 rendimento indicato 0 39 1 2 bar 100 metano AT A 0 38 J 2 1 2 bar 80 metano 1 2 bar 60 metano 1 2 bar 40 metano 1 bar benzina rendimento indicato ooo o n In Co wo N Co gt 1 1 L
3. montaggio e che rappresenta il senso in Polarization direction cui l elemento sensibile percepisce le vibrazioni Oltre a quello montato di serie dalla casa DYNAMIC SPECIFICATIONS tra cilindro 2 e 3 che colloquia con la SENSITIVITY at 159 2Hz 4mA 1 0 mV ms 2 10 mV g MEASURING RANGE peak 7500ms 2 at 100 C 212 F 5000ms at lt 125 C 257 centralina originale stato FREQUENCY RESPONSE MOUNTED RESONANCE FREQUENCY 50 KH posizionato un altro accanto il cilindro 1 TRANSVERSE RESONANCE FREQUENCY gt 20 kHz TRANSVERSE SENSITIVITY lt 5 of sensitivity per visualizzare il fenomeno della Figura 3 1 10 Sensore Piezoelettrico detonazione all oscilloscopio La massa sismica dell accelerometro vibra con le stesse frequenze visualizzate all oscilloscopio Le onde di pressione dovute alla detonazione si propagano all interno del blocco motore alla velocit del suono e vengono percepite dalla parte sensibile del sensore con un andamento che varia nel tempo Le frequenze tipiche della detonazione 44 vanno dai 5 ai 15kHz mentre la banda di frequenze che analizzeremo andr dai 3kHz ai 20kHz per essere sicuri di acquisire tutte le frequenze tipiche della detonazione Naturalmente la frequenza di campionamento sar almeno dieci volte la frequenza tipica del segnali in ingresso considereremo 100kHz Il segnare in uscita dal sensore piezoelettrico viene anche filtr
4. 0 6 0 4 0 2 0 7 1 1 E 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 5 Andamento del monossido di carbonio per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel con A 1 0 03 127 HC 1 6 bar 60 metano Lo t bersoenetsno ph 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 6 Andamento degli idrocarburi incombusti per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel con A 1 0 03 o2 O2 vol Y 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime airi rnin Figura 5 8 7 Andamento l ossigeno per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel con A 1 0 03 Ovviamente formandosi pi CO che un prodotto della fase intermedia dell ossidazione si otterr meno CO2 fig 5 8 8 128 coz coz vol 10 477 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 8 Andamento biossido di carbonio per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel con A 1 0 03 Per quanto riguarda gli NOx non sempre si ri
5. m 011 Regime giri min Figura 5 3 1 Confronto pmi a 1 bar tra miscela 40 metano 60 benzina e 100 metano E interessante anche comparare a MAP 1bar la pmi ottenuta utilizzando la miscela double fuel con quelle dei combustibili puri fig 5 3 2 E possibile notare che con l utilizzo di una miscela costituita dal 60 di benzina stata ottenuta una pmi che in alcuni punti risulta essere pi alta di quella del benzina puro 103 Curve PMI 10 4 1 bar 100 metano 1 bar 40 metano 10 me MAN 1 bar benzina MEER ER RR wa KA LL ZA ft N PMI bar gt lt ee VI 8 6 N ee LL 7 8 _ _ _ 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 3 2 Confronto pmi a 1 bar tra miscela 40 metano 60 benzina 100 metano e benzina possibile osservare che anche per MAP superiori ad 1bar si sono ottenuti incrementi di pmi rispetto al caso in cui si utilizza GNC Nel grafico ad 1 2 bar tranne a 5000 giri min incremento di pmi conseguita con il double fuel sempre superiore al 5 fig 5 3 3 PMI DELTA 193 TE ee Id em 12 7 i E Differenza ii LI At Tt 11 ET _ pi SR 18 N g E up ds D 9 5 235 3 LUCTUS D ps a ii e i mM N om Hi 1 11
6. 6 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 3 3 Confronto pmi a 1 2 bar tra miscela 40 metano 60 benzina e 100 metano 104 PMI DELTA 15 1 4 bar 100 metano 14 5 14 1 4 bar 40 metano il 13 5 Differenza PMI bar en en eo ezuee4yiq MEE 6 1 1 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 175 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 3 4 Confronto pmi a 1 4 bar tra miscela 40 metano 60 benzina e 100 metano PMI DELTA 1 6 bar 100 metano 16 1 6 bar 40 metano Differenza PMI bar Id ezue184Jiq 2 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 T 1 1 1 1 1 1 1 179 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 3 5 Confronto pmi a 1 bar tra miscela 40 metano 60 benzina e 100 metano Riguardo la durata della combustione la fase d innesco e quella di propagazione non sono influenzate molto dalla MAP con questa miscela double fuel e le curve risultano avere un andamento molto compatto fig 5 3 6 e fig 5 3 7 Quindi indipendentemente dalla MAP l aumento di benzina porta un beneficio nel ridurre i tempi d innesco anche quando bassa
7. 1 6 bar 80 metano 0 TI 1 D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 D D 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 3 Andamento del monossido di carbonio per miscela double fuel 80 metano 20 benzina con A 1 0 03 125 Anche la percentuale di CO2 a basso regime tende ad avere valori pi bassi di quelli stechiometrici fig 5 8 4 Questo abbassamento legato al fatto che l analizzatore effettuando un calcolo in percentuale in volume sul totale dei prodotti presenti avendo ricavato una maggiore quantit di O2 ne ricava una minore concentrazione di CO2 co2 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano CO2 vol 10 H 3 al D D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 4 Andamento del biossido di carbonio per miscela double fuel 80 metano 20 benzina con A 1 0 03 All aumentare del regime fino a 3000 giri min i valori di HC e O2 si abbassano fino a raggiungere quelli della prova ad 1 bar mentre il CO e CO2 tornano a valori prossimi allo stechiometrico Questo porta a pensare che il probabile fenomeno di corto circuito tra aspirazione e scarico si crea tra i 1500 giri min e i 2500 gir min e l effet
8. Per dato motore l esponente della politropica di compressione assume valori che non cambiano con il regime carico ecc questo porta ad assumere k per i motori ad accensione comandata pari a 1 32 Essendo presente nell espressione della pressione di compensazione il volume istantaneo all interno del cilindro occorre stabilire con precisione la posizione del PMS cio del volume minimo altrimenti si andrebbe incontro ad un elevato errore gi nella compensazione dei dati 67 4 2 Grandezze caratteristiche La pressione media indicata pmi definita come lavoro indicato al ciclo per unit di cilindrata viene calcolata sul ciclo medio di ogni condizione di funzionamento approssimando l integrale con la seguente sommatoria lungo i 720 gradi di manovella 720 1 1 Pmi R ae um 1 Vi Via AV i 2 in cui Vy cm rappresenta la cilindrata di un singolo cilindro pi la pressione in camera relativa al grado di manovella i esimo il AV la variazione di volume alla posizione angolare i calcolabile tramite la teoria della derivata a tre punti L integrale di p V rappresenta il lavoro indicato al ciclo Li ovvero quello scambiato tra fluido e macchina Nell analisi per ogni grado di manovella verranno acquisiti 100 cicli pressione La pmi non risulta influenzata dalla compensazione del ciclo in quanto quest ultima operazione apporta una traslazione rigida del ciclo pressione in
9. coppia Nm velocit brushless loop aperto STOP 1213 2 0 06 70 rapporto vel imposto regime motore rpm vel motore istantanea p for 3503 5 3503 00 1 potenza brushless kW vel brushless vel motore Foor 10 3462 Y lt gt Figura 3 3 8 Pannello virtuale per il controllo del compressore Il sistema pu operare seguendo tre diverse logiche di funzionamento ovvero loop aperto controllo MAP in loop chiuso controllo regime in loop chiuso Con la modalit in 56 loop aperto il motore brushless pu ruotare alla velocit desiderata La seconda opzione ovvero controllo MAP in loop chiuso consente di imporre al sistema il mantenimento di una determinata pressione all interno del collettore di aspirazione del motore Nel controllo regime in loop chiuso invece la variabile obbiettivo e rappresentata dalla velocit di rotazione del compressore che viene mantenuta in un rapporto fisso con quella del rotore L impostazione dell apparato di sovralimentazione stato realizzato in analisi precedenti a questa e nella scelta del sistema di controllo in loop chiuso del compressore si optato per l utilizzo di un controllore di tipo Nella logica di controllo del regolatore PI Proporzionale Integrale in funzione dell errore determinato e dal suo andamento temporale il dispositivo in grado di far reagire il sistema annullando l errore stesso La reazione all errore pu essere regolata sia in modo proporzion
10. Di conseguenza la waste gate si apre consentendo il by pass dei gas allo scarico Sia il primo sia il secondo dei casi elencati provocano un fenomeno detto turbo lag ovvero un ritardo di azionamento della turbina Per eliminare questo problema oggi i turbo gruppi sono del tipo a geometria variabile dove nella girante posta allo scarico presente una palettatura mobile il cui movimento controllato dalla centralina elettronica determina la variazione dell angolo d incidenza dei gas di scarico con le palette della girante motrice stessa In funzione del regime di rotazione queste vengono chiuse o aperte per favorire la velocit o la portata a seconda dei regimi stessi Con una turbina a geometria variabile possibile ottenere la stessa bassa inerzia di una turbina di piccole dimensioni e la portata d aria quindi potenza di una turbina di maggiori dimensioni 13 Sistemi di sovralimentazione meno diffusi x II Comprex un dispositivo messo a punto dall azienda elettromeccanica tedesca Brown Boveri a met anni 80 Bisogna precisare per che gli studi e le prime applicazioni di tale tipo di sovralimentazione iniziarono oltre cento anni fa nel 1911 10 Questo dispositivo costituito da una girante cilindrica con svariati condotti interni dritti di diverso diametro che ruota all interno di una carcassa statorica cilindrica azionata Figura 2 1 5 Comprex direttamente dal motore in cui da un lato entr
11. UNIVERSITA DEGLI STUDI DI PALERMO FACOLTA DI INGEGNERIA Dipartimento di Ingegneria Chimica Gestionale Informatica e Meccanica Combustione double fuel in un motore automobilistico sovralimentato Tesi di Relatore Vitale Giuseppe Prof Pipitone Emiliano Correlatori Ing Beccari Stefano Ing Genchi Giuseppe Anno accademico 2011 2012 INDICE INTRODUZIONE 4 1 LA SOVRALIMENTAZIONE IN CAMPO AUTOMOBILISTICO 7 1 1 Utilizzo della sovralimentazione 7 1 2 Metodi per la sovralimentazione 9 1 3 Effetti della sovralimentazione 18 2 ILMETANO ELA STRATEGIA DOUBLE FUEL 19 2 1 Il gas naturale compresso 19 2 2 L impatto ambientale e la normativa europea 21 2 3L alimentazione a metano nell autotrazione 26 2 4Vantaggi e svantaggi dell alimentazione a benzina 29 2 5 Sistema di alimentazione bi fuel 31 2 6 Caratteristiche della strategia Double Fuel 33 3 BANCO DI PROVA E STRUMENTAZIONE 35 3 1 Banco prova e sistema di acquisizione motore 35 3 2Ambiente LabWiew 49 3 3 Compressore e sistema di controllo 50 3 4Stazione di controllo e acquisizione temperature 59 3 5 Caratteristica iniettore metano 62 4 ELABORAZIONE DATI 66 4 1 Analisi pressione 66 4 2Grandezze caratteristiche 68 4 3 Prove preliminari 74 4 4 Verifica dosatura 80 4 5 Piano delle prove 83 5 ANALISI DATI SPERIMENTALI 87 5 1 Analisi double fuel 80 GNC 20 Benzina 87 5 2 Analisi double fuel 60 GNC 40 Benzina 96 5 3Analisi double fuel
12. lente il rendimento indicato a basso regime complessivamente si attesta pari a quello del metano 100 fig 5 6 5 La miscela 40 60 quella che pur consentendo le migliori prestazioni fornisce un rendimento costante attorno a 0 35 pi basso delle altre miscele a basso regime ma pi alto dopo i 3500 giri min possibile dire quindi che la migliore condizione operativa quella ad 1 4 bar con 40 metano e 60 benzina perch permette di avere un discreto rendimento circa costante e pari a 0 35 Probabilmente oltre i 3500 giri min l elevata turbolenza l elevata percentuale di benzina che raffredda la camera ed LPP un po pi bassi garantisce la non decadenza del rendimento possibile notare che per le combinazioni 80 20 e 60 40 a 5000 giri min oltre a calare le prestazioni come visto precedentemente rispetto al caso 40 60 il rendimento si abbassa 119 fino a valori inferiori a quelli del benzina In tali condizioni infatti a causa dell elevata temperatura del motore stato necessario utilizzare anticipi molto scadenti per non incorrere in fenomeni di detonazione rendimento indicato rendimento indicato 0 39 0 26 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 1 4 bar 100 metano 0 38 1 4 bar 80 metano 0 37 d 1 4 bar 60 metano 1 4 bar 40 metano 1 bar benzina Regime giri min Figura 5 6 5 Andamento del rendim
13. tanta influenza nella scelta dell ottenimento della migliore prestazione Guardando i grafici di coppia e potenza anche in questo caso si potrebbe pensare come nel caso precedente di utilizzare la miscela 60 40 fino a 3000giri min per poi passare a 40 60 Da questo risultato si potrebbe pensare che la soluzione 50 50 non analizzata sia quella di ottimo compromesso 121 Potenza indicata 72 57 1 6 bar 100 metano 70 67 5 1 6 bar 80 metano 1 6 bar 60 metano 1 6 bar 40 metano Potenza indicata kw S in 1 T D D T D 1000 1250 1500 1750 200 2250 2500 2750 3000 3250 Regime airi min T 1 T D T D 1 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Figura 5 7 2 Curve di Potenza indicata per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel Curve di coppia 150 1 6 bar 100 metano 147 5 zT 145 mm TN 1 6 bar 80 metano 142 5 IAA TN 1 6 bar 60 metano 140 1 6 bar 40 metano N 137 5 IN i NS 135 A 132 5 Ts 130 Coppia Nm 120 127 5 EN 122 5 R gt TE NN 117 5 115 112 57 110 TN CN 107 5 105 102 5 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 400
14. 1 6 bar 40 metano 4 25 W 1 bar benzina Tempo ms I 0 5 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 3 8 Confronto tempi di estinzione 90 100 MFB da 1 bar a 1 6 bar La durata complessiva risulta essere influenzata dalla MAP in modo pi evidente rispetto al caso 80 20 Per regimi elevati il double fuel riesce ad ottenere velocit di combustione pi alte del solo benzina durata di completa combustione 0 100 10 1 bar 40 metano 9 5 E 1 2 bar40 metano 9 1 4 bar 40 metano 8 5 1 6 bar 40 metano 87 1 bar benzina 7 5 7 a 5 57 amp 6 2 NU 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 3 9 Confronto durata complessiva combustione 0 100 MFB da 1 bar a 1 6 bar La miscela utilizzata in questo set di prove ha imposto l utilizzo di LPP scadenti a causa del problema dell elevata temperatura del motore precedentemente discusso 107 Come si pu infatti osservare dal grafico successivo l utilizzo di elevate MAP costringendo il motore a funzionare ad un regime di temperatura pi alto porta ad utilizzare bassi anticipi e quindi fasature non ottimali fig 5 3 10 In queste condizioni la presenza ancora pi bassa del metano rispetto ai casi preced
15. 21 0 010 5 0 009 0 008 0 007 0 006 0 005 0 004 0 003 a e 1500 rpm g 0 002 2500 rpm 0 001 4 3500 rpm 0 000 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 t ms Figura 3 5 1 Caratteristica iniettori metano Nel momento in cui si sovralimenta la massa di gas iniettato aumenta e di conseguenza il tempo d iniezione In questo caso per conoscere la corrispondenza tra il tempo d iniezione e la massa inietta oltre i 5 ms occorre prolungare linearmente la caratteristica per tempi pi alti Per avere conferma della linearit della caratteristica sono state effettuate delle prove per tre diversi regimi e variando la MAP fino a valori desiderati regimi utilizzati sono 1500 3000 e 4500 giri min Le MAP utilizzate vanno da 0 5 bar a 0 9 e da 1 bar a 1 6 con incrementi di 0 2 per volta ovvero 7 valori di MAP per ogni regime La caratteristica ottenuta non altro che il prolungamento di quella precedente fig 3 5 2 0 035 0 030 0 025 0 020 1500 E m 3000 A 4500 0 015 Lineare 1500 Lineare 3000 0 010 Lineare 4500 0 005 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 10 0 110 12 0 13 0 14 0 t ms Figura 3 5 2 Estensione caratteristica iniettore per tempi superiori ai 5 ms dati ottenuti successivamente sono stati implementati nel software di gestione utilizzato per il controllo degli iniettori Come det
16. Differenza lam Figura 5 1 2 Confronto pmi a 1 2 bar tra miscela 80 metano 20 benzina e 100 metano Nei grafici vengono mostrate le differenze percentuale per ogni regime di rotazione tra la curva ottenuta con metano e quella con metano 80 Per pressioni pi alte ed in particolare ad 1 6 bar la curva della pmi tende a permanere tutta pi alta qualcosa di analogo si ha anche per 1 4 bar fig 5 1 3 e fig 5 1 4 PMI DELTA j pe 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Id 95 ezue1ejiQ 1 4 bar 100 metano 1 4 bar 80 metano Differenza lam Figura 5 1 3 Confronto pmi a 1 4 bar tra miscela 80 metano 20 benzina e 100 metano 88 PMI DELTA 17 1 6 bar 100 metano 16 5 1 6 bar 80 metano Differenza ezue483JiQq uil h 11 5 1 1 1 1 1 1 0 D 1 1 I 1 1 1 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 1 4 Confronto pmi a 1 6 bar tra miscela 80 metano 20 benzina e 100 metano Gli aumenti di pmi ottenuti con strategia double fuel si attestano attorno al 5 102 e in alcuni casi raggiungono anche il valore del 15 1 6 bar di sovralimentazione a 1500 giri min A seguito dell aumento di pmi si valut
17. elettrico di tipo brushless senza spazzole prodotto dalla Control Techniques ed in particolare un Unimotor UM modello 190UMD200 fig 3 3 5 4 HOLES DIA H EQUISPACED ON J PCD Figura 3 3 5 Motore brushless Il dispositivo di controllo elettronico costituito da un inverter prodotto dalla Control Techniques modello Unidrive SP modello UDSP2402 fig 3 3 6 II motore brushless un motore elettrico a magneti permanenti che non ha bisogno di contatti elettrici striscianti sull albero per funzionare in quanto sul rotore non vi sono circuiti elettrici Questo causa una minore resistenza meccanica ed elimina la possibilit che si formino scintille durante il moto rotativo dell albero La corrente viene commutata negli avvolgimenti dello statore e tutti i parametri di alimentazione come la tensione intensit della corrente Figura 3 3 6 Unidrive di controllo bruschless frequenza e sequenza delle fasi vengono gestiti elettronicamente da un dispositivo posto 54 all esterno del motore e che prende il nome di driver o inverter Inoltre l inversione elettronica della corrente e assicurata attraverso un banco di transistor di potenza comandati da un microcontrollore che verifica la commutazione della corrente Il controllore collegato ad un encoder per conoscere l esatta posizione angolare del rotore rispetto allo statore L unidrive che viene gestito tramite tastiera o da display di bordo possiede una serie
18. 1 D D 1 1 1 1 1 D 1 D 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime airi min Figura 5 5 5 Andamento del rendimento indicato per MAP 1 2 bar al variare della miscela double fuel 116 5 6 Analisi 1 4 bar All aumentare della MAP possibile osservare un incremento in termini di valore assoluto della pmi rispetto ai casi precedenti per anche una riduzione del gap tra le curve alle diverse percentuali Questo indica che l incremento di MAP rispetto ai casi precedentemente visti comincia a far sentire i suoi effetti pi di quanto non riesce a fare l arricchimento di benzina La curva di pmi rappresentativa la miscela 40 60 oltre i 3000 giri min risulta essere tutta pi altra rispetto alle altre curve mentre a basso regime questo non si verifica fig 5 6 1 Curve PMI 1 4 bar 100 metano 14 57 1 4 bar 80 metano 1 4 bar 60 metano 1 4 bar 40 metano 9 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 6 1 Andamento della pmi per MAP 1 4 bar al variare della percentuale di miscela double fuel All aumentare del regime infatti con il 40 di metano l effetto della turbolenza consente di migliorare la combustione ed ottenere una pmi pi alta fino a 5000 giri min Dal punto di vista delle prestazioni le differenze sulla coppia lorda si sono li
19. 82 1 bar benzina 80 Coppia Nm MM N 1 1 e eo 1 gt 1 1 e N vo o 1 1 56 pi D 1 1 1 1 1 D 1 1 LI 1 1 D 1 1 I 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 4 3 Curve di coppia lorda per MAP 1 bar al variare della miscela double fuel 111 Naturalmente la prestazione cosi analizzata rappresenta una sovrastima rispetto al caso reale per comunque uno strumento in grado di fornire informazioni utili possibile notare dal grafico precedente come nel caso in cui si utilizzi la miscela 40 GNC 60 benzina la potenza indicata sia tutta pi in alto rispetto le altre con un gap evidente oltre i 4000 giri min nei confronti delle altre miscele La potenza indicata della miscela 40 60 risulta inoltre essere leggermente pi alta anche di quella del benzina fino a 3500 giri min Quindi possibile dire che nel caso in cui si richieda una strategia di funzionamento di massima prestazione del motore aspirato la scelta ottimale sarebbe proprio l utilizzo di una miscela 40 GNC 60 Benzina a MAP 1 bar All aumentare della percentuale di benzina la durata della combustione non risente di particolari effetti ad esclusione della miscela 80 20 dopo i 2500 giri min fig 5 4 4 Si riscontrato infatti che ad elevati regimi l utilizzo di p
20. Italia in corrispondenza dell arricchimento che il motore necessita nella prima fase di avvio quando il catalizzatore non ha ancora raggiunto la temperatura di funzionamento ottimale Questo aumento di HC avviene in realt anche a pieno carico ma durante il ciclo guida non viene raggiunta mai questa condizione presupposto che non si verifica con i motori alimentati a metano In sostanza i motori alimentati con combustibili gassosi producono minori emissioni inquinanti sia rispetto a quelli a benzina che a gasolio 25 2 3 L alimentazione a metano nell autotrazione Il metano ha caratteristiche che lo rendono adatto all impiego motoristico senza necessit di aggiunta di additivi Il suo elevato potere antidetonante con numero di ottano superiore a 120 ne consente l utilizzo in motori a ciclo Otto ad elevato rapporto di compressione fino a 14 1 con sensibile miglioramento del rendimento e riduzione dei consumi 1 Richiede pochi trattamenti prima di essere utilizzato come carburante e in particolare dopo essere stato purificato da vapore acqueo zolfo e idrocarburi pesanti il metano viene convogliato attraverso il metanodotto e giunge direttamente agli impianti di rifornimento dove viene compresso ad una pressione di circa 200 bar e quindi immagazzinato nei serbatoi a bordo dei veicoli Sulla vetture le bombole sono istallate solitamente nel baule per quelle trasformate successivamente alla costruzione mentre sotto il pianale o
