De Simio, Luigi (2009) Combustibili Gassosi per l’Alimentazione di Motori Alternativi a Combustione Interna. [Tesi di dottorato] (Unpublished)

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Item Type: Tesi di dottorato
Uncontrolled Keywords: EGR, Biometano, Gas Naturale
Date Deposited: 10 Mar 2010 11:20
Last Modified: 30 Apr 2014 19:37
URI: http://www.fedoa.unina.it/id/eprint/3627

Abstract

I trasporti, per la specificità di avere disponibile l’energia primaria a bordo del veicolo, hanno dovuto prediligere sempre i combustibili liquidi. Pertanto, la necessità di ridurre nel breve periodo l’emissione in atmosfera di gas ad effetto serra spinge verso la produzione di biocombustibili liquidi in quanto la sostituzione parziale o totale dei combustibili tradizionali non richiederebbe sostanziali modifiche al sistema di distribuzione ed al parco veicolare circolante. Una maggiore diffusione dei biocombustibili gassosi, invece, a parità di riduzione di emissioni dei gas serra, oltre ad un minore impatto sul territorio per la produzione, permetterebbe di conseguire notevoli e accertati benefici sulle emissioni motore, sia regolamentate che non regolamentate, con conseguente minore impatto sulla salute. Fra l’altro è da tenere in debita considerazione la poca ragionevolezza nel ritenere che i biocombustibili possano soddisfare agevolmente tutto il fabbisogno mondiale di energia per i trasporti essendo essi, in ultima analisi, una forma di immagazzinamento dell’energia solare per giunta con bassa efficienza. E’ pertanto quanto mai opportuno effettuare scelte orientate ad incrementare il più possibile la resa di produzione energetica della superficie di terreno impegnata. In questo senso il biometano, sia di prima che di seconda generazione, risulterebbe essere la scelta più efficiente consentendo di convertire biomasse e rifiuti con il minimo impegno del terreno coltivabile e quindi generando la minima competizione con altri settori a parità di energia disponibile. La diffusione dell’utilizzo di veicoli equipaggiati con motori a gas passa attraverso la riduzione degli ingombri per lo stoccaggio del combustibile a bordo nonché il miglioramento delle prestazioni, in termini di potenza e consumi. Se per l’incremento dell’autonomia dei veicoli a gas occorrerà attendere la diffusione di una tecnologia, ormai consolidata, quale quella dei serbatoi criogenici a bassa pressione, diverse sono le possibilità per incrementare le prestazioni dei motori a gas ad accensione comandata. In questo lavoro di tesi è stata analizzata alla luce di risultati sperimentali e modellistici la possibilità di incrementare la potenza e l’efficienza di un motore a gas mediante il ricircolo dei gas di scarico. In particolare, un sistema di ricircolo dei gas di scarico può essere utilizzato per incrementare la potenza specifica dei motori alimentati con combustibili gassosi per renderli più adatti all’attuale esigenza dei veicoli su cui tali motori sono installati. I risultati sono stati ottenuti a valle di un lavoro sperimentale su un motore, per autobus urbano, installato al banco prova ed uno studio numerico modellistico per la messa a punto delle strategie di gestione ottimali di detto motore. Sulla base dei risultati acquisiti con l’attività sperimentale è stato possibile: confermare che la ricircolazione esterna dei gas di scarico raffreddati permette di ridurre le temperature massime in camera di combustione e verificare che un adeguamento dell’anticipo all’accensione consente di regolarizzare il funzionamento del motore anche con più elevati tassi di EGR, con conseguenti cicli di pressione più prossimi a quelli ottimali. Fra i vari sistemi di ricircolo dei gas di scarico al fine di incrementare la potenza specifica erogabile dal motore, è da preferire il sistema in grado di assicurare il più alto tasso di EGR nella condizione di massimo carico termico (massima potenza), e quindi garantire minori temperature di esercizio. Sperimentalmente, infatti, è stato constatato che ricircolando percentuali di gas di scarico tra il 20 ed il 25% è possibile ridurre le temperature medie e massime (rilevate nei pressi delle valvole di scarico) della testa di circa il 10÷15%. La riduzione delle temperature medie, di vitale importanza per alcuni punti critici della testata del motore, è direttamene legata alla riduzione della temperatura massima di combustione valutata sulla base dei rilievi del ciclo di pressione in camera di combustione. Ai fini della riduzione della temperatura della testa, il sistema low pressure route (LPR) EGR, che prevede un cammino di bassa pressione con i gas di scarico prelevati a valle turbina e immessi a monte compressore, è risultato il migliore. Tale valutazione è stata effettuata sviluppando prima un modello fluidodinamico monodimensionale del motore e dell’impianto EGR LPR, validato sulla base dei dati sperimentali, e utilizzando poi il modello validato per studiare sistemi di ricircolo dei gas di scarico alternativi: HLPR, High Low Pressure Route e HPR, High Pressure Route. Il sistema di ricircolo LPR è risultato essere la migliore soluzione in quanto, consente il più alto tasso di ricircolo dei gas di scarico ai carichi elevati ed in particolare in condizioni di massima potenza (25%) unitamente ad una minore complessità impiantistica. Infatti, il sistema HLPR consente un tasso di EGR a massima potenza pari solo al 17%; mentre il sistema HPR sebbene permetterebbe di impostare quasi lo stesso tasso di EGR a potenza massima (22%) e, pertanto, potrebbe essere considerato equivalente ai fini della riduzione del carico termico, risulta un sistema più complesso essendo necessario prevedere, invece che una sola valvola per il controllo della portata dei gas di scarico ricircolati, due valvole (una di tipo on\off sul condotto di ricircolo ed una di contropressione allo scarico sostituibile eventualmente con una turbina a geometria variabile). Nel caso di sistema HPR con valvola di contro pressione va considerato che detta valvola, essendo a monte della turbina, deve lavorare ad alta temperatura. Ai fini della riduzione dei consumi ai carichi parziali mentre il sistema HPR è un sistema che presenta difficoltà per il controllo del tasso di EGR ai bassi carichi per la presenza della valvola di tipo on\off che sostituta con una regolabile come quella di contropressione implicherebbe una maggiore complessità del sistema di controllo, l’HLPR consente grosso modo la stessa riduzione dei consumi su tutto il piano di funzionamento del motore (mediamente: 6÷7% ai bassi carichi e vicino al 4% a massima potenza). La riduzione dei consumi ottenuta con l’immissione di gas combusti in camera, sulla base dei dati relativi al motore in prova è risultata principalmente (per il 75÷100%) dovuta alla riduzione degli scambi termici con le pareti. Questo è in accordo con quanto rilevato sperimentalmente sul motore nel funzionamento a 1100 giri\min con anticipo ottimizzato, dove è stata rilevata una sensibile riduzione dei consumi (circa il 10%) ai bassi carichi, non giustificabile con un minor lavoro di pompaggio. Il sistema LPR rappresenta quindi la scelta migliore sia per quanto riguarda la possibilità di incrementare la potenza specifica che ridurre i consumi. Sul motore oggetto dello studio, in ogni caso, sia l’implementazione del sistema LPR che dell’HLPR non richiederebbe un potenziamento dell’unità elettronica di controllo. In pratica potrebbe essere possibile adattare l’attuale controllo elettronico della valvola wastegate con quello della valvola per l’EGR. Infatti, è stato mostrato con il modello, che con la valvola wastegate della turbina completamente chiusa su tutto il piano di funzionamento è possibile controllare il carico erogato dal motore con il solo tasso di EGR, ai carichi più alti, e anche con la farfalla ai carichi più bassi.

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