21. TS i 1 2 bar 80 metano 1 Differenza ezueaJJiq Regime giri min 1 10 Confronto degli andamenti del rendimento indicato tra GNC e double fuel 80 metano 20 benzina a MAP 1 2 bar Rendimento indicato DELTA 0 38 0 37 0 36 0 35 0 34 0 33 to ica 0 32 0 31 Rendimento indi e to L 0 29 0 28 0 27 0 26 0 25 1 6 bar 100 metano c Differenza D a ouaupuaa sj ezue1a Jig 10 15 0 24 1 1 1 1 1 1 D LI D 1 D L D 1 1 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 20 Regime giri min Figura 5 4 10 Confronto andamento del rendimento indicato per MAP 1 6 bar tra metano e double fuel 80 metano 20 benzina Il rendimento indicato si mantiene prossimo a quello del GNC per modeste pressioni di sovralimentazione e utilizzando piccole percentuali di benzina nella miscela ma comunque sempre pi alto rispetto al caso in cui si utilizzi soltanto benzina come si pu osservare dal grafico successivo fig 5 4 11 94 rendimento indicato 1 bar 100 metano 1 bar 80 metano 1 bar benzina 0 34 rendimento indicato i U 1 1 1 D D 1 1 1 I I 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3
22. alla valutazione dei benefici ottenibili nel funzionamento di un motore ad accensione comandata alimentato simultaneamente da benzina e combustibile gassoso GPL o GNC 22 23 24 Il motore utilizzato presenta un collettore di aspirazione in cui alloggiano 8 iniettori 4 per il funzionamento a benzina e 4 per il funzionamento a gas azionati in modo sequenziale fasato Naturalmente gli iniettori vengono comandati da una centralina elettronica che interloquisce in tempo reale con l operatore attraverso un software Questo consente di effettuare variazioni della percentuale dei due combustibili In particolare gli iniettori metano vengono gestiti con un software LabView per dosare la quantit di gas di iniettare cambiando i tempi d iniezione L utilizzo simultaneo dei due combustibili ha lo scopo di sfruttare le migliori caratteristiche di entrambi E noto infatti che l utilizzo di un combustibile gassoso presenta una elevata resistenza alla detonazione e una riduzione delle emissioni inquinanti prodotte dalla combustione rispetto alla combustione di combustibili liquidi Di contro pur vero che il gas penalizza il riempimento fenomeno che per nonsi verifica con l uso della benzina che a sua volta invece resiste meno alla detonazione La penalizzazione del riempimento all aumentare della percentuale di gas iniettato si traduce in una riduzione della massima potenza erogabile dal motore L aggiunta di una certa porzione benzina alla miscela
23. apertura degli iniettori con lo scopo quando il motore alimentato a gas di mantenere pari ad uno Un altro parametro da tenere sotto controllo la detonazione per far questo viene utilizzato un sensore piezoelettrico il quale sfruttando il fenomeno della piezoelettricit da in uscita un segnale che opportunamente filtrato proporzionale all entit del fenomeno rilevato La piezoelettricit la propriet di alcuni cristalli di generare una differenza di potenziale quando sono soggetti ad una deformazione meccanica Il funzionamento di un cristallo piezoelettrico abbastanza semplice quando viene applicata una pressione o decompressione esterna si posizionano sulle facce opposte del cristallo cariche di segno opposto Il cristallo in questo modo si comporta come un condensatore al quale stata applicata una differenza di potenziale Se le due facce vengono collegate tramite un circuito esterno viene quindi generata una corrente elettrica detta corrente piezoelettrica AI contrario quando si applica una differenza di potenziale al cristallo esso si espande o si contrae Il sensore costituito da un porta sensore una massa sismica elementi piezoelettrici anello di contenimento preamplificatore fig 3 1 10 Porta sensore Massa sismica Elementi piezoelettrici Anello di contenimento Preamplificatore Sull involucro esterno presente una Sensing Unit freccia che indica la direzione di
24. camera come il valore di PMI acquisito sia diverso e pi alto in quasi tutti i regimi Il fenomeno si manifesta anche quando si aumenta il livello di sovralimentazione stato ottenuto in alcune condizioni di funzionamento anche un aumento di 1 bar di pmi che in termini percentuali significa un aumento del 10 fig 4 3 2 Naturalmente le prove sono state effettuate seguendo gli LPP ottimali di funzionamento ovvero quelli che garantiscano la massima coppia 75 Confronto pmi a 1 2 bar 12 5 12 emm sensore P in camera 11 5 a Sensore P con adattatore re 11 Y_ w A 10 5 N 10 e ES 9 8 5 8 7 5 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 regime giri min Figura 4 3 2 Confronto pmi ad 1 2 bar tra sensore in camera e con adattatore stato anche verificato che con il nuovo sensore camera il livello di massima pressione si attestasse al di sotto dei 90 bar per garantire condizioni di sicurezza di funzionamento fig 4 3 3 Picco di pressione in camera 1 bar GNC 1 2 bar GNC 1 4 bar GNC 1 6 bar GNC 1 bar benzina Pressione bar p M m WM W ES E E 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 4 3 3 Andamento dei valori di pressione in camera per le differenti MAP 76 In seguito vengono riportati i dati ottenuti in queste prove relativi a pmi rendiment
25. commercio nel 1997 la Fiat Marea BiPower prima auto italiana a metano di serie con impianto BiFuel disponibile anche nella versione GPower benzina GPL e BluPower solo metano 2 Successivamente compaiono sul mercato molte altre auto a metano omologate direttamente dalle case costruttrici e a questo allargamento della gamma si aggiunge il riconoscimento di incentivi non soltanto per la trasformazione a metano di auto gia immatricolate ma anche per l acquisto di auto nuove equipaggiate ed omologate a metano Questo sviluppo per ha trovato un limite nella rete di distribuzione che ancora lontana dall essere capillare e ci sia per ragioni tecniche che per ragioni di carattere economico problemi economici che hanno fin qui rallentato lo sviluppo della rete dei distributori a metano sono connessi al fatto che i nuovi distributori dovrebbero essere localizzati nelle aree meno coperte ma in queste aree manca un parco circolante a metano in grado di offrire ai nuovi punti di distribuzione la possibilit di realizzare profitti fin dall inizio E necessario quindi che la politica di sviluppo della rete sia accompagnata da un sistema di incentivi per sostenere l apertura di nuovi punti di distribuzione Quindi convenienza di mercato e diversificazione delle fonti energetiche unitamente ai vantaggi connessi alla riduzione delle sostanze inquinanti maggiormente all attenzione del mondo scientifico dei cittadini e degli organi di infor
26. coppia e potenza Riguardo al rischio di autoaccensione della porzione di benzina iniettata in alcune condizioni di funzionamento si potrebbe sfruttare la condizione di spontanea accensione della benzina con molteplici fronti di fiamma multi spark per ottenere una maggiore velocit di combustione e quindi approssimarsi a una isocora Nella realt occorrerebbe effettuare studi della combustione con sistemi ottici per rendersi effettivamente conto di ci che accade in camera Tuttavia possibile dire che quando la miscela metano benzina entra in camera e scocca la scintilla si propaga il fronte di fiamma e contemporaneamente la porzione di miscela pi lontana dal fronte viene compressa dall aumento di pressione causato dal procedere della combustione L end gas pur raggiungendo certe condizioni di pressione e temperatura permette di contenere eventuali combustioni anomale della benzina contenuta nella miscela Per cui l end gas permette fino a certe condizioni di assorbire l energia delle molecole della benzina interessare dall autoaccensione realizzando cosi una sorta di effetto cuscino Quindi sia nel caso che vengano completamente annullate le condizioni di autoaccensione sia che siano presenti micro accensioni la resistenza alla detonazione sar mediamente pi alta rispetto al caso benzina 11 34 3 Strumentazione 3 1 Banco prova e sistema di acquisizione motore Per la rilevazione dei parametri caratteristici di f
27. dei consumi e delle emissioni inquinanti L utilizzazione di strumenti rilevanti il fenomeno della detonazione anche a bordo delle vetture stato necessario soprattutto perch la detonazione che avviene alle alte velocit in assoluto la pi pericolosa in quanto non avvertibile e non produce nessun battito in testa e comunque non facilmente udibile Viene definito un tempo di ritardo all auto accensione ovvero l intervallo temporale in cui la benzina non si auto accende pur avendo raggiunto le condizioni di auto accensione caratteristico del tipo di carburante Si pu evitare o limitare il fenomeno della detonazione nei motori alimentati a benzina utilizzando ad esempio anticipi pi bassi dosature pi ricche oppure usare un carburante con elevato tempo di ritardo elevato numero di ottano o anche utilizzare una candela in posizione centrale in modo da avere uguale distanza in tutta la periferia del cilindro o aggiungerne un altra laterale come nei motori Twin Spark per aumentare la velocit di combustione Il fenomeno del battito in testa pu anche essere dovuto all eccessivo accumulo di depositi carboniosi i quali causano un aumento del rapporto di compressione a causa della riduzione del volume disponibile in camera Con l utilizzo del metano quindi questo problema viene scongiurato abbastanza facilmente anche utilizzando motori sovralimentati 30 2 5 Sistema di alimentazione bi fuel sistemi di alim
28. della percentuale di miscela double fuel L incremento di pmi con la percentuale di benzina legato sostanzialmente al miglioramento del riempimento del motore oltre al fatto che sono stati utilizzati anticipi sempre ottimali La valutazione dell incremento di prestazione pu essere effettuato diagrammando l andamento della potenza indicata calcolata attraverso il lavoro indicato e non quello effettivo fig 5 4 2 110 Potenza indicata 46 1 bar 100 metano 44 1 bar 80 metano 42 1 bar 60 metano 40 1 bar 40 metano 1 bar benzina 38 36 1 Potenza indicata kw 14 12 1 1 D 1 1 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 4 2 Andamento della potenza indicata per MAP 1 bar al variare della miscela double fuel L incremento di pmi si traduce in un aumento della coppia in corrispondenza di tutti i regimi di rotazione fig 5 4 3 Il sistema di sovralimentazione stato realizzato per ottenere una certa flessibilit nel funzionamento in serie al motore e non per realizzare un confronto tra questo sistema di sovralimentazione e uno realmente impiegato Curve di coppia 30 1 bar 100 metano 88 1 bar 80 metano 86 1 bar 60 metano 84 1 bar 40 metano
29. e calcola il valore del parametro A da frazioni volumetriche dei componenti del gas di scarico 47 PPM vol NO Figura 3 1 14 Analizzatore di gas di scarico Gli analizzatori campionano nell infrarosso le emissioni inquinanti di CO CO e HC in ingresso per poi confrontarle con quelle pure delle stesse sostanze per valutarne la percentuale in volume presente Se la combustione della benzina o del metano avvenissero in modo ideale si produrrebbe solo anidride carbonica e vapore acqueo Purtroppo gli accadimenti reali sono ben diversi da quelli ideali per cui vengono prodotte anche molecole inquinanti e velenose La combustione anche se avviene molto rapidamente non istantanea ne tanto meno completa per questo allo scarico sono presenti delle sostanze a grado di ossidazione parziale Accanto ad H O e CO sono presenti anche i prodotti di una combustione incompleta come il monossido di carbonio e gli idrocarburi incombusti Alle alte temperature pi di 2000 C e alle alte pressioni nelle zone povere di combustibile della camera di combustione l ossigeno oltre a bruciare la benzina pu bruciare anche l azoto N dell aria formando piccole quantit di ossido di azoto NO Questa sostanza imprevista perch in sede teorica l azoto un gas inerte quindi non dovrebbe partecipare alla reazione di combustione Ogni combustibile brucia in camera di combustione con il suo rapporto stechiometrico con l aria questo vale
30. il metano 46 9 Mj kg quest ultimo calcolato nota la composizione della miscela di GNC fornita dalla rete Un altro parametro fondamentale a cui prestare attenzione la posizione del picco di pressione LPP Location of Peak Pressure Questo parametro un indicatore di fase della combustione che viene monitorato per individuare le condizioni di anticipo ottimale nei motori ad accensione comandata Viene anche utilizzato nei motori ad accensione per compressione per verificare che lo sviluppo di calore risulti opportunamente fasato rispetto al moto dello stantuffo in modo da raccogliere il massimo lavoro Da letteratura 26 la condizione di anticipo ottimale quella che porta ad avere un LPP attorno a 15 dopo il punto morto superiore Naturalmente a causa della presenza della benzina nelle miscele utilizzate non sempre si riusciti ad ottenere un LPP di massima coppia sovralimentando per cui ci si spinti verso anticipi non ottimali ovvero di incipiente detonazione 69 Nel software di analisi viene monitorata anche la derivata della pressione in funzione dell angolo di manovella A livello ideale con motore ideale senza scambi termici e attriti la combustione ottima ideale dovrebbe avvenire istantaneamente al PMS Nella realt il motore reale e la combustione ha una certa durata temporale e quindi angolare La combustione ha inizio non appena scocca la scintilla tra gli elettrodi della candela
31. il terzo effetto invece i gas residui del ciclo precedente presenti nello spazio morto vengono compressi dalla carica fresca in un volume minore dando luogo ad un aumento del coefficiente di riempimento del motore Questo effetto comunque minore del precedente e rappresenta qualche percento del primo effetto In generale l effetto della sovralimentazione comporta un aumento della Pmi pressione media indicata e della Pme pressione media effettiva La differenza tra la Pmi e la Pme da luogo alla pressione a vuoto Pv La pressione a vuoto tiene in considerazione due costanti del motore relative alla spinta dei gas e alle forze d inerzia Nel caso in cui sia presente un compressore trascinato meccanicamente nella formula della Pv compare anche un altro coefficiente che tiene conto di questo fattore 18 2 Strategia double fuel 2 1 Il gas naturale compresso Il metano un idrocarburo semplice alcano formato da un atomo di carbonio e quattro di idrogeno con una struttura di tipo tetraedrica La formula chimica CH4 e si trova in natura sotto forma di gas presente in giacimenti sotterranei e sottomarini da solo o associato con petrolio e talvolta anche con acqua In questa struttura l atomo di carbonio al centro di un tetraedro regolare ai cui vertici si trovano gli atomi di idrogeno fig 2 1 II metano un ottimo combustibile H poich genera dalla combustione il maggior quantitativo di calore per HT CH ma
32. in diversi modi hanno un azione mutagena per esempio nel caso degli aromatici benzene toluene cilene sotto l azione attivante dei raggi solari producono smog fotochimico cio ozono hanno di per s effetti irritanti e tossici pi o meno gravi per le vie respiratorie come per esempio accade con le aldeidi e gli idrocarburi superiori La stabilit della struttura molecolare del metano rende questo gas scarsamente reattivo nei processi fotochimici che portano alla formazione dell ozono troposferico per effetto dell azione della luce solare sugli idrocarburi contenuti nei prodotti di combustione emessi dai motori Una caratteristica del metano quella di legare subito con l aria a differenza della benzina che ha qualche difficolt poich combustibile e comburente essendo gas si trovano nello stesso stato fisico mentre la benzina viene iniettata in camera allo stato liquido e occorre un certo tempo affinch vaporizzi Il GNC ha una composizione che varia in base alla fonte di approvvigionamento tra l 80 90 di metano CH con la restante parte prevalentemente composta da paraffine come etano propano e butano C4Hio il rapporto H C comunque assimilabile a 4 Quindi teoricamente in grado di ossidare 4 atomi di idrogeno a fronte della creazione di una sola molecola di anidride carbonica CO Questo valore invece circa 1 8 per le benzine ed a 2 per i gasoli Quindi un motore alimentato a GNC con v
33. indicato 1 bar 100 metano i si LU 1 bar 80 metano 1 bar 60 metano V d 1 bar 40 metano LIL I 1 bar benzina rendimento indicato 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 4 5 Andamento del rendimento indicato per MAP 1bar al variare della miscela double fuel Nella scelta di una strategia che permetta di inseguire il massimo rendimento si potrebbe pensare di utilizzare fino a 2500 giri min la miscela 60 40 per poi passare al 40 60 113 5 5 Analisi 1 2 bar Analizzando le miscele precedenti alla pressione di 1 2 bar sicuramente possibile notare un incremento in termini di pmi rispetto a 1 bar per l utilizzo di modeste quantit di benzina nella miscela non portano benefici rilevanti rispetto al caso in cui si utilizza il solo GNC fig 5 5 1 Questo pu portare ad escludere l utilizzo della percentuale 80 20 nel caso di 1 2 bar Con l utilizzo di percentuali pi alte di benzina quindi 40 e 60 si ottiene un miglioramento pressoch analogo in termini di pmi Curve PMI 12 75 1 2 bar 100 metano 12 5 1 2 bar 80 metano 1 2 bar 60 metano 1 2 bar 40 metano 8 5 r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 5 1 Andam
34. la turbolenza 105 Tempo innesco 0 10 1 9 1 85 1 75 PR 1 4 bar 40 metano MN Il Ll T L T T L 1 7 1 6 bar 40 metano 1 bar benzina 1 bar 40 metano 1 65 SINN 1 55 MN CN 1 5 1 45 1 4 1 35 1 3 1 25 1 2 1 154 1 1 1 05 ia 0 95 0 9 0 85 0 8 0 75 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Tempo ms Figura 5 3 6 Confronto tempi d innesco 0 10 MFB da 1 bar a 1 6 bar Tempo propagazione 10 90 1 bar 40 metano 1 2 bar 40 metano 1 4 bar 40 metano 1 6 bar 40 metano 1 bar benzina D D 1 1 D D 1 D D D 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 3 7 Confronto tempo di propagazione 10 90 MFB da 1 bar a 1 6 bar La fase di estinzione invece risulta essere influenzata dalla MAP infatti all aumentare della pressione di sovralimentazione la velocit aumenta fig 5 3 8 A basso regime e a MAP pi alte la benzina presente in percentuale pi alta rispetto al metano tende a predominare sulla fase di estinzione fenomeno esattamente opposto rispetto al caso in cui la miscela double fuel era costituita dall 80 di GNC e 20 di benzina 106 Tempo estinzione 90 100 5 55 5 25 1 bar 40 metano 5 TNT TT 1 2 bar 40 metano Loh ie N i 4 5
35. le velocit di combustione della miscela rispetto alla condizione di metano 100 possibile osservare nel confronto che l inserimento di una piccola percentuale di benzina nelle condizioni di funzionamento ad 1 bar fig 5 4 1 ha comportato un aumento della pressione media indicata in corrispondenza di alcuni regimi di funzionamento Il combustibile gassoso utilizzato nelle prove il gas naturale ovvero una miscela di gas costituita principalmente da metano In tutti i grafici il gas naturale viene indicato in legenda come metano PMI DELTA 1 bar 100 metano 1 bar 80 metano Differenza co lu n a pi 1 1 mom N in PMI bar Id P2U3494JIT 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 179 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 1 1 Confronto pmi a 1 bar tra miscela 80 metano 20 benzina e 100 GNC Questo fenomeno meno evidente nel caso in cui si sovralimenta a 1 2 bar fig 5 1 2 87 PMI DELTA PMI bar n 1 6 1 1 1 T 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 D 1 D 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime airi min 35 32 5 30 27 5 25 22 5 20 17 5 15 12 5 Td 95 ezue18jiq 1 2 bar 100 metano 1 2 bar 80 metano
36. motore o a un motore elettrico L efficienza di questo sistema peggiora con l azionamento diretto con il motore termico al salire del numero di giri in maniera qualitativamente contraria a quanto avviene nella sovralimentazione tramite turbocompressore mentre nell azionamento con motore elettrico indipendente non solo non si ha questo inconveniente ma si riesce a variare la sua azione migliorando ulteriormente il comportamento e riducendone ulteriormente l assorbimento d energia La sua sovralimentazione costante ad ogni regime cio trattandosi di un volume costante che viene compresso la sua sovrappressione di circa 1 o due bar costante ad ogni regime Questo fa si che ne risenta favorevolmente la coppia erogata dal motore ma la potenza massima raggiungibile non esaltante Il compressore a due lobi piuttosto rumoroso e sottrae come tutti i compressi trascinati potenza al motore Questo sistema permette Spinta fin dai bassi regimi Assenza del ritardo in risposta al comando gas infatti il sistema turbocompresso caratterizzato dal turbo lag ovvero il ritardo della risposta del dispositivo meccanico ai bassi regimi Pi affidabilit soggetto a minore stress termico e meccanico La costruzione relativamente semplice essendo costituito da poche parti in movimento anche se realizzate con grande precisione superficiale contro sono Non riesce a garantire le prestazioni massime del turboc
37. potenza Procedendo sulla stessa strada per possibile comprimere l aria oltre la pressione atmosferica e inviare al motore una miscela aria combustibile la cui densit maggiore di quella nelle condizioni ambientali standard 3 La pratica della sovralimentazione cosi come moltissimi miglioramenti dell industria motoristica aeronautica stata trasmessa all industria automobilistica che ha potuto avvantaggiarsi di ci fintantoch l aeronautica si servita di motori alternativi per la propulsione L impiego del compressore in campo automobilistico arriv nel 1923 con la Fiat 805 da gran premio e inizialmente lo scopo era soprattutto quello di eliminare le perdite di carico nei lungi e tortuosi condotti di aspirazione e di ottenere prestazioni pi elevate di quanto era concesso ai tempi Fatta questa piccola premessa importante ora andare a vedere in cosa consiste la sovralimentazione e quali sono le soluzioni impiegate nel settore automobilistico a tal riguardo Si definisce sovralimentazione di un motore endotermico l introduzione forzata di miscela combustibile nei cilindri rispetto a quella che sarebbe possibile con la normale aspirazione per garantire al motore maggiore potenza Allo scopo si impiegano compressori volumetrici generalmente trascinati meccanicamente dallo stesso motore alternativo o turbocompressori centrifughi posti in rotazione con opportuno rapporto di moltiplicazione ovvero pi di frequente tras
38. presente un sensore per il rilevamento del tenore di ossigeno allo scarico del motore ovvero la sonda UEGO fig 3 1 9 Il funzionamento della sonda NTK UEGO Universal Exaust Gas Oxigen avviene confrontando la concentrazione di ossigeno presente nella cella di riferimento del sensore con il gas combusto che fluisce all interno della cella di confronto adiacente a quella di riferimento La centralina fa circolare all interno della sonda una corrente detta lp che riequilibra per azione elettrochimica lo stato delle due celle stesse Il valore di 1 risulta proporzionale al valore di Lambda La sonda diventa attiva quando raggiunge la temperatura di circa 300 C per questo motivo al suo interno presente una resistenza che funziona da riscaldatore Poich la sonda UEGO non genera un segnale di tipo ON OFF come la sonda lambda utilizzata dalla centralina del motore fornisce informazioni su quanto ricca o povera la dosatura sensore a banda larga Figura 3 1 9 Sonda Uego carburazione pu essere influenzata dalla pressione atmosferica e dall umidit dell aria per mantenerla attorno ad un certo valore prefissato occorre continuamente correggerla Per questo si utilizza l iniezione elettronica che attraverso una centralina regola la quantit di aria e carburante immessa nei cilindri in base al segnale in retroazione fornito dalla sonda lambda 43 In funzione di questo parametro la centralina calcola i tempi di
39. quella del caso benzina mentre dai 4000 giri min in poi si raggiunge un asintoto in cui non si hanno pi grosse differenze Viene mostrato infine la durata complessiva della combustione fig 5 1 8 dove possibile notare che l utilizzo della sola benzina porta globalmente all ottenimento di una maggiore velocit di combustione fino ad un regime di 3500 giri min e che la MAP non ha alcuna influenza sulla durata della combustione durata di completa combustione 0 100 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano 1 bar benzina 1 un ana a amp o 6 2 E E ET animi 2 mi 1 Li 1 D 1 1 D 1 D 1 1 D 1 D 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 1 8 Confronto durata complessiva combustione 0 100 MFB da 1 bar a 1 6 bar x x In generale quindi possibile dire che ad alto regime si ottenuta una velocit di combustione prossima a quella del benzina considerando per il fatto che nel secondo caso la miscela utilizzata non stechiometrica ma ricca allo scopo di ridurre il pericolo di detonazione e abbassare la temperatura in camera Per capire quanto efficiente sia stato il motore dal punto di vista energetico occorre valutare il rendimento indicato ovvero il rapporto tra l energia ottenuta sotto forma di lavoro e l energia che viene
40. quindi una riduzione delle prestazioni VA n 5 va a 5 A coefficiente di riempimento n rendimento utile del motore V cilindrata del motore H potere calorifico combustibile a dosatura della miscela 27 rapporto tra il numero di giri e il numero di cicli compiuti dal motore motore 4 tempi 2 Va volume specifico dell aria aspirata dal motore densit data dal rapporto va vp vp volume specifico del combustibile Il termine viene chiamato parametro motoristico del motore A parit di condizioni un parametro motoristico pi alto consente di ottenere maggiore potenza Il problema del riempimento legato all utilizzo del combustibile gassoso pu essere attenuato attraverso la sovralimentazione che permette di aumentare la densit della miscela complessivamente aspirata dal motore La giustificazione dell utilizzo di combustibili gassosi trova risposta principalmente nel loro basso costo e nella riduzione delle emissioni inquinanti e rappresenta una valida e vantaggiosa alternativa ai combustibili derivati dal petrolio pertanto vengono impiegati dalle case automobilistiche per alimentare i motori ad accensione comandata nella versione bi fuel Sul mercato sono presenti diversi motori ottimizzati per il funzionamento sia a metano che a GPL per la loro diffusione legata allo sviluppo della rete di distribuzione del combustibile sul territorio nazionale La collocazione dei dist
41. ritorno della sonda lambda permette il conseguimento di una dosatura stechiometrica 65 4 Elaborazione dati 4 1 Analisi pressione Una delle grandezze pi importanti ai fini dei calcoli motoristici la pressione in camera di combustione Per la rilevazione viene utilizzato il sensore piezoelettrico che ha il compito di seguire le variazioni di pressione che avvengono con una certa frequenza L acquisizione di un segnale di pressione in uscita dal trasduttore piezoelettrico solamente il primo passo necessario per ottenere un dato di pressione accurato Infatti prima di essere utilizzato deve essere opportunamente manipolato Questo perch il sensore piezoelettrico misura variazioni di pressione quindi si ha la necessit di compensare il segnale attraverso una pressione di riferimento per tenere in considerazione il fatto che il sensore di tipo dinamico Esistono diversi criteri per la compensazione della pressione ma da analisi svolte precedentemente a questo lavoro si riscontrato che il criterio dell esponente della politropica di compressione risulta essere il pi adatto Tra i criteri pi utilizzati oltre a quello precedente viene utilizzato il criterio MAP che si basa sull uguaglianza della pressione nel collettore di aspirazione con quella presente all interno del cilindro quando lo stantuffo si trova al PMI e la valvola di aspirazione aperta A rigore la suddetta uguaglianza sussiste trascurando i fenom
42. 0 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 7 3 Curve di Coppia lorda per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel Per quanto riguarda la durata complessiva della combustione si pu osservare che con la miscela 40 60 si evidenziata una marcata riduzione di durata della combustione rispetto alle altre combinazioni La curva in giallo benzina permane la pi veloce a basso regime di rotazione ossia fino a 3500 giri min al di l di tale regime quale le differenze tra le curve tendono ad annullarsi 122 durata di completa combustione 0 100 107 1 6 bar 100 metano 1 6 bar 80 metano vi 1 6 bar 60 metano 857 1 6 bar 40 metano 87 1 bar benzina 7 57 bal in 1 tempo ms an i in 1 3 54 SI RU 1 1 T 1 1 1 D 1 1 1 T 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 7 4 Confronto durata complessiva combustione 0 100 MFB per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel Con MAP 1 6 bar la maggiore percentuale di benzina ha un influenza negativa sul rendimento Per tutte le combinazioni il rendimento tutto pi basso rispetto al 100 metano Se si volesse scegliere una strategia di funzionamento di ottimo rendimento a questo punto sarebbe opportuno utilizzare il solo metano rendimento indicato 0 39 1 6 bar 100 metan
43. 00 5250 5500 Regime giri min Figura 5 6 3 Curve di Coppia lorda per MAP 1 4 bar al variare della miscela double fuel E possibile mostrare le curve della durata complessiva di combustione fig 5 6 4 in cui si nota che l effetto dell aumento della percentuale di benzina in questo caso fornisce una velocizzazione della combustione gi dai 2500 giri min 118 durata di completa combustione 0 100 107 1 4 bar 100 metano 1 4 bar 80 metano 1 4 bar 60 metano 1 4 bar 40 metano 8 1 bar benzina tempo ms 1 2 I 1 D LI 1 D 1 1 1 1 D i 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 6 4 Confronto durata complessiva combustione 0 100 MFB per MAP 1 4 bar al variare della miscela double fuel Per miscele come il 60 40 e 40 60 si riesce ad avere ad alto regime una velocit di combustione superiore o pari a quella del benzina In generale le curve delle varie miscele a basso regime sono molto vicine per sono abbastanza distaccate dalla curva benzina Quindi a basso regime sovralimentando anche l utilizzo di piccole percentuali non ha consentito una velocizzazione della combustione L aumento della MAP ha portato sicuramente un beneficio in termini di prestazioni mentre l incremento della percentuale ha manifestato i suoi effetti solo in alcune condizioni Con LPP alti e con combustioni pi
44. 000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 4 11 Confronto rendimento indicato a MAP 1 tra CNG double fuel 80 metano 20 benzina e benzina 100 Riassumendo nelle prove fin qui effettuare anche variando la pressione di sovralimentazione il rendimento della miscela double fuel si mantiene nell intorno di quello del GNC ma comunque sempre ben al di sopra di quello del benzina Il rendimento indicato con benzina si pu osservare come si attesti su valori attorno allo 0 30 mentre quelli del double fuel o GNC siano prossimi a 0 35 0 36 Il rendimento double fuel pi alto perch la miscela con cui si alimenta il motore complessivamente stechiometrica a differenza del benzina in cui si persegue un arricchimento a pieno carico A lt 0 95 Per il GNC non avrebbe senso operare un arricchimento della miscela perch con tale strategia non si limita la detonazione ne velocizza la combustione 95 5 2 Analisi double fuel 60 GNC 40 Benzina Nel secondo set di prove stata utilizzata una miscela costituita dall 60 in massa di GNC e 40 di Benzina Anche in queste condizioni in corrispondenza di MAP pari ad 1 si avuto un miglioramento nell utilizzo della miscela double fuel su quasi tutti i punti di funzionamento e in particolare a 3000giri min con un incremento di pmi dell ordine del 1525 fig 5 2 1 PMI DELTA 1 bar 100 metano 1 bar 60 metano Differenza
45. 09 24 0058 24 Pipitone E Beccari S Performances and Emissions Improvement of an 5 1 Engine Fuelled by LPG Gasoline Mixtures SAE TECHNICAL PAPER 2010 01 0615 ISSN 0148 7191 135 SAE 2010 World Congress Detroit Michigan USA 13 15 Aprile 2010 published on SI Combustion and Direct Injection SI Engine Technology 2010 ISBN 978 0 7680 3415 8 DOI 10 4271 2010 01 0615 25 Pipitone E Beccari A Determination of TDC in internal combustion engines by a newly developed thermodynamic approach Applied Thermal Engineering Volume 30 Issues 14 15 October 2010 Pages 1914 1926 DOI 10 1016 j applthermaleng 2010 04 012 26 Pipitone E A comparison between combustion phase indicators for optimal spark timing Journal of Engineering for Gas Turbines and Power ASME Vol 130 Issue 5 Settembre 2008 DOI 10 1115 1 2939012 136
46. 14 7 per la benzina e circa 17 per il metano Quindi noto il rapporto tra l aria introdotta e la benzina si formeranno una determinata quantit di prodotti 48 3 2 Ambiente LabView LabVIEW un linguaggio di programmazione grafica che utilizza icone invece di linee di testo per creare applicazioni Vengono realizzati algoritmi di calcolo chiamati VI virtual instrument mediante i quali possibile creare applicazioni di test e misura di acquisizione dati di controllo degli strumenti di memorizzazione dati di analisi delle misure e di generazione di rapporti In contrasto con i linguaggi di programmazione testuali in cui le istruzioni determinano l esecuzione del programma LabVIEW utilizza la programmazione basata sul flusso di dati in cui il flusso stesso a determinare l esecuzione In LabVIEW possibile realizzare un interfaccia utente nota come pannello frontale utilizzando un insieme di strumenti e di oggetti E possibile aggiungere i codici utilizzando la rappresentazione grafica delle funzioni per controllare gli oggetti del pannello frontale Lo schema a blocchi contiene questi codici e somiglia in una certa misura ad un diagramma di flusso In questo lavoro verr utilizzato per l analisi dei dati acquisiti attraverso il sistema di acquisizione 17 In questo lavoro l analisi dei dati stata effettuata attraverso la realizzazione di un algoritmo di questo tipo in modo da avere una visione e una gestione ra
47. 250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 1 Andamento idrocarburi incombusti per miscela double fuel 80 metano 20 benzina con A 1 0 03 Dai grafici possibile osservare come gli HC e l O2 presentano lo stesso andamento ovvero tendono ad aumentare con la MAP Gli HC arrivano fino a valori di 1700 p p m mentre il tenore di ossigeno presente allo scarico supera il 3 in volume 124 o2 3 67 1 bar 80 metano 47 1 2 bar 80 metano 3 2 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano 3 2 8 2 6 O2 95vol N N n 0 8 0 67 T T T T T T T T T T T T T T T T T 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 2 Andamento dell ossigeno per miscela double fuel 80 metano 20 benzina con A 1 0 03 A basso regime probabilmente un corto circuito tra collettore di aspirazione e collettore di scarico durante l incrocio delle fasi una porzione di miscela passa allo scarico senza bruciare Effetto tanto pi evidente quanto pi alta la MAP Per quanto riguarda il CO risulta essere da dosatura stechiometrica crescente con il regime e diminuisce con l aumentare della MAP fig 5 8 3 questo porta ad escludere l ipotesi di combustioni incomplete co 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano
48. 40 GNC 60 Benzina 103 5 4Analisi 1 bar 110 5 5Analisi 1 2 bar 114 5 6 Analisi 1 4 bar 117 5 7 Analisi 1 6 bar 121 5 8 Emissioni inquinanti 124 6 Conclusioni 131 BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA 134 Introduzione Negli ultimi anni la crescente attenzione al contenimento delle emissioni inquinanti prodotte dai propulsori dei veicoli stradali ha stimolato la ricerca e l utilizzo di combustibili fossili alternativi che garantiscano un minor impatto ambientale Tra i combustibili fossili alternativi attualmente disponibili sul mercato il metano presenta numerose potenzialit e la scelta da parte dei consumatori di utilizzarlo in modo pi diffuso come carburante per autotrazione permette anche un risparmio economico Un automobile alimentata a metano rispetto ad una autovettura a benzina ha emissioni inquinanti inferiori del 18 per la CO2 del 72 per gli ossidi di azoto del 75 per il monossido di carbonio dell 82 per gli idrocarburi incombusti e dell 88 per l ozono 1 In Italia l utilizzo del metano per la propulsione stradale ha subito una forte accelerazione negli ultimi anni per il concorso di una serie di eventi positivi Innanzitutto l interesse delle case automobilistiche per questa soluzione che in passato avevano fortemente contrastato A partire dal 1995 Volvo e Bmw hanno immesso sul mercato le prime auto a metano fornite ed omologate direttamente dalle case costruttrici Nel nostro paese la Fiat fu la prima a mettere in
49. 7 Sistema di misura della pressione in camera Un altro sensore fondamentale installato sul motore l encoder di tipo ottico che presenta la caratteristica di fornire due segnali uno costituito da un impulso fornito per ogni giro dell albero motore utilizzato come segnale di trigger all acquisizione l altro segnale invece costituito da una serie di impulsi digitali di tipo TTL 360 impulsi per ogni giro dell albero Utilizzati come scan clock per l acquisizione della pressione nel collettore di aspirazione e in camera di combustione Si ha quindi una acquisizione con una precisione del grado di manovella Nel collettore di aspirazione presente un sensore di pressione MAP Manifold absolute pressure di tipo piezoresistivo che viene adoperato per la gestione del motore fiat anche quando sovralimentato In realt possibile ottenere un altro segnale di 42 pressione attraverso l AFRecoder prodotto dalla ECM serie 2400 che rappresenta un sistema utilizzato per la calibrazione dei motori che fornisce altri parametri tra cui dosatura anticipo di accensione regime motore fig 3 1 8 15 Questo dispositivo al fine di determinare la pressione viene collegato al collettore di aspirazione attraverso un tubicino e il Figura 3 1 8 ECM AFRecorder segnale rilevato viene poi inviato alla centralina Walbro Il collegamento al pc assicurato tramite cavo dati RS 232 Tra i dispositivi utilizzati anche
50. 72 Acq press MFB 72 00 1532 Figura 3 1 4 VI di visualizzazione dati in tempo reale 39 Questo algoritmo chiamato VI virtual instrument permette di analizzare in tempo reale i dati acquisiti visualizzarli graficamente sul monitor del pc e salvare l insieme dei dati istantaneamente Trai parametri visualizzati si possono elencare Pressione 720 valori MAP Pa Regime gir min Coppia Nm MAP medio Pa Umidit relativa Anticipo di accensione Lambda Consumo kg h Portata d aria 1 5 P ambiente bar T ambiente C tempo iniezione metano ms Il computer ha anche i compito di gestire la centralina di sviluppo installata per variare i parametri di funzionamento del motore La centralina Walbro TDD di tipo programmabile e consente di creare una mappatura completa ed in grado di sostituire quella originale Questa centralina consente la gestione dei tempi iniezione fasatura iniezione anticipo di accensione fino a 6 cilindri oltre alla gestione della posizione della valvola parzializzatrice attraverso un quadro di controllo di un software fig 3 1 5 installato su pc WinCons 40 WinCons2k 2 CNS MINJ400t it DCN Apri Console COM Consolle Parametri Configurazione e Stato F1 F2 D G i A E ARTE dure MAP EE MN INJ3 TENGINE SPARK2 VALVPOSITION z Correzione ADDI iniezione STEP 8 Fle T
51. 8 100 Tempo estinzione 90 100 1 bar 60 metano 1 2 bar 60 metano 1 4 bar 60 metano 1 6 bar 60 metano 1 bar benzina Tempo ms LI 1 LI 1 1 1 D 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime airi min Figura 5 5 8 Confronto tempi di estinzione 90 100 MFB da 1 bar a 1 6 bar Nella parte finale della combustione dopo i 400ogirilmin la pressione di sovralimentazione unitamente alla pi alta turbolenza porta ad un miglior miscelamento e ad un estinzione pi rapida Si ha infatti un distacco netto in corrispondenza dei 4000giri min tra le prove ad 1 bar e quelle a pressione pi elevata durata di completa combustione 0 100 1 bar 60 metano 1 2 bar 60 metano 1 4 bar 60 metano 1 6 bar 60 metano 1 bar benzina tempo ms 27 1 D 1 1 D 1 1 D 1 1 1 U 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 2 9 Confronto durata complessiva combustione 0 100 da 1 bar a 1 6 bar Nella figura precedente viene riportato l andamento della durata complessiva della combustione fig 5 2 9 Si pu notare che la MAP ha scarsa influenza nel velocizzare la 101 combustione Le curve per MAP 1 4 bar e 1 6 bar sono comunque leggermente pi basse di quella ad 1 Pe
52. 80 metano 20 benzina Come si pu notare 1500 giri min il lambda calcolato si porta a valori di 0 42 come se si avesse una miscela molto ricca in realt la portata dell aria che scende al di sotto della 81 soglia minima misurabile AI di l dei 2000giri min il A torna ad essere prossimo ad 1 poich la portata d aria supera i 19 l s Ritenendo attendibile il calcolo del A attraverso il rapporto delle portate stato assunto come parametro di riferimento nello svolgimento delle prove in cui la portata d aria aspirata risulti essere sopra i 19 1 5 Nelle prove in cui la portata scende al di sotto del valore di soglia si utilizzato il A fornito dalla sonda Uego Contestualmente a queste prove sono state rilevate le emissioni inquinanti le quali hanno messo in evidenza in alcune condizioni la presenza di ossigeno allo scarico e di emissioni da dosatura non stechiometrica In particolare le prove hanno indicato la possibile presenza a basso regime di un corto circuito di miscela allo scarico prodotto da un incrocio valvole che causa una scorretta misurazione della sonda Uego Si riscontrato che il corto circuito si manifesta a MAP maggiori di 1 bar e l entit di tale fenomeno aumenta all aumentare della pressione di sovralimentazione Questo fenomeno si manifesta poich aumentando la differenza tra la pressione nel collettore e quella allo scarico il gas tende spontaneamente a fluire verso pressioni pi basse porta
53. Stato _4 Controllo motore passo passo minimo valvola scarico etc Figura 3 1 5 Interfaccia WinCons Nella postazione presente anche il quadro di abilitazione ed accensione del motore e l analizzatore dei gas di scarico Come gia accennato sul motore sono stati installati una serie di sensori a corredo tra questi il sensore di pressione in camera di combustione fig 3 1 6 Piezo Cable CI31 1 1000 mm M3x0 35 Figura 3 1 6 Sensore di pressione 41 Il trasduttore di pressione utilizzato prodotto dalla AVL modello GU313Z si affaccia direttamente in camera di combustione ed costituito da un corpo metallico al cui interno presente un elemento sensibile piezoelettrico mentre dalla parte esposta alla camera di combustione si ha un diaframma che separa l elemento piezoelettrico dal gas Naturalmente a valle del trasduttore occorre un amplificatore di carica Presenta un range di misura da o a 200bar e resiste a shock maggiori di 2000 g Nella figura sottostante viene mostrato il sistema di misurazione della pressione in camera dal motore al software di gestione fig 3 1 7 The Piezoelectric Pressure Measurement System the piezoelectric pressure measurement system basically consists of the following components Indicating system E Transducer i cooling Data acquisition evaluation Combustion engine Analogue Display 2955 cm Measurement cables Figura 3 1
54. Utet 12 http it wikipeia org wiki Metano 134 13 Utilizzo di combustibili non fossili in motori a combustione interna C l Tombari 2012 14 Benefici ambientali del metano per autotrazione Lorenzo Bertuccio Direttore scientifico euromobility CNR 15 http www macchine unisa it Dipartimento di Ingegneria Meccanica Universit di Salerno 16 http www ecm co com product asp 2400 17 Guida corso base labview 18 Soffiatori a lobi roots Centra Vacuum Technology a Finder Pompedivision BLW 19 Control Techniques Unidrive SP Manuale Utente 200 20 http www unipa it alonge sistemiz20diz20controllo 1 pdf 21 Cammalleri M Pipitone E Beccari S Genchi G A mathematical model for the prediction of the injected mass diagram of a S l engine gas injector Journal of Mechanical Science and Technology Volume 27 Issue 11 November 2013 Pages 3253 3265 DOI 10 1007 s12206 013 0848 6 22 Pipitone E Beccari S Calibration of a knock prediction model for the combustion of gasoline natural gas mixtures ASME Internal Combustion Engine Conference ICEF 2009 Lucerna Svizzera 27 30 Settembre 2009 DOI 10 1115 ICEF2009 14057 23 Pipitone E Beccari S Performances improvement of a S l CNG bi fuel engine by means of double fuel injection SAE TECHNICAL PAPER 2009 24 0058 ISSN 0148 7191 9th International Conference on Engines amp Vehicles ICE2009 Capri 13 18 Settembre 2009 DOI 10 4271 20
55. a l aria utilizzata poi per la combustione e dall altro i gas di scarico fig 2 1 5 due gas entrano in contatto tra loro e vengono fatti girare dalla girante dopodich i gas di esausti fuoriescono dallo scarico mentre l aria di aspirazione caricata dalla pressione dei gas di scarico viene introdotta nella camera di combustione ad una pressione pi alta di quella atmosferica 11 Gli svantaggi di questo sistema sono legati ad un riscaldamento dei gas d aspirazione essendo i gas di scarico molto caldi anche l aria di aspirazione viene riscaldata per cui necessario un dispositivo di raffreddamento per evitare una forte perdita di potenza del motore e alle impurit deii gas freschi che dovendo andare a contatto con i gas combusti vengono inquinati Questo sistema stato provato in passato anche dalla Ferrari all epoca delle auto di F1 sovralimentate ma il tallone di Achille del Comprex era che la cinghia di collegamento del rotore con l albero motore era estremamente soggetta a rottura per via delle repentine e violentissime accelerazioni a cui era sottoposta Attualmente il Comprex stato praticamente accantonato colpa anche del rendimento che non raggiunge quello di un turbocompressore e dell inquinamento dell aria d aspirazione ad opera dei gas di scarico che ne sconsigliano l uso sui motori ad accensione comandata limitandone quindi l installazione sui propulsori ad accensione spontanea 14 Un altro tipo di co
56. a 3 3 13 Principio di Von Karman Entro le soglie applicative il fattore K dipende solo dalla geometria del dispositivo non dipende dalla velocit del flusso e dalle relative caratteristiche di viscosit e densit Di conseguenza il fattore K non dipende dal tipo di fluido da misurare che sia vapore gas o liquido Il segnale di misura primario gi digitale segnale in frequenza ed una funzione lineare della portata Il misuratore di portata viene alimentato tramite un alimentatore a corrente continua alla tensione di 25v Questo misuratore di portata presenta un campo di misura affidabile dichiarato dal costruttore che va dai 10 1 5 ai 170 1 5 Nelle diverse condizioni di funzionamento del motore il regime di minima portata misurabile dal misuratore dipende dalla MAP imposta Da questo si osservato che stato possibile effettuare una misura affidabile a partire dai 2500 giri min per MAP 1 bar mentre ad esempio a MAP 1 6bar gi dai 2000giri min grazie alla maggiore quantit di aria aspirato dal motore fin dai bassi regimi Un altro dispositivo utilizzato nelle prove di cui non si parlato in precedenza l analizzatore di gas di scarico Motorscan 8020 Quest ultimo uno strumento di misura impiegato per la determinazione delle frazioni volumetriche di specifici componenti dei gas di scarico del motore di un veicolo fig 3 1 14 Un analizzatore di gas di scarico misura le emissioni di CO e NOx
57. a MAP 1bar l utilizzo del 60 di benzina consentiva l ottenimento di una pmi analoga a quella del benzina Questa condizione indica che non possibile ottenere una pmi analoga a quella del caso benzina e con per un rendimento pi alto 109 5 4 Analisi 1 bar Effettuata l analisi sul comportamento di ogni singola miscela alle varie pressioni di sovralimentazione stato possibile effettuare un confronto a parit di MAP al variare della percentuale dei combustibili noto che la sovralimentazione gioca un ruolo fondamentale sulla quantit di energia liberata all interno del cilindro e che aumentando la MAP a parit di condizioni la pmi aumenta Si pu osservare che il rapporto tra le percentuali di combustibile nella miscela ha anch essa un influenza ed in particolare all aumentare del contenuto di benzina aumenta la pressione media indicata Dalla ricchezza di benzina della miscela il motore riesce a erogare una quantit di energia superiore e in particolar modo con miscele costituite dal 40 di metano e 60 di benzina fig 5 4 1 Curve PMI 10 2 1 bar 100 metano 10 1 bar 80 metano 9 8 1 bar 60 metano 1 bar 40 metano 9 6 1 bar benzina 9 4 PMI bar wo 1 7 8 ST 1 D 1 D 1 D 1 D D 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 4 1 Andamento della pmi per MAP 1 bar al variare
58. a mcos del combustibile deve essere calcolata considerando le masse dei due combustibili Ovvero Mcomb Mb Mg dove mp la massa della benzina e mg la massa del combustibile gassoso determinata dalla caratteristica dell iniettore per dato tempo d iniezione La dosatura stechiometrica deve essere calcolata come Dove ap e ag sono le dosature stechiometriche rispettivamente della benzina e del gas naturale In alcune prove eseguite a MAP maggiore di 1 bar sono state riscontrate differenze tra il A calcolato dal rapporto delle portate e il A visualizzato dalla sonda Uego Differenze legate ad un errore di valutazione sulla portata d aria aspirata a basso regime stato appurato infatti che il misuratore di portata d aria fornisce una misura affidabile sopra i 19 1 5 In corrispondenza di bassi regimi la portata d aria misurata scende al di sotto di questa soglia misurabile e il misuratore fornisce un valore errato della portata In seguito viene riportato un grafico del confronto tra il A calcolato dalla misura delle portate e quello imposto nel caso di pressione di sovralimentazione di 1 6 bar fig 4 3 4 Confronto Lambda uego Lambda calcolato Calcolato 0 95 0 9 0 85 0 55 0 5 0 45 0 4 T j 1 1 1 1 1 1 1 1 1 I 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 Regime Figura 4 4 1 confronto A Uego A calcolato prova 1 6 bar
59. a sottile di metalli catalizzatori primi sistemi di abbattimento delle sostanze inquinanti introdotti in commercio erano di tipo ossidante nei confronti di HC e CO e non erano in grado di abbattere l ossido di azoto moderni catalizzatori invece sono dette trivalenti perch riescono ad abbattere HC CO e NO 22 Con l introduzione delle normative anti inquinamento nonostante gli ottimi risultati ottenuti per la riduzione delle sostanze inquinanti i motori alimentati a gasolio vedono nelle stringenti norme comunitarie una concreta minaccia Questo perch la normativa Euro 6 ovviamente sar pi restrittiva dell attuale Euro 5 in particolar modo nei confronti dell azoto motori diesel attualmente in commercio siano essi Euro 5 o Euro 4 pur rimanendo nei limiti imposti hanno un emissione di azoto molto superiore a motori a benzina di pari potenza e o cilindrata Molte case automobilistiche stanno lavorando alla progettazione di filtri per azoto gi esistenti adatti a rientrare nella nuova normativa Il problema per sta nel fatto che le case automobilistiche ammettono che questi filtri hanno prezzi alti e che quasi tutti gli impianti di scarico da loro prodotte dovranno essere riprogettate In sostanza per far si che i motori diesel di ultima generazione riescano a rispettare la norma euro 6 dovranno possedere allo scarico un sistema di abbattimento delle emissioni molto complesso Al aumentare dei rapporti di compressio
60. ale che integrativo permettendo una buona versatilit de sistema 20 Nella figura seguente possibile osservare da sinistra verso destra il BNC 21 20 a cui collegata la scheda di acquisizione il notebook in cui installato il software di gestione del compressore e infine l analizzatore dei gas di scarico Figura 3 3 9 Sistema di controllo compressore e rilevatore di gas di scarico 57 Alla fine dell acquisizione i dati salvati per ogni singola prova effettuata sono inseriti all interno di un file di testo dati salvati nel file di testo sono sostanzialmente MAP regime e coppia del Bruschless 58 3 4 Sistema di controllo e acquisizione temperature A corredo del banco prova motori presente una postazione in cui vengono tenute sotto esame le temperature ritenute di maggior interesse per il funzionamento del sistema fig 3 4 1 Come si pu osservare dalla figura presente un notebook in cui installato il software di gestione delle temperature l alimentatore del misuratore di portata d aria aspirata e a destra l oscilloscopio per il controllo della detonazione Anche questa postazione di acquisizione sfrutta un algoritmo digitale sviluppato su LabView che consente di acquisire i livelli di temperatura nelle diverse condizioni di funzionamento e segnalare il superamento dei livelli di temperatura attraverso segnali di allarme fig 3 4 2 Figura 3 4 1 Sistema di controllo temperature 59 acq t
61. alori di rendimento simili a quelli di un motore alimentato con combustibili liquidi a parit di potenza produce una minore quantit di CO2 13 20 2 2 L impatto ambientale e la normative europea Gli idrocarburi incombusti prodotti dallo scarico dei motori a metano sono costituiti per oltre il 90 da metano che non ha nessuno effetto negativo sull ambiente e che nella legislazione italiana ed internazionale non considerato inquinante Le problematiche relative all inquinamento del metano sono legate al suo impatto sull effetto serra che per ampiamente compensato dall effetto benefico della riduzione di emissioni di anidride carbonica Il motore a metano riduce di circa il 20 le emissioni di CO rispetto ad un analogo motore a benzina e la quota massima di CH incombusto emesso allo scarico equivale ad una maggiore emissione di CO di 1 o 2 punti percentuali Rimane allora un vantaggio netto del 18 Le emissioni inquinanti provocate dal traffico veicolare dipendono sostanzialmente dal tipo di combustibile utilizzato dalla tipologia di veicolo e dalle tecnologie impiegate motori a gasolio emettono principalmente anidride carbonica CO vapore acqueo H O particolato carbonioso ossidi di azoto NOx e biossido di zolfo SO Un motore a benzina cosi come i motori veicoli alimentati a GNC Gas Naturale compresso e GPL emettono monossido di carbonio CO CO NOx idrocarburi incombusti HC e naturalmente vapore a
62. alta percentuale di benzina ovvero la 40 60 132 Naturalmente anche in questo caso necessario l utilizzo si una centralina elettronica che riconosca in funzione delle richieste del guidatore quale strategia pi opportuno implementare 133 Bibliografia e Sitografia 1 Libro bianco sul metano per autotrazione studi di economia e comunicazione Veronica Carletti Vincenzo Conte Ermanno Molinari Camera dei deputati 2009 2 http it wikipedia org wiki Fiat_Multipla_ 1998 3 Milleruote Grande enciclopedia dell automobile vol 9 Editoriale Domus quattro ruote Milano Istituto geografico De Agostini Novara 4 La sovralimentazione volumetrica per motori ad accensione comandata ad alte prestazioni G Cantore S Fontanesi E Mattarelli L Montorsi Dipartimento di Scienze dell Ingegneria Universit di Modena e Reggio Emilia 5 http www appuntidigitali it 11794 motori a combustione interna la sovralimentazione 1a parte 6 Macchine Alberto Beccari Clut 7 http it wikipedia org wiki Sovralimentazione tramite compressore volumetrico http www dipmec univpm it disegno didattica progetti Turbocompressore Relazione ht m 8 http www wroar net pages sovralimentazione motori 1 html 9 www omniauto it Autore Salvatore Loiacono 10 http www appuntidigitali it 12361 motori a combustione interna la sovralimentazione 3a parte 11 Motori termici volumetrici Alberto Beccari Carmelo Caputo
63. ar fig 5 2 4 la caduta di pmi a 4000giri min legata ad un aumento dell LPP fig 5 2 5 in cui proprio la temperatura del motore che predomina sul manifestarsi di una pi forte turbolenza in camera PMI DELTA 17 16 5 16 15 5 15 PMI bar n n 1 Id 22024344 20 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 2 4 Confronto pmi a 1 6 bar tra miscela 60 metano 40 benzina e 100 metano 98 LPP 1 6 bar 100 metano 1 6 bar 60 metano 144 1 1 D 1 1 D 1 1506 21 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Regime giri min Figura 5 2 5 Confronto LPP tra miscela 60 metano 40 benzina e 100 metano Come si vede dalla figura precedente LPP del GNC 100 si attesta attorno a 15 segno di un ottima fasatura mentre quello della miscela double fuel sale fino ad oltrepassare i 23 E da sottolineare comunque il fatto che l impianto di raffreddamento della sala prova motori stato originariamente progettato per far funzionare il motore in modalit aspirata dove le temperature si mantengono sostanzialmente pi basse in tutte le condizioni di funzionamento Le prove sono state fatte nel periodo invernale con basse temperature esterne tuttavia l impianto risultato insufficiente Per quanto riguarda invece la durata della combustione si assistito come nel caso precedente ad una veloc
64. atamente in movimento verso la zona a bassa pressione ossia la camera di combustione per arrestarsi appena il pistone inizia la corsa verso l alto A causa dell inerzia per la colonna di aria si muove con un certo ritardo e si arresta con una certa lentezza Inoltre nella colonna in movimento si creano dei fenomeni pulsatori che non sono altro che vere e proprie onde di pressione Questi fenomeni pulsatori e le relative risonanze possono essere sfruttate variando la lunghezza del collettore e la fasatura dell aspirazione in modo tale che la chiusura delle valvole coincida con l istante in cui l onda di pressione viaggia in direzione della valvola stessa In questo modo poco prima 15 della fase di compressione entra nel cilindro una quantit supplementare di aria compressa per mezzo dei fenomeni pulsatori creatisi all interno del collettore migliorando quindi il rendimento volumetrico fino a renderlo maggiore di 1 ovvero effettuando un vera e propria sovralimentazione Nei motori di serie si impiegano in genere valvole a farfalla che aprendosi e chiudendosi obbligano l aria a compiere percorsi differenti all interno del sistema di aspirazione di conformazione complessa come Figura 2 1 7 Sistema di aspirazione a geometria variabile se si avessero condotti singoli di diversa lunghezza Quasi al termine dell aspirazione l inerzia dell aria in ingresso fa aumentare la pressione nel condotto di aspirazione alla base
65. ato da un filtro passa alto e quindi rimossa la componente continua Per misurare il consumo di combustibile viene utilizzato il misuratore di portata Promass 80 prodotto dalla Endress Hauser fig 3 1 11 ad effetto Coriolis E uno strumento di elevata precisione affidabilit che fornisce direttamente la misura della portata massica attraverso il display e ne invia l informazione anche al sistema di acquisizione Figura 3 1 11 Misuratore di portata combustibile Il misuratore di portata utilizzato consente misurazioni della portata in un range che varia tra o e 2000 kg h Nella misurazione delle piccole portate di combustibile e in particolare al di sotto dei 0 4 kg h lo strumento di misura commette un errore che comincia a rendere la misura poco affidabile Motivo per cui si verificato di non scendere al di sotto dei 0 6 kg h di questo valore limite che rende la misura non affidabile Per quanto riguarda la misura della quantit d aria aspirata dal motore possibile utilizzare un misuratore a precessione di vortici fig 3 1 12 Per la misura della portata del metano invece si era pensato all utilizzo di una linea di misura in parallelo a quella precedente con un ulteriore misuratore Mini Coriflow il 45 quale per presentava un limite superiore di misura dell ordine di 2kg h Valore facilmente superabile per basse percentuali di metano e per bassi regimi della miscele double fuel utilizzate Per questo motiv
66. ato il beneficio ottenuto in termini di durata della combustione La combustione stata suddivisa in tre fasi innesco propagazione ed estinzione Nei grafici sono state riportati anche le curve relative alle prove svolte con benzina a MAP 1bar poich la velocit di combustione di questo combustibile risulta essere notoriamente pi alta di quella del metano In questo modo la durata di combustione della benzina potr essere utilizzata come riferimento per valutare eventuali benefici nell utilizzo di miscele double fuel anche se in realt le curve del benzina hanno una dosatura non stechiometrica ma ricca Come si pu notare dalla figura 5 1 5 la fase di innesco risulta essere agevolata anche dall utilizzo di una bassa percentuale di benzina Infatti gli andamento della combustione rapida del double fuel ricopiano la curva in giallo del benzina 89 Tempo innesco 0 10 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano 1 bar benzina Tempo ms 0 7 T 1 U 1 1 1 1 J 1 1 D T I 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 1 5 Confronto tempi d innesco 0 10 MFB da 1 bar a 1 6 bar La sovralimentazione in questo frangente aiuta la fase si innesco e in particolar modo ai bassi regimi in quanto la maggior densit della carica favorisce la propagazione in condizioni laminari Nella fase di pro
67. ausato di una mancata partecipazione della benzina nella combustione L aumento delle emissioni inquinanti rispetto al caso di combustione stechiometrica pu essere anche di un ordine di grandezza a causa dell incapacit da parte dei catalizzatori trivalenti di operare correttamente l abbattimento di CO e HC quando la dosatura ricca Un catalizzatore infatti ha un elevata efficienza di conversione sia per ossidazione che per la riduzione solo se opera in un piccolissimo intervallo di dosature nell intorno dello stechiometrico fig 2 4 1 15 31 100 20 Conversion Efficiency 90 60 40 20 Figura 2 4 1 Finestra di funzionamento catalizzatore per motore alimentato a benzina L applicazione della strategia bi fuel nei motori ad accensione comandata richiede una serie di modifiche hardware tra cui l installazione di un sistema di iniezione mentre a livello software occorre solamente una diversa mappatura di gestione del motore da parte della centralina La strategia bi fuel quindi rappresenta una soluzione che consente un compromesso tra prestazioni riduzioni di sostanze inquinanti e risparmio economico legato al minor costo del combustibile gassoso 32 2 6 Caratteristiche della strategia Double Fuel Il concetto di Double Fuel nasce da un progetto di ricerca ideato e sviluppato nel Dipartimento di Ingegneria Chimica Gestionale Informatica Meccanica dell Universit degli studi di Palermo rivolto
68. cinati da un turbo espansore azionato dai gas di scarico del motore Altri sistemi usati possono essere il Comprex la sovralimentazione per risonanza o la sovralimentazione chimica Particolari forme di alimentazione del motore dette di prealimentazione e di postalimentazione rientrano nel criterio generale della sovralimentazione nel senso che introducendo aria nel cilindro al di fuori del periodo teorico di carica a pressione normale possono fare conseguire un riempimento al termine del rinnovo del fluido maggiore di quello corrispondente alla cilindrata e alle condizioni termodinamiche dell ambiente esterno di aspirazione La pre alimentazione nei motori 4 tempi consente il lavaggio dello spazio morto sfruttando un notevole incrocio delle fasi di aspirazione e scarico ed i fenomeni dinamici nei condotti omonimi Questo lavaggio molto benefico perch raffredda le pareti pi calde del motore come la valvola di scarico parti che in seguito alla sovralimentazione diventano pi critiche nei riguardi della detonazione La post alimentazione nei 2 tempi riguarda sostanzialmente la fase di carica che avviene a pressione maggiore di quella dell ambiente con luci di scarico chiuse Alcuni costruttori puntano sulla cosiddetta sovralimentazione dinamica coadiuvata da complessi sistemi a geometria variabile che fruttando l inerzia della colonna d aria all interno dei condotti d aspirazione consente un maggior riempimento dei cilin
69. combustione V dp V dp dO nn m H dx zd D comb gt dx i DP comb k 1 m H k 1 in cui mp la massa di combustibile in kg ciclo H il potere calorifico inferiore dello stesso espresso in J kg L unit di misura del dQcomb J La velocit di combustione viene normalizzata rispetto alla massa combusta al termine della combustione e determinata come 72 V dp comb d k 1 E V dp comb addi di V AD comb 2 X V bi bi Nota l MFB possibile calcolare la durata di combustione La durata stata suddivisa in tre fasi La prima quella di innesco ed inizia nell istante in cui parte il comando di scarica del secondario della bobina e termina convenzionalmente non appena il 10 della massa di miscela e stata coinvolta dalla combustione La seconda fase rappresenta quella in cui viene bruciato il 90 della miscela e in cui si sprigiona la maggior parte dell energia Questa fase va dal 10 al 90 di MFB ed definita fase di propagazione rapida della fiamma La terza l estinzione della fiamma ovvero quella che va dal 90 al 100 di MFB In questa fase pur sprigionandosi appena il 102 dell energia complessiva del ciclo occorre una quantit di tempo paragonabile a quella delle due fasi precedenti Z3 4 3 Prove preliminari Allo scopo di stabilire quali siano i parametri operativi del motore nel funzionamento con miscela double fuel sono state eseguite una serie di prove preliminari u
70. comunque integrate nella scocca per le nuove vetture concepite per il funzionamento a metano Il combustibile gassoso presente nel serbatoio viene inviato tramite una speciale tubazione ad un riduttore di pressione che ne riduce la stessa a circa 10 bar E presente inoltre un sensore di pressione che invia un segnale ad un indicatore per visualizzare la quantit di metano ancora disponibile ed alla centralina elettronica che comanda gli iniettori di carburante e le valvole di apertura chiusura delle bombole L impianto dotato di un commutatore metano benzina che pu essere attivato dal guidatore della vettura Il motore quindi funziona normalmente a metano ma se durante la marcia la pressione del gas nelle bombole scende sotto il minimo il controllo elettronico del motore commuta automaticamente il funzionamento a benzina veicoli a metano devono impiegare un catalizzatore sviluppato specificatamente per abbattere gli idrocarburi residui della combustione infatti oltre il 90 degli idrocarburi incombusti allo scarico emessi da un motore a metano sono costituiti proprio da metano poich esso si ossida con maggiore difficolt rispetto agli altri idrocarburi necessario adottare un catalizzatore realizzato con una quantit di metalli nobili pi elevata anche tripla rispetto ai comuni standard 26 x Come detto precedentemente grazie alle caratteristiche del metano possibile realizzare motori con un pi elevato rap
71. con connettori BNC Per evitare che il disturbo arrivi ai sistemi di acquisizione tutti i cavi sono stati dotati di filtri RC passa basso Il sistema motore elettrico compressore gestito in un notebook da un algoritmo di calcolo realizzato in LabView Il notebook provvisto di una scheda di acquisizione della National Instruments modello DAQ CARD 6062 le cui caratteristiche sono frequenza massima di campionamento pari a 500 kS s in multiplexing 8 canali e risoluzione di 12 bit La semplice interfaccia grafica del VI permette di controllare rapidamente e semplicemente il sistema consente di visualizzare parametri come coppia e velocit del motore brusshless e presenta due switch per passare da controllo regime a controllo MAP e da loop chiuso a loop aperto fig 3 3 8 impianto sovralimentazione 2 vi File Edit View Project Operate Tools Window Help PE B gt a e m as campionamenti per media buffer scan rate 2 Il loop chiuso i RA tipo controllo millisecond multiple 4 E Jo valori medi segnale campionato L 1300 P RPM 1200 a tensione comando V 30 10 1100 RPM 1000 700 3110000 600 500 110000 D 200 MAP AN 30 00 100 Vel brushless IAN 0 coppia brushless Lb D D D 7 D 1 D 1 100 voutbrushless 7882 7900 7920 7940 7960 7980 8000 8020 8040 8060 8082 uu Salva vel brushless RPM
72. cqueo H O La CO per viene prodotta in quantit inversamente proporzionale al rapporto H C del combustibile utilizzato e la combustione del metano presenta il vantaggio di non scaricare polveri sottili PM Esistono norme europee anti inquinamento che impongono un limite sempre pi restrittivo alla quantit di sostanze emesse dai veicoli 21 Passenger cars Euro O to Euro 6 Peto Nox Diese Nox 40 Diesel PM 30 20 emissions Euro 0 Euro 0 Euro 1 Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 Figura 2 2 1 Limiti percentuali di emissione imposti dalle normative europee Si tratta di una serie di standard identificati con la sigla Euro seguita da un numero che viene introdotto progressivamente dalla Comunit Europea Dal momento dell entrata in vigore di uno di questi standard le case automobilistiche devono terminare la vendita di nuovi veicoli con gli standard precedenti Negli anni si passati dall utilizzo di auto euro o prima del 1992 ad euro 1 fino ad arrivare alla normativa vigente euro 5 entrata in vigore 2009 che nel 2015 verr soppiantata dalla normativa per l omologazione di vetture euro 6 Questo stato possibile grazie all introduzione dei catalizzatori ovvero un piccolo reattore chimico installato nel sistema di scarico dell automobile tra il motore e il silenziatore I catalizzatore presenta al suo interno una struttura di ceramica a nido d ape rivestita di una pellicol
73. della dosatura di funzionamento Con l introduzione del misuratore di portata a monte del sistema di aspirazione stato possibile rilevare la portata d aria aspirata dal motore e determinare la dosatura effettiva di funzionamento Preliminarmente al fine di verificare la dosatura stechiometrica sono state effettuate una serie di prove utilizzando il GNC per fissata MAP al variare del regime e del A In particolare sono state effettuare prove a MAP 1 bar a 2000giri min e 3000 giri min al variare di da 0 85 a 1 15 con incrementi di 0 05 per volta stato verificata la dosatura anche per A pari ad 1 a MAP 1 2 bar 1 4 bar e 1 6 bar in corrispondenza degli stessi regimi precedenti Dall analisi si ottenuto che la dosatura stechiometrica circa 16 9 valore diverso dal 17 2 del CH4 Il valore di 17 2 a rigore vale solo per il metano puro a causa la presenza altri idrocarburi pi pesanti che hanno delle dosature pi basse la dosatura subisce alcune variazioni per cui risulta essere poco meno di 17 Questo perch la dosatura data da una media pesata delle dosature degli idrocarburi presenti Nelle prove in cui si utilizzata una miscela double fuel per calcolare l indice di eccesso d aria occorrere conoscere la dosatura di funzionamento e quella stechiometrica Infatti a M aria ast comb dove m e Mcomb SONO rispettivamente la massa d aria e la massa di combustibile Quando si utilizza una miscela double fuel l
74. della valvola L effetto di questo fenomeno aumenta all aumentare del numero di giri ed pi rilevnte quanto maggiore la lunghezza del condotto Sovralimentazione chimica La sovralimentazione chimica consiste nel miscelare l aria aspirata dal motore con un fluido pi ossigenato Il composto pi utilizzato al giorno d oggi il protossido d azoto che contiene circa il 36 di ossigeno in peso Ogni molecola di questo gas composta da due atomi di azoto legati ad uno di ossigeno ossia N 0 Quando viene immesso attraverso opportuni diffusori nel collettore d aspirazione e quindi nella camera di combustione a causa delle alte temperature le molecole di protossido di azoto reagiscono tra loro a coppie Ovviamente se una molecola di protossido di azoto contiene due atomi di azoto ed uno di ossigeno due molecole conterranno quattro atomi di azoto e due atomi di ossigeno Nella reazione ad alta temperatura gli atomi rompono i legami molecolari e dalle due molecole di protossido d azoto NO N30 nascono due molecole di azoto puro N e una molecola di ossigeno puro Va da se quindi che l iniezione di protossido di azoto non fa altro che fornire chimicamente ulteriore comburente al motore in rapporto di una molecola di ossigeno 16 ogni due molecole di azoto Adeguando quindi la mandata di carburante possibile ottenere un sensibile aumento della potenza anche il 50 60 in pi e dell elasticit Il pr
75. determinate una serie di grandezze le cui principali sono la pmi rendimento indicato velocit di combustione potenza e coppia erogate Grandezze rilevate e confrontate successivamente con quelle ottenute con l utilizzo di miscele costituite da metano e benzina In analisi passate sul motore Fiat 1 2 8v MPI veniva utilizzato un sensore di di pressione con adattatore a candela montato in uno dei 4 cilindri Dall utilizzo di questo sensore erano state riscontrate prestazioni pi basse rispetto ai dati di targa forniti dal costruttore sia nel caso di funzionamento a benzina sia a metano Questo stato imputato al fatto che la candela integrata nell adattatore forniva una scintilla pi scadente e quindi combustioni peggiori Le prove effettuate in questa analisi sono state 74 eseguite utilizzando un sensore montato direttamente sulla testa esposto in camera senza adattatore Viene riportato a titolo di esempio e in riferimento alla prova a 1 bar a GNC il confronto tra le pmi ottenute utilizzando il sensore in camera e quello con adattatore fig 4 3 1 Confronto pmi 1 bar 9 20 Sensore P in camera 9 00 Sensore P con adattatore 8 80 8 60 8 40 pmi bar 8 20 8 00 7 80 7 60 7 40 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 regime giri min Figura 4 3 1 Confronto pmi ad 1 bar tra sensore in camera e con adattatore Come si pu notare nel caso in cui il sensore direttamente affacciato in
76. di variabili tali da rendere molto flessibile l utilizzo del motore da parte dell operatore In questa analisi il comando e la trasmissione dei dati avviene in remoto Questo permesso attraverso cavi dati che trasportano segnali con ampiezza di 0 10V o anche 10 10 fig 3 3 7 19 380 480 Vc a 10 kW a 400 V HP a 460 V Servizio normale Servizio gravoso n Corrente max in Potenza tipica di uscita motore Corrente max in Potenza tipica di uscita motore noh m serv continuo A kw HP serv continuo A kaw HP www controltechniques com Figura 3 3 7 Caratteristiche Unidrive SP2402 La logica sfruttata per il controllo del motore in questa analisi prevede il controllo di velocit in loop chiuso Il driver fa ruotare il motore con una data legge oraria imposta ne verifica la correttezza attraverso l encoder ed adegua i parametri di alimentazione sulla base agli imput fino a quando non si violano le condizioni di sicurezza Il sistema di controllo del motore leggermente sottodimensionato rispetto al brushless questa limitazione anche se contiene le capacit operative del motore garantisce un margine di sicurezza per la vita dello stesso 55 Tutti i cavi del driver sia quelli di alimentazione che quelli trasportatori di dati sono schermati perch il sistema propulsivo all interno del laboratorio provoca disturbi elettromagnetici Per il trasporto dei segnali vengono utilizzati dei cavi coassiali
77. di aria e gas ha l effetto benefico di incrementare la velocit di combustione mantenendo comunque una buona resistenza alla auto accensione della miscela carburata Questa condizione soprattutto con l utilizzo di gas naturale che presenta un numero di ottano superiore al GPL e alla benzina rende possibile l alimentazione del motore con miscele stechiometriche anche a pieno carico con anticipi di accensione ottimali Con l utilizzo del metano possibile ottenere una riduzione dei consumi rispetto al caso benzina di circa il 252 in quanto grazie all aumentata resistenza alla detonazione non sar pi necessario arricchire la miscela a pieno carico Questa situazione porta una 33 riduzione delle emissioni inquinanti grazie al fatto che il catalizzatore funzioner sempre in condizioni di massimo rendimento Nel caso di funzionamento con sola benzina l arricchimento a pieno carico viene effettuato per non incorrere nella detonazione che porta ad una riduzione della temperatura in camera alla velocizzazione della combustione Tutto ci porta a peggiorare i consumi poich una parte del combustibile non ha partecipato alla reazione di combustione Allo scarico saranno quindi presenti HC e CO con valori superiori alche di un ordine di grandezza rispetto al caso in cui si utilizzassero miscele stechiometriche Le percentuali di combustibili nella miscela devono permettere un miglioramento del riempimento con conseguente miglioramento di
78. direzione verticale senza comportare deformazioni dello stesso La pme la pressione media effettiva espressa come lavoro effettivo al ciclo per unit di cilindrata E un parametro che permette di confrontare le prestazioni di diversi tipi di motori Viene calcolata attraverso l espressione 47TC Pme V dove C la coppia Nm e V la cilindrata totale in La differenza tra la pmi e la pme la pressione a vuoto Dy Pmi Pme 68 In condizioni di funzionamento a vuoto la pmi pari alla py il rendimento organico nullo e il lavoro prodotto viene dissipata per attrito per mantenere in rotazione il motore Dal rapporto tra la pme e la pmi possibile determinare il rendimento organico Dme Dmi possibile anche determinare il rendimento indicato ni e il rendimento effettivo ne dati rispettivamente da Li Le e a Qi dove L il lavoro indicato al ciclo J ciclo Le il lavoro effettivo J ciclo Qi il calore introdotto con il combustibile J ciclo Il calore introdotto dato dal prodotto massa combustibile per potere calorifico inferiore nel caso di iniezione di due combustibili double fuel dato dalla media ponderata degli stessi Qi mb Hi mg dove mp la massa della benzina mg la massa del gas mentre Hi sono i poteri calorifici dei rispettivi combustibili Il potere calorifico della benzina pari a 43 7 MJ kg mentre per
79. dri Un altra via quella della sovralimentazione mediante compressore esterno sia volumetrico che dinamico Quest ultima strada consente di ottenere il target di potenza con cilindrate relativamente basse ma presenta al tempo stesso alcune problematiche Il turbo compressore infatti richiede un difficile compromesso tra l esigenza di buona guidabilit e di basso consumo specifico La sovralimentazione volumetrica tradizionale invece aveva inizialmente come controindicazioni consumi e rumorosit elevate Tuttavia la recente evoluzione dei compressori volumetrici e turbo gruppi a gas di scarico ha indotto alcuni costruttori a riprendere questa soluzione abbinandola ad un sistema a controllo elettronico 4 1 2 Metodi per la sovralimentazione Per sovralimentare un motore occorre utilizzare dei sistemi in grado di comprimere l aria aspirata e la macchina comunemente impiegata il compressore Le tipologie di compressori e i metodi di azionamento portano ad individuare due grandi famiglie di compressori compressori volumetrici compressori dinamici nei primi la macchina realizza una riduzione del volume del fluido su cui opera ottenendo quindi un diretto incremento della sua pressione nella seconda tipologia il trasferimento di energia dalla macchina al fluido che lattraversa provocato dalla variazione del momento della quantit di moto del fluido compressori volumetrici sono preferiti nei casi in cui si debbano con
80. e e l acquisizione dei gas di scarico l ultimo operatore svolge il ruolo di osservatore dell andamento delle temperature attraverso un computer e la verifica della presenza di fenomeni di combustione anomala attraverso un oscilloscopio 61 3 5 Sistema d iniezione metano La combustione double fuel prevede l iniezione contemporanea di gas e benzina L iniezione del GNC viene gestita attraverso un software appositamente creato in ambiente LabView Anche gli iniettori benzina iniettano una porzione di benzina che pu essere gestita dall operatore attraverso il software di gestione della centralina La conoscenza della curva caratteristica degli iniettori permette di determinare l esatta quantit di gas da iniettare in funzione del tempo di apertura dell otturatore La caratteristica dell iniettore GNC rispetto a quella del benzina presenta una zona non lineare in corrispondenza di piccoli tempi di apertura dell otturatore L otturatore presente all interno dell iniettore tende ad urtare contro le pareti della camera all interno del quale scorre e in modo pi evidente per piccoli tempi d iniezione Per determinare la curva caratteristica dell iniettore occorre definire attraverso l utilizzo del misuratore di portata la massa iniettata g ciclo in funzione dei tempi di iniezione La caratteristica in passato stata determinata fino a tempi di apertura dell iniettore corrispondenti a 5 ms per diversi regimi di funzionamento fig 3 5 1
81. e gasolio e CRF per metano Figura2 2 2 Emissioni inquinanti Si pu notare dalla fig 2 2 2 il notevole passo avanti nell abbattimento delle sostanze inquinanti che si avuto passando dalle auto pre euro ad euro a quelle ad quelle euro IV dove gli inquinanti esaminati sono il PM10 NOx i composti organici volatili COV e il biossido di carbonio CO La seguente tabella riferita a veicoli ad uso stradale e riporta le emissioni in riferimento ad una velocit media di 25 km h tipica di un ciclo urbano 14 Per la classificazione dei veicoli vengono effettuate delle prove in laboratorio sui veicoli da immettere nel mercato con le quali si riproducono le condizioni di utilizzo stradali urbano e extraurbano Questa riproduzione del percorso stradale viene denominato ciclo guida Per ridurre le emissioni le case costruttrici in questi ultimi anni si sono spinti alla realizzazione di propulsori sempre pi piccoli di cilindrata ma sempre pi prestanti e con rendimenti elevati Questo fenomeno prende il nome di downsizing e consiste appunto nel progettare motori di minori dimensioni pi efficienti nell impiego urbano e in grado di 24 assicurare elevate prestazioni aiutati dai sistemi di sovralimentazione sempre pi spinti e sofisticati motori alimentati a benzina nei primi 40 secondi di funzionamento successivi all avviamento producono gran parte degli HC emessi durante la prova del ciclo guida europeo valido per l
82. e una turbina radiale centripeta montata sullo stesso albero che attraverso lo sfruttamento della velocit dei gas di scarico in uscita dal motore garantisce il funzionamento del dispositivo fig 2 1 4 Come precedentemente detto esistono anche turbocompressori trascinati meccanicamente dal motore ma non molto usati in campo automobilistico Un turbocompressore essenzialmente composto da due chiocciole che racchiudono due giranti a palette solidamente collegate tra loro tramite un alberino La prima girante riceve il moto dai gas di scarico e lo trasmette alla seconda girante la quale impartisce il moto alla colonna d aria nel collettore d aspirazione comprimendola VALVOLA WASTEGATE USCITA ARIA INGRESSO FRESCA GAS DI SCARICO CANALI OLIO DI LUBRIFICAZIONE INGRESSO ARIA FRESCA GIRANTE COMPRESSORE CORPO USCITA GAS MACCHINA DI SCARICO VOLUTA A CHIOCCIOLA CHIOCCIOLA SOMERESORE ALBERO GIRANTE TURBINA TURBINA VOLUTA A Figura 2 1 4 Turbo gruppo di sovralimentazione Il turbocompressore installato sui collettori di scarico e a seconda della posizione del condotto dell aria che parte dal compressore rispetto all organo che miscela il combustibile al comburente quindi carburatore o iniettore il turbogruppo viene 12 chiamato turbocompressore se la compressione avviene prima oppure turbo aspirato se avviene dopo Il pi diffuso il turbo gruppo di sovralimentazione A garantire il tutto da e
83. ell utilizzo di scarsi anticipi di accensione che portano ad un aumento dell LPP e quindi ad una scarsa fasatura della combustione Ai regimi elevati infatti la potenza termica sviluppata dal motore non riesce ad essere dissipata efficacemente e produce incrementi eccessivi di temperatura in camera di combustione che facilitano l incipiente detonazione In questo modo l effetto dell incremento di temperatura predomina sul beneficio fornito da una maggiore turbolenza portando il motore a funzionare con una fasatura non ottimale L effetto della turbolenza infatti quello di velocizzare la combustione poich consente al fronte di fiamma di raggiungere in minor tempo il gas finale Se il gas finale stato sottoposto ad una ad una storia di pressione e temperatura tali da innescare detonazione l effetto della turbolenza non riesce a soffocare eventuali fenomeni di combustione anomala per cui si costretti ad utilizzare non pi anticipi di massima coppia ma anticipi di incipiente detonazione 97 PMI DELTA 1 4 bar 100 metano 1 4 bar 60 metano Differenza g 2 a 5 a o 5 z PMI bar i RE ATA 5 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime girifmin Figura 5 2 3 Confronto PMI a 1 4 bar tra miscela 60 metano 40 benzina e 100 metano possibile notare anche ad 1 6 b
84. emperature 8 valori vi File Edit View Project Operate Tools Window Help ij ein IR start e d Gs B IT acq temperature 8 v 100 fa EEES ag 15 53 Figura 3 4 2 Pannello virtuale del controllo delle temperature Il software di gestione si interfaccia ai sensori di temperatura attraverso un datalogger per termocoppie modello TC 08 della Pico Technology il quale riceve i segnali analogici provenienti dalle termocoppie li elabora e li converte in informazioni digitali inviandoli al computer attraverso una porta USB Le temperature acquisite dal sistema sono T aria aspirazione compressore C T mandata compressore C T collettore di aspirazione motore C T refrigerane freno C T refrigerante motore C T collettore di scarico C T olio motore C T gas di scarico C L insieme di questi dati acquisiti vengono salvati in colonne di una matrice su un file di testo per poi essere rianalizzati insieme ai dati motore fiat e a quelli del Brushless AI fine di eseguire in modo accurato ed attento lo svolgimento delle prove stato indispensabile l impiego di tre operatori dediti ciascuno all esecuzione di una mansione 60 In particolare un primo addetto gestisce tramite software il sistema di iniezione il carico l anticipo ed altri parametri necessari alla determinazione delle condizioni di funzionamento del motore un secondo operatore gestisce il sistema di sovralimentazion
85. eni dinamici legati all inerzia della colonna fluida il fluido non si muove in modo solidale allo stantuffo per cui anche durante l inversione del moto in corrispondenza del PMI la miscela continua a entrare a causa dell inerzia e il fenomeno maggiormente accentuato dall aumento del regime di rotazione A questo si aggiunge l inevitabile laminazione attraverso la valvola di aspirazione L uguaglianza sopradetta viene imposta nell arco di manovella compreso tra due angoli 0 e 0 pari a 15 di manovella L arco che ha inizio dal PMI viene cosi scelto per considerare il fluido pressoch fermo 66 Questo metodo per porta a risultati non accettabili perch a causa della scarsa permeabilit della valvola di aspirazione la caduta di pressione a cavallo della stessa provoca un abbassamento della pressione nel moto del fluido che cambia con la velocit angolare del motore Il criterio dell esponente della politropica chiamato anche metodo k suggerisce di considerare coppie di punti equidistanti lungo un arco angolare di circa 50 localizzato lungo la corsa di compressione in particolare il suddetto arco si estende da 95 a 45 prima del PMS La pressione di compensazione ricavata pari alla media delle pressioni di compensazione calcolate per ogni coppia di punti secondo il seguente iter di calcolo D2 P2 mis Pcompens bar Di Dcompens bar P2 mis Pa mis Pcompens ri V2 va
86. entazione bi fuel per motori ad accensione comandata sono dotati di due apparati d iniezione separati che vengono alimentati rispettivamente uno con benzina e uno con gas GPL o GNC L utilizzo dei due dispositivi di iniezione consente la commutazione da un alimentazione all altra tramite semplici dispositivi elettroattuati motori ad alimentazione bi fuel vengono realizzati per il funzionamento a benzina e riadattati al funzionamento a gas ovvero con un rapporto di compressione inferiore a quello che il GNC o anche il GPL consentirebbero Infatti i combustibili gassosi utilizzati in campo automobilistico posseggono una maggiore resistenza alla detonazione rispetto alla benzina L utilizzo di rapporti di compressione pi bassi nei motori che utilizzano combustibili gassosi porta ad una riduzione di potenza a causa di un peggioramento di circa il 13 del riempimento Occorre considerare anche che nella strategia di funzionamento di un motore benzina previsto un arricchimento della miscela fino anche al 20 a pieno carico rispetto al caso di dosatura stechiometrica per abbassare la temperatura in camera di combustione e aumentare la velocit di combustione al fine di scongiurare l insorgere di fenomeni di detonazione Questa strategia non utile non perseguita nel caso di motori alimentati con combustibili gassosi porta ad un incremento del consumo specifico pi alte emissioni inquinanti e diminuzione del rendimento quest ultimo c
87. enti porta a maggior ragione la diminuzione dell effetto cuscinetto da parte del metano sul manifestarsi di fenomeni di detonazione A basse pressioni 121 2 bar essendo le temperature mediamente pi basse il problema viene risentito meno e consente di far funzionare il propulsore con anticipi che sono ottimali o comunque prossimi a questi LPP 1 bar 40 metano 1 2 bar 40 metano 1 4 bar 40 metano 1 6 bar 40 metano 1 1 1 1 1 1 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Regime giri min Figura 5 3 10 Andamento dell LPP al variare della MAP con miscela double fuel 40 metano 60 benzina L effetto della fasatura non ottimale si fa risentire soprattutto nel rendimento abbassandolo a valori inferiori a quelli del 100 GNC fig 5 3 11 108 rendimento indicato 1 bar 100 metano 0 38 1 bar 40 metano 1 2 bar 40 metano 1 4 bar 40 metano 0 36 1 1 6 bar 40 metano rendimento indicato co Co 0 27 TI 1 D D 1 1 1 1 D Ll D 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime airi min Figura 5 3 11 Andamento del rendimento indicato per le diverse MAP La condizione 1 bar 40 metano risulta essere la migliore da questo punto vista essendo la curva tutta pi in alto rispetto al 100 metano Si era visto precedentemente che nel confronto tra la pmi double fuel e quella benzina
88. ento della pmi per MAP 1 2 bar al variare della percentuale di miscela double fuel In termini di prestazione possibile escludere la modalit 80 20 in quanto la coppia e la potenza indicata risultano essere anche pi basse di quella del 1002 metano fig 5 5 2 e fig 5 5 3 Fenomeno legato sempre a scadenti fasature di combustione Seguendo una logica prestazionale si potrebbe utilizzare una miscela double fuel esclusivamente 40 60 Tra i grafici viene visualizzata anche la coppia che per non tiene in conto l onere del compressore che nel caso reale dovrebbe essere trascinato dal motore 114 Potenza indicata 54 1 2 bar 100 metano 52 1 2 bar 80 metano 50 1 2 bar 60 metano 48 1 2 bar 40 metano 46 44 42 EN 5 1 e 1 m i 1 Potenza indicata kw Qoo og o 1 m 1 m eo Y N n o N iI 1 18 16 7 i T 1 1 i i T 1 i 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime airifmin Figura 5 5 2 Curve di Potenza indicata per MAP 1 2 bar al variare della miscela double fuel Curve di coppia e __ 1 2 bar 100 metano 105 1 2 bar 80 metano 102 5 1 2 bar 60 metano 100 dI 1 2 bar 40 metano Coppia Nm co M n UTI IONI
89. ento indicato per MAP 1 4 bar al variare della miscela double fuel Viene mostrato anche l andamento dell LPP in cui si riscontra un peggioramento con l aumento della percentuale di benzina contenuta nella miscela fig 5 6 6 LPP LPP 14 1 4 bar 100 metano 1 4 bar 80 metano 1 4 bar 60 metano 1 4 bar 40 metano T 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 6 6 Andamento dell LPP per MAP 1 4 bar al variare della miscela double fuel 120 5 7 Analisi 1 6 bar Analoghe considerazioni possono essere fatte per lo studio a MAP 1 6 bar dove le curve di pmi delle varie miscele risultano essere molto vicine tra loro e pi alte del 100 metano fig 5 7 1 Curve PMI 1 6 bar 100 metano 1 6 bar 80 metano 1 6 bar 60 metano 1 6 bar 40 metano PMI bar 12 5 1 1 D 1 1 I 1 1 1 D 1 D 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 7 1 Andamento della pmi per MAP 1 6 bar al variare della percentuale di miscela double fuel Nel grafico si nota l abbassamento di pmi a 4000giri min legato ad un aumento dell LPP causato dall elevata temperatura del motore Questo fenomeno si ripercuote anche nella coppia e nella potenza indicata fig 5 7 2 e fig 5 7 3 Per quanto concerne le prestazioni la percentuale non ha pi
90. ferential j Max diff Capacity pressura temperature min max m3 h m bar BLW 125 8 BLW 150 11 Rapporto di compressione 2 Compression ratio 2 Pressione di aspirazione da 500 a 1000 m bar ass Inlet pressure from 500 to 1000 m bar abs Nota Note Per ogni grandezza viene fomita a parte una A detailed data sheet will be supplied dettagliata scheda tecnica for each size Figura 3 3 3 Scheda modello compressore 52 aogou youre ucqe oao ads au afurus of 3450 aut avara nsouidopasop jo s52003d Bunya ue zr pag corus Ape guon w AREAR ION VIN Amines Lehr dns beim ii Beles ie Lui aam ah 03 40 MN amod mauno jeg snonunuo fun pam go 43 40 samod waung pms snonuquo enbuo paie pra j ys cv VE i gz 2 waung ies snonuquo j wy enbuo prey suu yen Hd MN 190g v weung yeas snonunuo wy entuo page wy Bubba UNEN 995 15005 amp ux puse Sup Ex 21203 jeu papusi quot equauy uer ww antuo Sad anuo eS Teque obep op 2 00 F7 iusque 7 OP amp ut uoqsiedo enanuguoo uinusxeu aye pue anbior pares sy 10319 18 enbuo 5 x2eqpo9s4 J9po2u 3 SI10 O0 UNU 53 Figura 3 3 4 Scheda caratteristiche compressore Il compressore trascinato attraverso un sistema a cinghie e pulegge da un motore
91. ferire al fluido grandi prevalenze a discapito delle portate Le turbomacchine operatrici invece sono usate per grandi portate e piccole prevalenze Compressori Volumetrici compressori volumetrici utilizzati per la sovralimentazione automobilistica sono sostanzialmente quelli di tipo roots a lobi fig 2 1 1 Sono costituiti da due rotori dotati ciascuno di 2 o 3 lobi di solito a sviluppo elicoidale che risultano essere uguali e con profili coniugati e da una carcassa statorica 5 INIZIO scatola FINE COMPRESSIONE metallica COMPRESSIONE dal filtro dell aria rotore a due lobi collettore di aspirazione Figura 2 1 1 Funzionamento compressore a 2 lobi Le camere rotanti sono delimitate tra la cassa statorica e il profilo di ogni rotore Ad ogni giro dei rotori corrisponde l invio di un certo numero di volumi pari al numero complessivo di lobi dei rotori L azionamento avviene attraverso un collegamento meccanico almotore o altro dispositivo come un motore elettrico del quale il compressore sfrutta la potenza per comprimere l aria che viene poi inviata ai cilindri 6 Le caratteristiche di questo tipo di sovralimentazione principalmente sono due macchina volumetrica ha una caratteristica lineare per cui la portata di aria trattata proporzionale alla velocit di rotazione dell albero di azionamento collegamento meccanico il compressore collegato direttamente tramite cinghia o ruote dentate all albero
92. fornita dal combustibile Ovvero indica quanto bene il motore ha convertito l energia chimica del combustibile in energia meccanica 92 L energia fornita dal combustibile data dalla somma delle masse dei due combustibili utilizzati nella miscela double fuel pesata con i rispettivi poteri calorifici inferiori risultati ottenuti mostrano che sostanzialmente si riesce ad ottenere un miglioramento del rendimento rispetto al caso in cui si utilizzi soltanto GNC indicato come 100 metano a 1 bar soltanto in pochi punti In particolare per bassi regimi e per basse MAP fig 5 1 9 rendimento indicato 1 bar 100 metano 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano 0 34 rendimento indicato e 1 0 27 e 1 1 D 1 1 1 D 1 D 1 1 L 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 1 9 Confronto andamenti del rendimento indicato da 1 bar a 1 6 bar Vengono riportati due confronti significativi in termini di rendimento indicato corrispondenza di MAP 1 2 bar e 1 6 bar fig 5 1 10 e fig 5 1 11 Dai grafici si evince che per MAP 1 2 bar l andamento del rendimento del double fuel tende a seguire quello del GNC mentre per 1 6 bar l andamento risulta essere tutto al di sotto 93 Rendimento indicato DELTA Rendimento indicato Figura 5 1 2 bar 100 metano
93. gime con anticipi molto scadenti ha portato ad escludere l utilizzo di questa percentuale Utilizzando miscele contenenti il 702 di benzina stato possibile raggiungere MAP di 1 4 bar per si sono manifestati analoghi fenomeni di detonazione in corrispondenza di anticipi gi scadenti che hanno implicato l esclusione anche di tale percentuali L eventuale utilizzo di miscele contenenti porzioni molto elevate di benzina nel rispetto delle condizioni di sicurezza di funzionamento ovvero in assenza di fenomeni di combustione anomala avrebbe come detto portato all utilizzo di anticipi talmente scadenti da non consentire una buona propagazione di fiamma e quindi un corretto rilascio del calore che si traduce in fine in una scadente prestazione Le elevate percentuali di metano consentono di soffocare maggiormente l eventuale raggiungimento locale di condizioni d autoaccensione della benzina presente nella miscela Queste micro accensioni locali non hanno la possibilit di unirsi tra loro e 83 provocare un fenomeno macroscopico di detonazione ovvero rilevabile dagli strumenti poich presente l effetto cuscino del metano Questo effetto cuscino si manifesta fino a quando il gas riesce a soffocare il propagarsi di queste micro accensioni e il loro trasformarsi in una detonazione a livello macroscopico Naturalmente questo fenomeno non si manifesta con il solo combustibile gassoso poich presenta una elevata re
94. i di combustione anomala ovvero la detonazione Il fenomeno della detonazione non altro che l auto accensione di una parte di miscela carburata presente in alcuni punti della camera che brucia prima di essere investita dal fronte di fiamma Nelle zone lontane dalla candela pu essere presente una parte miscela non bruciata end gas che durante la combustione potrebbe essersi scaldata molto e in modo rapido raggiungendo un valore di temperatura denominata temperatura di auto accensione causando cosi l auto accensione di questa parte di miscela prima che il fronte di fiamma la raggiunga Infatti all aumentare della pressione e della temperatura in camera di combustione pi lenta la propagazione della fiamma pi elevato il rischio di innescare il fenomeno della detonazione questo porta nei motori alimentati a benzina ad una limitazione dell anticipo e ad un arricchimento della miscela che scongiuri la detonazione ma penalizza il rendimento e le emissioni inquinanti 13 La detonazione d origine ad onde di pressione che si propagano all interno della camera di combustione e rimbalzano sulle pareti metalliche del cilindro e della testa Questo un fenomeno non gradito fenomeno dissipativo con conseguente 29 eventuale rottura dello stantuffo causata da picchi di pressione e temperatura che provocano la fusione del metallo penalizzazione degli anticipi quindi combustioni fasate in modo non ottimale aumento
95. iccole quantit di benzina a MAP 1 bar consentono la velocizzazione della combustione In corrispondenza dei 4000 giri min la miscela double fuel eguaglia la velocit del benzina durata di completa combustione 0 100 10 1 bar 100 metano 1 bar 80 metano 1 bar 60 metano 1 bar 40 metano 87 3 1 bar benzina tempo ms e 1 27 1 T T 1 1 1 1 1 1 T 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 4 4 Confronto durata complessiva combustione 0 100 MFB per MAP 1bar al variare della miscela double fuel Detto questo possibile ipotizzare a parit di MAP l aggiunta di elevate percentuali di benzina non consente di completare bene la combustione poich presente una densit eccessiva della miscela carburata all interno della camera Per verificare questo 112 occorrerebbe effettuare una analisi dettagliata della combustione utilizzando magari dei sistemi ottici in camera In funzione delle condizioni di utilizzo di un propulsore possibile scegliere tra le strategie di funzionamento quella che consenta di ottenere le massime prestazione come detto precedentemente o che permetta di conseguire il massimo rendimento condizione di minimo consumo In questo caso a questo livello di pressione nel collettore i valori del rendimento sono pressoch allineati fig 4 4 5 rendimento
96. ignificativa sul comportamento del motore si calcola la media su 100 cicli acquisiti Di certo all aumentare della temperatura e della turbolenza in camera aumenta la velocit di combustione 70 Determinare la frazione di massa combusta permette di valutare anche la quantit di calore rilasciata nel tempo ovvero la velocit di combustione in funzione dell angolo di manovella Nel motore utilizzato in questa sperimentazione risulta esserci una relazione circa lineare tra velocit di propagazione di fiamma e velocit di rotazione del motore in configurazione aspirato fig 4 2 1 naturalmente questa relazione cambia per diversi tipi di motori Frazione massa combusta a 2000 giri min 1 bar E N n B nan N i O e N U Asa U WO m N 30 40 50 60 N o o to Gradi manovella l accensione Figura 4 2 1 Curva MFB a MAP 1 bar a 2000 giri min L MFB calcolabile mediante il metodo di Rassweiler amp Withrow il quale richiede l assunzione di due ipotesi relative alla fenomenologia della combustione le combustioni elementari hanno luogo a volume costante dV 0 e in assenza di scambi termici tra fluido e pareti dOst o Pertanto applicando il primo principio della termodinamica in forma lagrangiana alla massa racchiusa all interno del cilindro la frazione di massa combusta fornita dalla seguente relazi
97. io a 1 6 bar l aumento della percentuale di benzina ha permesso un miglioramento progressivo della rapidit di combustione Con miscela 40 60 si ottiene una velocit di combustione prossima a quella del benzina a baso regime e addirittura superiore a 4000 giri min Per quanto riguarda il rendimento indicato si riscontrato che a basse MAP come ad esempio 1 bar la percentuale di benzina nella miscela double fuel non ha praticamente influenza Ad elevata MAP come 1 6 bar il rendimento si abbassa all aumentare della quantit di benzina presente nella miscela Le emissioni inquinanti tendono ad aumentare con la pressione di sovralimentazione di pi di quanto non facciano a causa dell incremento di benzina presente nella miscela utilizzata Questo aumento legato sostanzialmente alla probabile presenza di una fuga di miscela carburata verso lo scarico a MAP superiori ad 1 bar Per perseguire una strategia di massimo rendimento tramite centralina elettronica si potrebbe pensare di utilizzare da 1500 giri min a 3500 giri min la miscela 40 60 a 1 2 bar poi passare con la stessa miscela a 1 bar fino a 5000 giri min Ad elevate MAP infatti i rendimenti ottenuti con le miscele double fuel risultano essere tutti pi bassi rispetto a quello del GNC Per una strategia di funzionamento di massima prestazione invece la soluzione ottimale sarebbe quella di utilizzare la massima pressione di sovralimentazione quindi 1 6 bar e la miscela con la pi
98. iore vantaggi nei confronti del downsizing ovvero nelle realizzazione di motori sempre pi compatti con capacit di offrire la stessa potenza di motori di pi grossa cilindrata Questo studio stato rivolto all analisi di alcuni parametri caratteristici di funzionamento del motore tra cui pmi la velocit di combustione il rendimento indicato la potenza indicata ed emissioni inquinanti T31 Nell analisi di funzionamento si riscontrato che a parit di MAP la presenza di una maggiore quantit di benzina nella miscela porta ad un incremento della pmi rispetto al caso in cui si utilizzi solo GNC Aumento di pmi che si manifesta in modo pi marcato alle basse MAP Ad elevata MAP al crescere della percentuale di benzina contenuta nella miscela le curve di pmi tendono a compattarsi pur rimanendo pi alte rispetto al GNC Si valutato anche l effetto della composizione della miscela utilizzata e della MAP sulla durata della combustione E stato riscontrato che in generale per data MAP al di sopra dei 3500 giri min la velocit di combustione delle miscele double fuel si avvicina ed eguaglia quella del benzina Fenomeno che non accade a basso regime Per basse MAP come ad esempio 1 bar l aumento della percentuale di benzina nella miscela non da un effetto sulla velocit di combustione tranne con percentuale 80 20 che ha permesso una leggera riduzione della durata a partire dei 2500 giri min Ad elevate MAP come per esemp
99. izzazione della combustione con la MAP in particolare ad 1 4 bar e 1 6 bar la velocit di combustione double fuel ai bassi regimi supera quella del benzina segno che un maggiore percentuale di benzina nel caso di scarsa turbolenza aiuta la fase d innesco della combustione fig 5 2 6 99 Tempo innesco 0 10 225 1 bar 60 metano 2 1 P 1 2 bar 60 metano 2 1 4 bar 60 metano ios 1 6 bar 60 metano 1 bar benzina 1 8 1 7 1 6 a 1 54 o E 1 4 1 34 0 9 0 8 0 74 1 T 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 2 6 Confronto tempi d innesco 0 10 MFB da 1 bar a 1 6 bar Nella fase di propagazione le curve della miscela 60 40 risultano essere molto vicine tra loro e a volte leggermente pi basse di quelle del benzina a basso regime fig 5 2 7 Tempo propagazione 10 90 1 bar 60 metano 1 2 bar 60 metano 1 4 bar 60 metano 1 6 bar 60 metano 1 bar benzina Li 1 D 1 LI 1 D D 1 D 1 1 Li 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 2 7 Confronto tempi di propagzione 10 90 MFB da 1 bar a 1 6 bar tempi di estinzione tendono a diminuire all aumentare della velocit del motore e rimangono sostanzialmente invariati al variare della pressione di sovralimentazione fig 5 2
100. l e MAP utilizzate nella campagna di prove 84 Ogni miscela stata testata in condizioni di pressione di sovralimentazione da 1 bar a a 1 6 bar con incrementi di MAP di 0 2 bar Inoltre per ogni pressione di alimentazione sono stati esplorati i regimi che vanno da 1500 giri min a 5000 giri min con incrementi di 500 girilmin per volta Ottenendo cosi 8 condizioni di funzionamento per singola pressione di sovralimentazione e un totale quindi di 32 punti di funzionamento per singola miscela data la presenza di 4 MAP La scelta di incrementare la MAP di 0 2 bar per volta legata appunto al numero di prove che altresi sarebbe diventato eccessivo Le prove sono state svolte utilizzando l anticipo di massima coppia o di incipiente detonazione parametri ritenuti di maggior interesse sono stati la pmi il rendimento indicato la velocit di combustione le emissioni inquinanti la potenza indicata Sono stati rilevati anche altri parametri come l LPP la coppia potenza effettiva picco di pressione in camera pressione media d attrito Alcuni di questi parametri come ad esempio la coppia o la potenza hanno il difetto di non essere valori netti ovvero valutati sottraendo la potenza assorbita dal compressore Nel caso in studio infatti il compressore non trascinato dal motore termico ma comandato dall esterno per questo motivo occorrerebbe fare una stima della fatica che il motore farebbe nel caso in cui si dovesse trascinare anche que
101. logica Questi ultimi segnali vengono gestiti attraverso un dispositivo chiamato BNC connector collegato direttamente alla scheda di acquisizione sia di ingresso che di uscita dati una volta acquisiti vengono manipolati attraverso un algoritmo di calcolo ricavato su un software di analisi LabVIEW fig 3 1 4 File Edit View Project Operate Tools Window Press 2 17pt Application Font tor 9 A z B Ciclo pressione Ruota fonica MFB dMFB EE 0n e derivata devstdP cov press COV pmi Pressione bar BAe 1004 0 07 1 1 D 1 1 1 0 071 359 300 200 100 100 200 300 360 0 100 200 300 400 500 CA cae 01 loop tot loop efficaci reset rotazione fraz metano picchi valli co 02 Hc o NO Antici i z K t ambiente C hn se RUN JI Joi dnos ze Diagnostica Grandezze nette m Fitro iigger p teta logp log V Nm i COV pmi 96 ressione SEU i Nm pmi bar pmi 96 155 saan 3 85 7 54 1 Fitto scan 4 clock e rpm pme bar m comp 100 compensazione 50 0 inal 1 307 3 a Q E 2 al bar eta org m esp 40 0 tipo salvatagio 0 44 1 338 ie d Salva 30 0 rel 96 monitor LPP correz press 18 1 4 5E 20 0 OV pmi RPM medio lambda y Butterworth 06 18485 num campioni X 4 start 2 5 3 Acq press MFB
102. mazione sono i punti di forza del metano Per questo si auspica che il significativo sviluppo in atto in tutto il comparto distribuzione e veicoli e l attuale manifesta considerazione a livello politico amministrativo normativo e fiscale possa confermarsi anche nel prossimo futuro a vantaggio di una diffusione pi ampia che premi il contributo che il metano pu fornire nel breve medio termine ai problemi di inquinamento e di uso sostenibile dell energia 3 Attualmente le case automobilistiche producono motori alimentati a metano sia nella versione aspirata che in quella sovralimentata come ad esempio la Volkswagen Passat 1 4 TSI La sovralimentazione che consente ai propulsori a metano di recuperare quel deficit di potenza che presentano nella versione aspirata rispetto ai motori a benzina Un combustibile gassoso ha lo svantaggio di avere a parit di condizioni una densit pi bassa rispetto ad un combustibile liquido che porta quindi ad una riduzione del riempimento del motore Problema che viene risolto con l utilizzo della sovralimentazione Il metano ha per il grande vantaggio rispetto alla benzina di resistere a fenomeni di detonazione Il metano pu essere impiegato come combustibile in motori endotermici volumetrici sia ad accensione comandata sia in motori che si ispirano al funzionamento diesel Nei motori che sfruttano il doppio combustibile dual fuel l energia di attivazione per la combustione del metano
103. mpressore il G Lader noto anche come compressore Scrol a spirale orbitante utilizzato dalla Volkswagen negli anni 80 fig 2 1 6 In questo compressore di tipo volumetrico non sono presenti giranti ma due spirali concentriche a forma di G che hanno il compito di trasferire l aria dall ingresso all uscita del compressore non essendo un movimento circolare la parte esterna rimane fisa mentre quella interna ha un funzionamento alternato imposto da un eccentrico Le caratteristiche del G Lader permettono di ottenere una curva di coppia piuttosto costante ed levato e basso regime Ha un rendimento maggiore ed pi compatto rispetto ai compressori a lobi Viene azionato dall albero motore attraverso una cinghia e una puleggia Lavora a temperature di esercizio pi Figura 2 1 6 Compressore G Lader basse rispetto al turbo con minori rischi di scarsa affidabilit e rotture dovute alle alte temperature soggetto per ad elevata usura meccanica Sovralimentazione per risonanza Per avere un miglioramento della coppia e della potenza a regimi medi e bassi in alcuni motori moderni si impiegano sistemi di aspirazione a geometria variabile controllati da una centralina elettronica fig 2 1 7 Il movimento del pistone verso il basso provoca nel collettore d aspirazione una depressione che consente all aria ambiente di entrare nei condotti La colonna d aria che riempie il condotto dovrebbe idealmente mettersi immedi
104. n questo tipo di combustibile sia per l avviamento e il riscaldamento del motore Nel motore presente un fuel rail per la benzina la cui pressione di 3 5 bar e uno per il metano che alimenta i corrispondenti iniettori sempre in configurazione multi point ad una pressione di 10 bar fig 3 1 3 Quindi si ha la presenza di 4 iniettori metano e 4 benzina disposti nel collettore di aspirazione a monte delle valvole di aspirazione 37 Fuel rail Benzina Metano Figura 3 1 3 Configurazione iniettori II comando della farfalla motore azionato da un attuatore lineare gestito dalla postazione di analisi utilizzando anche in questo caso un potenziometro attraverso la lettura di un display si ha la possibilit di leggere il valore istantaneo dell apertura farfalla TPS Il propulsore dotato di un sistema di accensione che gestisce la fasatura d accensione ovvero regola con quanto tempo di anticipo debba scoccare la scintilla rispetto al punto morto superiore considerando il tempo di ritardo all accensione del combustibile L anticipo non fisso ma varia al variare del numero di giri e cambia con il carico del motore E presente un sistema di accensione realizzato con due bobine che alimentano coppie di candele sistema a scintilla persa Per quanto riguarda il CNG esso viene stoccato a 200 bar in due bombole poste in un locale dedicato esterno fuori terra e arieggiato La pressione viene abbattuta prima attraverso u
105. na valvola di laminazione che porta la pressione dal valore di stoccaggio a 40bar Per evitare che la valvola si porti a temperature troppo basse con il rischio che le parti in gomma possano congelarsi e spaccarsi viene riscaldata da un termoventilatore Attraverso una sistema di tubi valvole di intercettazione e manometri il metano arriva nel propulsore e subisce un ulteriore espansione attraverso la valvola di laminazione originale del motore fino 10 bar nel fuel rail di alimentazione 38 Per quanto riguarda i gas di scarico in uscita dal motore predisposta una tubazione centralizzata posta in depressione da un turboventilatore centrifugo accoppiato ad un motore elettrico asincrono trifase che espelle i gas all esterno attraverso un camino Oltre alla sensoristica di serie necessaria al funzionamento del motore sono presenti altri trasduttori necessari al sistema di acquisizione per rilevate i parametri necessari Il sistema di acquisizione costituito da una un pc che gestisce la scheda di acquisizione dati da dove transitano segnali analogici e digitali delle grandezze in ingresso e in uscita La scheda utilizzata della National Instruments modello DAQ PCI 6133 Le sue caratteristiche sono risoluzione di 14 bit frequenza di campionamento fino a 2 5 MHz e gestione fino a 8 canali E importante chiarire che alcuni segnali arrivano al computer in formato digitale attraverso porta seriale altri sono disponibili in forma ana
106. ndo allo scarico una quantit di miscela incombusta dovuta non ad una combustione incompleta ma alla presenza di un corto circuito 82 4 5 Piano delle prove Al fine effettuare una scelta mirata delle percentuali di combustibili presenti nella miscela double fuel e delle pressioni di sovralimentazioni da utilizzare occorre effettuare alcune considerazioni Innanzitutto stato stabilito di non avvicinarsi troppo alle percentuali limite come il 90 e il 10 perch altrimenti non avrebbe senso utilizzare una soluzione impiantistica mista che porti ad adoperare una miscela quando ormai si prossimi al combustibile puro Inoltre nota l impossibilit di utilizzare in modo efficiente il motore in condizioni di sovralimentazione quando presente un elevata percentuale di benzina poich le caratteristiche costruttive in particolare la geometria della camera di combustione fanno si che il propulsore abbia una spiccata tendenza alla detonazione con l utilizzo della benzina gi in configurazione aspirato motivo per cui si andrebbero ad utilizzare anticipi di accensione molto scarsi Infatti nell effettuare la scelta delle percentuali da utilizzare sono state fatte delle prove mirate al variare del regime e della MAP che hanno portato ad escludere l utilizzo di miscele con percentuali di benzina superiori al 60 Con miscele contenenti 80 di benzina e i 20 di metano a MAP 1 2 bar la presenza di evidente detonazione a basso re
107. ne delle pressioni di sovralimentazione aumenta la temperatura in camera di combustione e diventa sempre pi difficile contrastare l insorgere degli NOx Infatti gli NOx sono gli ossidi di azoto che si formano quando ad elevate temperature l azoto diventa attivo e reagisce con l ossigeno Il particolato noto con l acronimo PM particulate matter un aerosol di piccole particelle solide classificate in base alle loro dimensioni Il PM di natura carboniosa ed ha origine dalla pirolisi del carbonio contenuto nei combustibili tipico dei processi di combustione dei motori ad accensione per compressione Le particelle atmosferiche sono di solito misurate in PTS Polveri Totali Sospese Si parla di PM10 quando il diametro aerodinamico medio minore di 10 micron e possono raggiungere i polmoni mentre con PM2 5 il diametro aerodinamico medio inferiore a 2 5 micron e sono pi dannose in quanto possono passare attraverso i filtri delle vie aeree respiratorie Negli ultimi anni si sta prendendo in considerazione l impatto sulla salute di particelle ancora pi piccole le PMo 1 e le nano polveri ancora pi fini che penetrando ulteriormente a fondo e sono ritenute ancora pi dannose 23 Autoveicoli pre euro valori in g km Fonte COPERT per benzina e gasolio e CRF per metano Autoveicoli Euro I valori in g km Fonte COPERT per benzina e gasolio e CRF per metano Autoveicoli Euro IV valori in g km Fonte COPERT per benzina
108. netico realizzato mediante un avvolgimento quest ultimo racchiuso all interno di una carcassa metallica vincolata ad una cella di carico La capacit frenante pu raggiungere una potenza di 130kw La cella di carico impedisce alla carcassa di aprirsi sotto l azione del campo magnetico che si oppone alla rotazione del disco interno fig 3 1 2 Il freno per produrre l effetto frenante deve ruotare ad una certa velocit altrimenti non si genera l effetto voluto problema che invece non si ha con il freno a motore asincrono Figura 3 1 2 Banco prova motori Inoltre si hanno problemi se non si dissipa bene il calore e quindi si raggiungono temperature troppo elevate per il freno questo perch a seguito delle alte temperature il freno si disinnesca e viene tolta l alimentazione al motore Il freno utilizzato in queste prove stato impostato su una caratteristica frenante a velocit costante E possibile regolare la velocit dello stesso agendo su un potenziometro e quindi modulando la corrente che circola sullo statore Si avr a disposizione un display quadro di controllo da cui poter valutare il valore della velocit 36 angolare da non superare In questa analisi utilizzato un freno dinamometro SCHENCK W130 casa produttrice e con esso quindi viene misurata la copia all albero e la velocit di rotazione I motore e il freno vengono mantenuti a temperatura di regime grazie ad un circuito di raffreddamento opport
109. o indicato durata combustione potenza indicata e coppia lorda Curve PMI pi e 1 bar GNC 15 5 1 2 bar GNC 15 1 4 bar GNC 145 EIE EI 1 6 bar GNC 14 ie T S TI 1 bar benzina n SN pe e 2 m ma LI E a pc er n Ec eg i Ba CO A DOR a Lamm MEL Ra Ph a 7 97 1 1 1 1 1 1 1 1 _ 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 4 3 4 Andamento della pmi al variare della pressione di sovralimentazione rendimento indicato 0 39 1 bar GNC 0 38 1 2 bar GNC 1 4 bar GNC 1 6 bar GNC LEELA TTT 1 bar benzina rendimento indicato o o E In N 1 1 m NN WEE z 1 1 0 D 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 4 3 5 Andamento del rendimento indicato al variare della pressione di sovralimentazione 77 durata di completa combustione 0 100 1 bar GNC 1 2 bar GNC 1 4 bar GNC 1 6 bar GNC 1 bar benzina 7 6 5 6 5 5 tempo ms n 1 3 2 5 2 7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 T 1 T 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime airi min Figura 4 3 6 Andamento della durata complessi
110. o 0 38 1 6 bar 80 metano 0 37 1 6 bar 60 metano 9 0 36 m 1 6 bar 40 metano 1 bar benzina 0 35 0 34 D i es 0 33 1 o 2 0 32 Z S 0 31 d 0 2677 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 7 5 Andamento del rendimento indicato per MAP 1 4 bar al variare della miscela double fuel 123 5 8 Emissioni inquinanti Durante l analisi di funzionamento del motore sono stati rilevati i gas di scarico prodotti dalla combustione delle miscele double fuel utilizzate La conoscenza delle emissioni inquinanti ha una importanza rilevante dal punto di vista dell impatto ambientale AI crescere della pressione di sovralimentazione si riscontrato allo scarico un incremento di HC e O2 Vengono riportati gli l andamento al variare della MAP per le analisi in cui si utilizza una miscela 80 20 ma analoghe considerazioni possono essere effettuate per le altre percentuali utilizzate fig 5 8 1 e fig 582 HC 1900 1 bar 80 metano 1800 1 2 bar 80 metano 1700 1 4 bar 80 metano 1600 1 6 bar 80 metano 1500 1400 1300 1200 1100 1000 HC p p m 900 800 700 600 500 400 300 200 10077 T T T T T T T T T T T T T T T T T 1 1000 1
111. o si deciso di stimare la portata del combustibile gassoso attraverso la caratteristica dell iniettore determinata prima della realizzazione delle prove Infatti nel funzionamento in modalit double fuel la portata di combustibile misurata dall Endress Hauser solo una porzione di quella complessivamente aspirata dal motore Una novit introdotta in questa analisi stata l utilizzo del misuratore di portata d aria Nei precedenti lavori svolti la portata d aria veniva determinata attraverso la dosatura In questo modo nota la portata di aria aspirata e nota la portata del combustibile stato possibile determinare l effettiva dosatura di funzionamento Figura 3 3 12 Linea di aspirazione con misuratore di portata misuratori di portata a precessione di vortici funzionano in base al principio di Von Karman Quando un fluido scorre ed incontra un ostacolo si formano in alternanza dei vortici che si distaccano a destra e sinistra dell ostacolo con senso di rotazione opposto fig 3 3 13 Ogni vortice genera una bassa pressione locale le fluttuazioni di pressione sono rilevate dal sensore e convertite in impulsi elettrici vortici sono generati con regolarit entro i limiti applicativi del misuratore 46 Di conseguenza la frequenza di generazione dei vortici direttamente proporzionale alla portata volumetrica Il fattore K impiegato come costante proporzionale fattore K impulsi unit di volume dm Figur
112. o simile a quello che investe la vettura in movimento stato necessario optare per la soluzione aria acqua che garantisce un maggiore scambio termico 50 L intercooler quindi stato alloggiato all interno di un recipiente e immerso completamente d acqua che a sua volta stata posta in continuo ricircolo Il livello dell acqua all interno del recipiente pur garantendo il continuo ricircolo stato mantenuto costante da un sistema automatico a galleggiante Il compressore utilizzato un volumetrico a lobi di tipo roots serie BLW 80 2 prodotto dalla Amar per conto della Finder Pompe fig 3 3 2 Dalla figura possibile notare a sinistra il compressore roots e a destra il motore brushless Il compressore realizzato con un basamento in ghisa all interno del quale sono posti in rotazione due rotori a tre lobi con profilo coniugato sincronizzati tramite una coppia di ruote dentate elicoidali 18 Figura 3 3 2 Gruppo compressore roots e motore brushless Per ogni rotazione completa il compressore sposta 6 volte la cilindrata di gas aspirata La portata totale quindi proporzionale al numero di giri di rotazione della macchina Le caratteristiche della serie di compressori cui appartiene quello impiegato in questa sperimentazione vengono riportare nelle figure successive fig 3 3 3 e fig 3 3 4 51 Campo di selezione Pressione Temperatura portata aspirata differenziale max max diff Suction Max dif
113. ompressore dovuto ai limiti fisici del sistema Maggiori consumi in quanto non riesce a sfruttare i gas di scarico ma assorbe energia dal motore con un rendimento inferiore rispetto a un motore aspirato o turbocompresso 7 10 Un notevole miglioramento si ebbe con l introduzione del terzo lobo che incrementava la pressione di uscita e diminuiva drasticamente la rumorosit Con questa configurazione praticamente si raggiunse l optimum per lo sfruttamento del compressore fig 2 1 2 8 II volumetrico conobbe un periodo d oro nelle competizioni fino alla prima met del secolo scorso fig2 1 3 Riaffior tra la fine degli anni 70 ed i primi anni 80 quando la Fiat INGRESSO ARIA USCITA ARIA Figura 1 1 2 Compressore a tre lobi per rotore decise di mettere in produzione una serie di vetture equipaggiate con un propulsore sovralimentato in questo modo Figura 2 1 3 Compressore volumetrico Apripista fu la Fiat 131 Abarth Racing volumetrico cui seguirono la Pinifarina Spidereuropa Volumex le Lancia Rally 037 Beta coup e HPE Volumex e per ultime le Fiat Argenta VX SX in Italia e Lancia Trevi Volumex Tutte montavano lo stesso 11 motore il bialbero sovralimentato di 1995cc erogante 135 cv Ultimamente il volumetrico stato ripreso dalla Daimler Chrysler per la serie Kompressor delle vetture Mercedes 9 Turbocompressori Sono costituiti da un compressore centrifugo
114. one 71 dove 0 angolo di manovella al quale si desidera conoscere la frazione di massa combusta angolo di manovella di inizio combustione angolo di manovella di fine combustione V volume della camera di combustione al dato angolo di manovella dpcomp incremento di pressione dovuto alla sola combustione dpcomb Pmis Ppolitr m V Via dp Pia v dPcomb Pi Pi 1 1 L espressione precedente definisce il dpcomb come la differenza tra la pressione misurata in camera di combustione Pmis e la pressione che si avrebbe allo stesso angolo di manovella secondo un evoluzione politropica Ppolit ossia in assenza di combustione Il fenomeno di combustione si verifica tipicamente in un tratto comprendente parte della compressione e parte dell espansione Per questo motivo la relazione precedente considera l esponente m di compressione dall inizio della combustione al PMS e quello dell espansione nell arco angolare compreso tra il PMS e l angolo di fine combustione L angolo 0 di inizio combustione imposto pari a quello corrispondente all accensione mentre l angolo di fine combustione coincidente con l angolo di manovella precedente a quello in cui il dpcomb diventa negativo cio lo stesso angolo in cui il termine incrementale massimo quindi MFB pari al 100 La rapidit di combustione dxp d0 stata ricavata a partire dall espressione del calore di
115. originata dall iniezione in camera di combustione di una piccola quantit di gasolio che in determinate condizioni di pressione e temperatura e dopo un certo lasso di tempo si auto accende consentendo l innesco della combustione del metano e la propagazione della fiamma Per motori ad accensione comandata il funzionamento rimane del tutto analogo a quello originale propulsori che possono essere alimentati sia a benzina che a metano o GPL prendono il nome di motori bi fuel La sovralimentazione nei motori bi fuel come ad esempio il 1 4 GPL Turbo 120 CV che equipaggia l alfa mito consente di ottenere performance di alto livello con il rispetto dell ambiente e i ridotti costi di gestione Questa peculiarit da un lato permette al veicolo di funzionare anche quando il GPL non disponibile dall altro richiede che il motore sia progettato per funzionare in modo sicuro con la benzina ossia con rapporto di compressione inferiore a quello che permetterebbe il gas naturale Sulla base di queste considerazioni in questo lavoro stata svolta una campagna di prove utilizzando un motore Fiat 1 2 8v a 4 cilindri sovralimentato con un compressore volumetrico al fine di valutarne il comportamento sotto il profilo dell efficienza e delle prestazioni In particolare stata effettuata l iniezione di una certa quantit di benzina durante il funzionamento del motore alimentato a gas naturale E stata eseguita una campagna di prove
116. otossido di azoto attualmente viene stivato in bombole da dieci chili l una sufficienti a un utilizzo continuativo per meno di un quarto d ora su un motore di circa due litri di cilindrata Quindi purtroppo pur tralasciando le voci relative ai costi del gas e alla funzionalit intrinseca del sistema non ancora possibile ottenere un motore permanentemente sovralimentato chimicamente e questo ha limitato l utilizzo dell iniezione supplementare di protossido al solo campo delle elaborazioni spinte e delle gare di accelerazione 9 17 1 3 Effetti della sovralimentazione L aumento di potenza fornita dal motore sovralimentato rispetto a quello semplicemente aspirato legato sostanzialmente a tre fattori aumento delle pressioni del ciclo ciclo di pompaggio ad area positiva compressione della carica residua nello spazio morto Riguardo al primo effetto della sovralimentazione l aumento delle pressioni del ciclo legato da un aumento della pressione nel collettore di aspirazione Pc Come ordine di grandezza raddoppiando la pressione di sovralimentazione aumenta la potenza del motore A parit di pressione nel collettore la sovralimentazione sar tanto pi efficace quanto minore sar la temperatura e quindi quanto migliore sar il rendimento della compressione Per il secondo effetto invece l area del ciclo di aspirazione scarico da luogo a valori positivi Questo miglioramento circa 1 10 del precedente Secondo
117. ovvero alcuni attimi prima del raggiungimento del PMS da parte dello stantuffo e avanza seguendo un modello di propagazione di fiamma Non si tratta di una detonazione ma di un processo di ossidazione che avviene in modo graduale sviluppando una notevole quantit di calore Appena scocca la scintilla inizia il processo di combustione con la propagazione del fronte di fiamma che attraversa tutta la camera di combustione bruciando la miscela aspirata precedentemente Un altro parametro monitorato stato il calore rilasciato dalla combustione E possibile ricavare una curva rappresentativa della frazione di massa combusta MFB in funzione dell arco di combustione e del tempo La frazione di massa combusta Mass Fraction Burnt MFB il rapporto tra la massa bruciata alla posizione angolare 6 e la massa di combustibile totale 0 totale La curva di rilascio del calore dipende da numerosi fattori quali l innesco turbolenza che incontra la fiamma temperatura della camera di combustione e la distribuzione della miscela carburata Alcune di queste grandezze sono correlate tra loro per cui il processo di rilascio del calore risulta essere complesso Il motore essendo una macchina periodica che funziona con una certa irregolarit poich le combustioni non avvengono sempre allo stesso modo ogni ciclo sar diverso dagli altri Proprio per tenere conto dell irregolarit e quindi una informazione media s
118. pagazione si pu notare che nel caso in cui presente una bassa turbolenza basso regime con l aumentare della MAP le velocit di combustione tendono ad aumentare fenomeno che tende quasi a invertirsi oltre i 3500giri min fig 5 1 6 Tempo propagazione 10 90 2 8 277 2 67 2 5 2 4 2 37 2 27 2 7 2 2 19 A 1 8 1 7 1 6 1 54 1 47 1 37 1 27 1 17 1 0 9 0 8 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano i UAA t 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano 1 bar benzina 7 M j Nl Figura 5 1 6 Confronto tempi di propagazione 10 90 MFB da 1 bar a 1 6 bar 90 Questo pu essere giustificato dal fatto che nel caso di bassa turbolenza l aggiunta di una certa percentuale di benzina favorisce il velocizzarsi della combustione non appena si raggiungono regimi pi alti questo effetto risulta essere secondario in quanto la turbolenza predomina sul beneficio fornito dala benzina L effetto della sovralimentazione comunque un effetto che si manifesta in modo abbastanza blando con questa miscela Si osserva come la curva relativa alla sola benzina tende soprattutto al di sopra del 3500 girilmin ad avere una combustione leggermente pi rapida perch maggiormente fa
119. pida dei risultati In precedenti lavori attraverso lo stesso strumento sono stati creati dai relatori i pannelli di controllo e acquisizione sia del motore che del compressore oltre ad una stazione di analisi di tutte le temperature caratteristiche di funzionamento del motore 49 3 3 Compressore e sistema di controllo La sovralimentazione come gi accennato viene effettuata mediante un compressore volumetrico trascinato da un motore elettrico supportato da un sistema di gestione elettronica A valle del compressore e stato predisposto un intercooler per l abbattimento e la stabilizzazione della temperatura dell aria inviata al collettore di aspirazione del motore Ovviamente compressore e impianto di interrefrigerazione sono realizzati a monte del propulsore L aria che viene aspirata dal motore prima di attraversare il compressore passa da un condotto su cui collocato il misuratore di portata e successivamente da una valvola di laminazione a farfalla La valvola di laminazione pu essere comandata in remoto attraverso un cavo e svolge la funzione di valvola di sicurezza Lo scambiatore utilizzato nasce del tipo aria aria in passato utilizzato dalla Lancia Delta 1600 turbo benzina ma utilizzato in laboratorio in modalit aria acqua fig 3 3 1 Figura 3 3 1 Intercooler aria acqua La giustificazione di ci deriva dal fatto che all interno del box motori non essendo disponibile un flusso d aria idoneo ovver
120. porto di compressione ottenendo cos un miglior rendimento Infatti il rendimento termico ideale dipende dal rapporto di compressione ed affinch raggiunga livelli accettabili il rapporto di compressione per i motori a benzina deve attestarsi intorno a 10 11 Per questo il motore alimentato a benzina deve essere realizzato utilizzando adeguati accorgimenti per scongiurare la detonazione problema che non si ha con il metano Il GNC presenta una resistenza alla detonazione superiore sia a quella della benzina 95 100 RON sia a quella del GPL 110 RON con valori di numero di ottano che variano da 120 a 130 RON in funzione della percentuale di metano presente Questo fenomeno consente di ottimizzare la fasatura di accensione riducendo i consumi di combustibile e le emissioni inquinanti La sigla RON Research Octane Number indica la prova per testare il potere antidetonante di un combustibile con il motore a freddo Occorre ricordare anche che quando si alimenta un motore con GNC viene penalizzato il riempimento della camera di combustione rispetto al caso in cui si utilizza la benzina Infatti un combustibile liquido benzina presenta un volume specifico pi piccolo di tre ordini di grandezza rispetto a quello dell aria aspirata va e quindi anche del GNC Considerando l espressone della potenza per un motore ad accensione comandata utilizzando il GNC il rapporto va vb non pi trascurabile come nel caso dei motori a benzina causando
121. r quanto riguarda il rendimento indicato fig 5 2 10 si ottiene un generale miglioramento rispetto al caso in cui si utilizza solo GNC per bassi regimi Ad alto regime e all aumentare del grado di sovralimentazione il rendimento subisce una brusca flessione legata all utilizzo di LPP sempre pi scadenti rendimento indicato 1 bar 100 metano 0 38 25 1 bar 60 metano 1 2 bar60 metano 1 4 bar 60 metano 0 36 Luana gt 1 6 bar 60 metano rendimento indicato e co n i 1 0 26 i 1 1 1 1 1 D 1 1 1 D 1 1 1 1 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 2 10 Andamento del rendimento indicato da 1 bar a 1 6 bar 102 5 3 Analisi double fuel 40 GNC 60 Benzina Nel terzo ed ultimo set di prove stata utilizzata una miscela costituita dall 40 in massa di GNC e 60 di Benzina Anche in questo caso come era prevedibile aspettarsi l arricchimento di benzina nella miscela double fuel ha determinato un incremento della pmi rispetto al caso 100 GNC che risulta essere ancora pi corposo Nel caso di MAP 1 bar incremento non sceso mai al di sotto del 10 e raggiunge valori maggiori del 25 fig 5 3 1 PMI DELTA 1 bar 100 metano 1 bar 40 metano 7 M Differenza a PMI bar m Pa Pa E ES
122. ributori sul territorio fortemente disomogenea la maggioranza dei distributori concentrata nel centro nord Italia ed esistono intere regioni o province in cui la distribuzione scarsa o addirittura assente 28 2 4 Vantaggi e svantaggi dell alimentazione a benzina La benzina un prodotto che viene ottenuto dalla distillazione del petrolio greggio per essere utilizzata come carburante per motori a combustione interna Il motore a benzina rispetto a quello a gasolio vede lo svantaggio di un maggior costo del combustibile problema che per risulta esser di entit minore rispetto a quello della manutenzione Infatti il costo di manutenzione per un moderno turbo diesel risulta essere molto pi caro di quello di un motore benzina motori a benzina sono costruttivamente pi semplici dei motori diesel ed economici anche riguardo alla minor spesa per la manutenzione Tralasciando le sensazioni di guida e di sound motoristico resta il fatto che entrambi propulsori emettono una quantit di inquinanti superiori rispetto ad un motore alimentato a GPL o GNC combustibili gassosi hanno per come detto precedentemente il problema del riempimento della camera di combustione fenomeno che non accade con i combustibili liquidi La benzina per presenta un limite di funzionamento che risiede nella scelta dell anticipo di accensione della miscela carburata La scelta errata di questo parametro pu portare alla manifestazione di fenomen
123. sistenza alla detonazione e che quindi si presta bene all utilizzo del motore in condizioni di sovralimentazione Nella scelta delle percentuali sono state prese in considerazione anche una serie di problematiche legate ai limiti di funzionamento degli strumenti utilizzati nell analisi sperimentale Ad esempio il misuratore di portata di combustibile utilizzato per la benzina permette una misura affidabile al di sopra degli 0 6 kg h valori ottenibili con l utilizzo di miscele costituite da 90 GNC e 10 Benzina miscele escluse a priori Per quanto riguarda le pressioni di esercizio in precedenti lavori sono state analizzate miscele double fuel fino ad 1 bar facendo funzionare il motore in versione aspirato Data la possibilit di sovralimentazione possibile pensare come base di partenza proprio l analisi ad 1 bar rialimentato per poi esplorare campi di funzionamento a MAP pi elevate limiti di massima pressione in camera di combustione e i limiti di funzionamento del motore brushless che trascina il compressore impongono una soglia massima del livello di sovralimentazione pari ad 1 6 bar Fatte queste premesse sono state effettuate una campagna di prove al fine di monitorare l andamento di alcune grandezze caratteristiche per poter fare una stima di come queste possano evolversi nelle diverse condizioni di funzionamento In seguito viene riportata una tabella con le miscele e le MAP utilizzate Figura 4 5 1 Miscele double fue
124. sperimentali in diverse condizioni di funzionamento carico regime pressione di sovralimentazione etc e i dati raccolti sono stati elaborati attraverso un software di analisi LabView Il motore bi fuel utilizzato in questa analisi presenta un sistema d iniezione costituito da 8 iniettori di cui 4 utilizzati per iniettare la benzina e 4 per iniettare il metano posti nel collettore di aspirazione fenomeni che si manifestano durante il processo di combustione nel motore double fuel sono pi complessi rispetto a quelli che avvengono nei motori tradizionali ed ancora non sono del tutto chiariti 1 La sovralimentazione in campo automobilistico 1 1 Utilizzo della sovralimentazione Uno dei metodi che consente di aumentare sensibilmente la potenza erogata da un motore volumetrico a combustione interna quello di aumentare la densit dell aria nell ambiente di aspirazione aumentandone la pressione in modo da iniettare pi combustibile e ottenere prestazioni pi alte La prima applicazione storicamente accertata ed efficace di un dispositivo per l alimentazione forzata di un motore alternativo riguarda gli aerei ed dovuta all italiano Anastasio Anastasi che lo brevett e lo speriment durante la prima guerra mondiale 1915 1918 Con questo primo tentativo si voleva soltanto rendere il funzionamento del motore indipendente dalle variazioni di densit dell aria connesse alle diverse quote di volo senza ottenere aumenti di
125. ssa unitaria rispetto ai combustibili 141 109 5 tradizionali Dalla combustione di una Figura 2 1 Molecola metano molecola di metano in presenza di ossigeno si formano una molecola di due molecole di e si libera una certa quantit di calore 12 La molecola del metano essendo formata da un atomo di carbonio e da quattro atomi di idrogeno il combustibile fossile con la maggiore percentuale di idrogeno e la minore percentuale di carbonio inoltre Da questo ne derivano emissioni molto contenute di biossido di zolfo polveri e CO2 che risultano essere molto inferiori rispetto a quelle prodotte dagli altri combustibili fossili Dalla combustione anche la quantit di CO2 emessa dal metano inferiore rispetto a quella degli altri idrocarburi Il metano il componente principale del gas naturale e da questo deriva l usanza diffusa di chiamare per comodit il gas naturale con questo nome Il gas naturale non contiene composti solforosi e la sua combustione permette una migliore miscelazione con l aria comburente Questo comporta non solo la facilit di combustione ma anche un pi elevato rendimento Nel caso dei motori a metano assai improbabile trovare fumi residui incombusti diversi dal metano cio gli NMHC Non 19 Methane Hydro Carbons presenti invece nei fumi dei combustibili liquidi Gli NMHC sono costituiti da varie sostanze gassose inquinanti Gli effetti negativi sull ambiente degli NMHC si manifestano
126. sto accessorio La stima di questo onere ricade al di fuori di questo tipo studio La coppia stata comunque monitorata a scopo diagnostico anche se non significativa del reale comportamento del motore sovralimentato La campagna di prove sperimentali ha avuto inizio con l esplorazione del campo di funzionamento del motore con miscela costituita dall 80 in massa da GNC e dal 20 Benzina questo per avere una maggiore garanzia nei riguardi dell assenza di fenomeni di detonazione Successivamente si passati all utilizzo di miscele con un contenuto di benzina superiore e sempre a partire dalle pressione di sovralimentazione pi basse verso quelle pi alte sempre per questioni di sicurezza tre set anche se eseguiti in giorni diversi sono stati svolti in condizioni del tutto simili tra loro dal punto di vista delle condizioni ambientali quindi pressione e temperatura esterna In particolare si sono svolte le prove in condizioni di temperatura di 20 C e pressione di 1013 mbar 85 Nelle analisi svolte si utilizzato gas GNC di rete cittadina il cui potere calorifico calcolato risulta essere pari a 46 960 kJ kg mentre per la benzina si considera 43 7 kJ kg 86 5 Analisi dati sperimentali 5 1 Analisi double fuel 80 GNC 20 Benzina Nel primo set di prove stata utilizzata una miscela costituita dall 80 in massa di GNC e 20 di Benzina La valutazione dei risultati partita dal confronto tra la pmi rendimenti e
127. tilizzando i soli combustibili puri al fine di impiegarle come riferimento per le successive Le prove che vedono l utilizzo della sola benzina sono state eseguite a MAP 1 bar mentre per quelle a metano da MAP 1 bar ad 1 6 bar con incrementi di 0 2 bar per volta Le prove eseguite con miscela double fuel a MAP 1 bar possono considerarsi anch esse come di riferimento rispetto a quelle a pressioni pi alte eseguite sempre con doppio combustibile poich consentono di verificare i vantaggi della sovralimentazione con l utilizzo di una miscela ovvero i benefici del Double Fuel con la sovralimentazione Le prove che vedono l utilizzo della benzina sono state svolte solo a MAP 1 bar poich limitati da fenomeni di detonazione La benzina di per s presenta un elevata tendenza alla detonazione per via del basso numero di ottano ma a peggiorare la situazione si somma la scadente architettura della camera di combustione Il motore infatti presenta una forma della camera molto piatta con una sola valvola di aspirazione posta perpendicolarmente allo stantuffo e offre una scarsa turbolenza soprattutto a bassi regimi dove il rischio di detonazione si presenta pi facilmente Sia per il metano che per la benzina sono stati esplorati per ogni MAP i regimi da 1500 a 5000 con incrementi di 500 giri min per volta Non sono stati superati i 5000 giri min per rimanere in condizioni di sicurezza di funzionamento del motore In queste analisi sono state
128. to dei vantaggi legati a ciascun combustibile Il metano presenta un elevato potere antidetonante oltre ad essere un combustibile la cui combustione produce bassi inquinanti La benzina invece permette di ottenere elevate prestazioni legate ad una elevata velocit di combustione e un maggiore riempimento del motore L accoppiamento delle caratteristiche dei due combustibili unitamente ai vantaggi ottenibili dalla sovralimentazione permette miglioramenti sia delle prestazioni sia dei rendimenti Tra le strategie di funzionamento di un propulsore sarebbe possibile richiedere la massima prestazione ad esempio per ottenere una rapida accelerazione del veicolo oppure il massimo rendimento in condizioni di traffico urbano In questo modo sarebbe possibile adoperare una percentuale diversa di miscela double fuel accoppiata ad un determinato livello di sovralimentazione in funzione della condizione operativa desiderata Con lo sfruttamento di miscele di questo tipo non occorre alimentare il motore con miscela ricca a pieno carico cosi come avviene per il motore alimentato a benzina poich il gas naturale consente sempre il funzionamento con miscela stechiometrica possibile implementare in qualsiasi veicolo bi fuel ad accensione comandata il sistema double fuel attraverso una semplice mappatura della centralina e senza alcuna modifica impiantistica Naturalmente la tecnologia doule fuel in accoppiamento alla sovralimentazione offre ulter
129. to in precedenza possibile misurare la portata d aria e quella di benzina ma non la massa di metano A livello operativo attraverso il software di gestione viene imposta l iniezione di una certa massa di metano da iniettare in funzione della frazione f di gas presente nella miscela double fuel mantenendo sempre A pari ad 1 63 La frazione f determinata come m f 9 mg mp Dove mg la massa di gas mentre mp la massa di benzina Determinato mg risulta noto anche il tempo d iniezione attraverso la caratteristica dell iniettore Attraverso il software di gestione della centralina elettronica stata anche abilitata la mappa per consentire il funzionamento del motore con lambda sempre pari ad 1 anche a pressioni maggiori di quella ambiente fig 3 5 3 fi Fie Indice Modelo Finestre 181 amp e amp amp m lr x Block z EX RRR ART TRAN ANNI NN NN d RAV SS SS NI CORRI WY A SN NS N Z Teog fisas CI Sezione Sezione Y Mute e messmo 227675 _ Numero di Giri min 1500 00 3 Minimo 0 Figura 3 5 3 Mappa tempi iniezione X numero di giri Y pressione nel collettore Z tempi iniezione Il corretto tempo d iniezione in regime di loop chiuso viene ottenuto dalla centralina grazie ad un sistema ad inseguimento che partendo dal valore di mappa di primo tentativo e sfruttando il segnale di
130. to risulta essere tanto pi evidente quanto pi alta la differenza tra la pressione all aspirazione e quella allo scarico ovvero a MAP elevate A basse pressioni come 1 bar questo fenomeno non di entit tale da potersi manifestare e le emissioni risultano essere pi basse Dopo i 3000 giri min il CO continua ad aumentare con il regime di rotazione e gli HC tendono a diminuire possibile notare inoltre che anche la CO2 tende a diminuire segno di una non completa ossidazione del combustibile 126 All aumentare della percentuale della benzina contenuta nella miscela per data pressione di sovralimentazione la quantit di CO prodotta tende ad incrementarsi con il regime ad esclusione di MAP 1 bar Per avere una visione immediata del fenomeno possibile notare dai grafici successivi cosa accade al variare della percentuale fissata la MAP ad 1 6 bar E possibile osservare che il CO tende ad aumentare con il regime Questo fenomeno si manifesta in modo molto evidente con la percentuale del 60 di benzina prove in cui sono stati utilizzati anticipi d accensione molto scadenti per via della tendenza a detonare fig 5 8 5 Ci ha ritardato la combustione che stentando a completarsi ha dato luogo all incremento di CO In generale si notato che comunque l effetto della MAP sulle emissioni maggiore rispetto a quello dell aumento della percentuale della benzina fig 5 8 6 e fig 5 8 7 co CO 96 vol
131. unamente dimensionato e che possiede una capacit pi elevata di quello montato di serie su una vettura In realt il motore possiede il suo sistema di raffreddamento originale che viene supportato da uno centralizzato Non appena la valvola termostatica del motore riconosce che la temperatura del refrigerante e prossima a 75 80 C mette in parallelo il circuito originale con l impianto centralizzato In questa analisi le prove non sono state effettuate tutte lo stesso giorno a causa sia dell elevata mole di dati da analizzare sia per via dei limiti legati alle condizioni di funzionamento dell impianto Sottoponendo motore freno sistema di raffreddamento e tutti i dispositivi a regimi di funzionamento che vanno al di fuori delle condizioni di normale esercizio poich il sistema di raffreddamento stato progettato per il funzionamento del motore in modalit aspirato portano ad uno stress termico tale da non consentire un funzionamento continuo di tutto l apparato Il motore utilizzato un Fiat 1242 cc ad accensione comandata 4 cilindri in linea con due valvole per cilindro di tipo bi fuel ovvero alimentato a benzina o a metano Il motore posto su un cavalletto metallico poggiato su un blocco di calcestruzzo tra i quali stato interposto del materiale elastico per ridurre le vibrazioni trasmesse al locale E presente un serbatoio in acciaio inox per lo stoccaggio della benzina che viene utilizzata sia per le eventuali analisi co
132. unzionamento di un propulsore di fondamentale importanza la strumentazione utilizzata in sede sperimentale L insieme delle apparecchiature adoperate costituisce il cosiddetto banco prova motori Attraverso questa strumentazione possibile rilevare le caratteristiche meccaniche dei motori come ad esempio la potenza la coppia e i consumi in diverse condizioni di funzionamento regime carico anticipi ecc Il banco prova costituito essenzialmente da un freno in grado di applicare una coppia resistente al motore a cui collegato da un quadro di controllo e dal sistema di acquisizione In questa analisi inoltre presente un compressore di tipo volumetrico trascinato da un motore elettrico e un sistema di controllo di quest ultimo fig 3 1 1 La temperatura dell aria aspirata dal motore viene controllata attraverso un intercooler di refrigerazione di tipo aria acqua posto a valle del compressore compressore quadro controllo freno volumetrico scambiatore aria acqua refrigerante i encoder motore brushless regime motore pressione cilindro apertura farfalla pressione collettore temperatura scarico ecc trigger e scan clock per l acquisizione coppia potenza rpm Figura 3 1 1 Setup sperimentale 35 Tornando al freno motore esso del tipo a correnti parassite e funziona sul principio di induzione di correnti su un disco che ruota con una certa velocit all interno di un campo mag
133. usciti ad effettuare una misurazione affidabile poich il sensore non pi in grado di misurare oltre le 4100 p p m fig 5 8 9 NOx 4400 4300 4200 4100 4000 3900 3800 3700 2900 2800 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano 1 6 bar 80 metano 2700 T T T T T T T T T T T T T T T T T 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 9 Andamento degli ossidi d azoto per miscela double fuel 80 metano 20 benzina con A 1 0 03 Gli NOx sono molto influenzati dalla temperatura e quindi dall anticipo di accensione possibile notare come gli NOx si abbassano sia con l aumentare del regime 129 Con maggiori quantit di metano si utilizzano anticipi pi alti quindi temperatura pi e NO elevati fig 5 8 10 NOx 1 6 bar 80 metano 1 6 bar 60 metano 1 6 bar 40 metano 1 600 wi 1 I 1 D D 1 1 I 1 Li 1 1 LI 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 8 10 Andamento degli ossidi d azoto per MAP 1 6 bar al variare della miscela double fuel con A 1 0 03 130 6 Conclusioni Un motore alimentato con un sistema double fuel metano benzina consente lo sfruttamen
134. va combustione al variare della pressione di sovralimentazione Potenza indicata 707 1bar GNC 67 5 65 1 2 bar GNC 62 5 1 4 bar GNC 60 1 6 bar GNC 57 5 4 1 bar benzina 55 52 5 50 47 5 45 42 57 40 37 5 35 32 5 30 27 57 25 22 5 20 7 17 57 157 12 5 Xi 1 Li D 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 O 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min AR e ee ee Potenza indicata kw A IS Figura 4 3 7 Andamento della potenza indicata al variare della pressione di sovralimentazione 78 Curve di coppia Coppia Nm ee 1 bar GNC 1 2 bar GNC 1 4 bar GNC 1 6 bar GNC 1 bar benzina LUI IAT VIA III ATT ALTE TT TT HAVEL TAT TA TT TM EZ A ea SI gts p TN m in w m D 1 1 1 D I 1 1 1 1 1 D 1 D D 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 4 3 8 Andamento della coppia al variare della pressione di sovralimentazione 29 4 4 Verifica dosatura Tra le prove che possibile indicare come preliminari rientrano anche quelle della verifica
135. vellate rispetto ai casi precedenti tranne per la miscela 60 40 in cui bassi anticipi condizionati da una temperatura pi alta hanno penalizzato la prestazione Tutto sommato pensabile affermare attraverso le curve di coppia e potenza indicata fig 5 6 2 e fig 5 6 3 che in una logica prestazionale possibile utilizzare la miscela 60 40 fino a 3000 giri min per poi passare a 40 60 Tix Potenza indicata 68 66 64 1 4 bar 80 metano 62 4 1 4 bar 60 metano S A 1 4 bar 40 metano 58 21 ra P 54 p E ATTS 50 LAT I P 46 222 B aa YA HI e oa AZ jd ZZ 36 LZ 22 32 22 30 L 28 a 1 4 bar 100 metano LA 26 3 24 5 22 AA 20 iS 18 T J T D T T T T T T T 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 5500 Regime giri min Figura 5 6 2 Curve di Potenza indicata per MAP 1 4 bar al variare della miscela double fuel Curve di coppia 1 4 bar 100 metano N 1 4 bar 80 metano 1 4 bar 60 metano V 1 4 bar 40 metano Pa SO Coppia Nm e 1 INNI 85 704 i i 7 7 7 i 1 7 7 i i 1 7 t 1 1 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 50
136. ventuali eccessivi picchi di pressione di sovralimentazione presente una valvola detta waste gate che provvede al by pass della turbina se la pressione di mandata del compressore supera una certa soglia Questo tipo di sovralimentazione nasce dall idea di sfruttare l energia residua contenuta nei gas combusti allo scarico che altrimenti verrebbe perduta e dissipata nell ambiente Il principale nemico della sovralimentazione mediante turbocompressore l inerzia Infatti i gas di scarico prima di mettere in rotazione la girante devono vincere l inerzia di quest ultima Nei motori a benzina poi in fase di rilascio la turbina pur se priva della spinta indotta dai gas combusti a causa della propria inerzia continua a girare velocemente causando un aumento di pressione indesiderato nel collettore di aspirazione che in rilascio chiuso dalla farfalla Per scongiurare questo problema viene quindi usata una valvola limitatrice di pressione chiamata Pop off o blow off che limita la pressione massima all interno del collettore di aspirazione scaricando in ambiente Per i motori ad accensione comandata questa valvola posizionata fra il turbocompressore e la valvola a farfalla e provvede ad aprirsi totalmente in fase di rilascio del gas quando pur essendo la farfalla totalmente chiusa la turbina continua a ruotare per effetto dell inerzia comprimendo l aria che tuttavia non viene immessa nei cilindri ed evitando il cosiddetto colpo d ariete
137. vorita dalla turbolenza rispetto al caso double fuel con percentuale 20 La benzina per carburare in modo completo in seno all aria richiede infatti che si verifichino una serie condizioni in termini di tempo temperatura turbolenza che portino alla vaporizzazione di tutto il combustibile iniettato A differenza della benzina che viene iniettata allo stato di vapore finemente nebulizzato il metano trovandosi allo stato gassoso come l aria non trova nessuna difficolt a miscelarsi perfettamente con il comburente Per quanto riguarda i tempi di estinzione essi tendono a diminuire all aumentare della velocit del motore e leggermente anche al diminuire della pressione di sovralimentazione a basso regime fig 5 1 7 Tempo estinzione 90 100 1 bar 80 metano 1 2 bar 80 metano 1 4 bar 80 metano Ss 1 6 80 metano 1 bar benzina Tempo ms 1 f 1 1 1 1 1 I 1 Li 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 Regime giri min Figura 5 1 7 Confronto tempi di estinzione 90 100 MFB da 1 bar a 1 6 bar Nella parte finale della combustione sono presenti pi prodotti rispetto che reagenti per cui un miglior miscelamento dato dalla turbolenza agevola il completamento della combustione Fino a regimi di 3500 giri min la combustione double fuel tende in generale ad essere pi lenta rispetto a

Combustione double-fuel in un motore

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents