Nell’ambito della riduzione delle emissioni inquinanti nei MCI, differenti approcci sono stati proposti e sviluppati, ed in larga misura esposti nei precedenti post, pertanto seguendo la traccia ormai definita, andremo quest’oggi a concludere la lunga trattazione sui Motori a Combustione Interna andando a parlare di un concetto di combustione particolarmente interessante, oggetto di ricerche che mi hanno interessato in prima persona, ovvero parleremo del concetto PPC – Partially Premixed Combustion.
PARTIALLY PREMIXED COMBUSTION: DIESEL PPC
Partendo dal concetto HCCI già esposto in precedenza, la ricerca svolta in alcuni centri si è orientata verso il superamento dei limiti di tale soluzione introducendo alcune modifiche ad esso.
Un punto in particolare che è stato affrontato è stato quello di intervenire sulla carica, cercando di introdurre una certa stratificazione della stessa con lo scopo di rendere più graduale la combustione.
Il motivo di ciò consisteva nel fatto che una carica omogenea sottososta ad accensione spontanea per compressione porta ad avere una rapida combustione che porta a sollecitazioni non sopportabili dal motore ad elevati carichi, oltre che ad una ruvidezza di funzionamento assolutamente non accettabile.
L’idea di ottenere una certa stratificazione rappresentava però il “cosa fare“, ma rimaneva necessario individuare “come farlo“.
Operando su motori diesel alimentati con combustile diesel (e quindi col una elevata tendenza all’autoaccensione) ed eseguendo una iniezione diretta di combustibile fortemente anticipata rispetto al PMS si fornisce al combustibile il tempo necessario per miscelarsi con l’aria e creare una miscela sufficientemente omogenea.
Per aiutare la stratificazione è possibile suddividere l’iniezione in due o più iniezioni separate in modo da regolare meglio il livello di premiscelazione ed ottenere un maggiore controllo della stessa al variare del carico.
A causa della bassa resistenza all’autoaccensione del combustibile diesel (ottimale per la normale combustione diesel ma negativa in questo caso) è possibile che il combustibile iniettato inizi a bruciare prima ancora che il processo di iniezione sia terminato, oppure prima che si sia raggiunta una sufficiente premiscelazione, pertanto diviene necessario operare con elevati livelli di EGR che però influenzano in maniera considerevole l’emissione di particolato, pertanto si sono raggiunti ben presto i limiti di questa soluzione.
PARTIALLY PREMIXED COMBUSTION: GASOLINE PPC
Per superare i limiti del Diesel PPC è stato proposto da alcuni ricercatori l’utilizzo della benzina (Gasoline) in sostituzione del diesel in virtù dell’elevata resistenza all’autoaccensione di questa, caratteristica che permette di operare iniezioni fortemente anticipate senza il rischio che la miscela così formata si autoaccenda durante la compressione.
Durante le ricerche alle quali ho partecipato presso l’Università Tecnica di Lund LTH, operando con un motore Volvo 5 cilindri 2000 c.c. è stata sviluppata la seguente strategia di iniezione:
Questa consiste in tre iniezioni separate fortemente anticipate rispetto al PMS (TDC) la cui posizione risulta grossomodo fissata al variare del carico (indicato in legenda come IMEP, una grandezza che lega la potenza, il regime di rotazione ed altri parametri).
Nel diagramma è riportato anche il rilascio del calore (RoHR) al variare dell’IMEP, parametro che mostra come avviene il rilascio dell’energia del combustibile durante la combustione.
Risulta evidente la breve durata dell’intero processo di combustione, caratteristica tipica della combustione premiscelata.
E’ stato necessario utilizzare elevati valori di EGR a partire da un certo valore del carico, ma come si vedrà nel seguito questo non ha portato nessuna conseguenza negativa sul fronte del particolato:
Si può notare come si sia arrivati ad utilizzare ai carichi più elevati circa il 50% di EGR, ovvero circa il 50% della carica all’interno della camera di combustione era composta da gas ricircolati.
Le emissioni rilevate sono state le seguenti:
I valori di NOx risultano estremamente contenuti in tutto il range di funzionamento esaminato, così come il particolato che si è attestato a valori prossimi allo zero dello strumento di misura.
In termini di idrocarburi incombusti e monossido di carbonio la situazione è stata peggiore:
Questi valori abbastanza elevati di incombusti influenzano il rendimento del motore, e la causa individuata è stata l’iniezione fortemente anticipata che portava ad un accumulo di combustibile nella zona di squish del motore (zona piatta esterna alla camera di combustione ricavata nel pistone, visto in sezione nella seguente immagine):
Il rendimento del motore pertanto si è attestato su valori fortemente influenzati dal rendimento di combustione:
Sperimentazioni analoghe, svolte anche con combustibili differenti soprattutto per quanto riguardava il potere antidetonante (numero di Ottano) sono stati condotti su motori Heavy Duty (Scania 12 e 13 litri utilizzato nei camion) con risultati che hanno portato ad ottenere un rendimento indicato massimo prossimo al 57%, con una strategia di iniezione capace di operare dalle condizioni di idle (regime di minimo) fino a pieno carico (potenza massima del motore originale), evidenziando come la strada del Gasoline PPC rappresenti una delle vie più interessanti per il miglioramento dei motori.
Questa ricerca ha anche mostrato come il combustibile ottimale sia rappresentato dalla benzina medio Ottanica, contrariamente a quanto avviene nei normali motori SI, con un conseguente beneficio anche per il costo del combustibile stesso in quanto i combustibili sono “naturalmente basso Ottanici” appena prodotti, e vengono successivamente addittivati per incrementarne tale valore, con evidenti aumenti di costo e di consumo di risorse.
Tali sperimentazioni sono state condotte sempre a Lund da un ricercatore Italiano (Vittorio Manente, citato in un link postato da un lettore in un commento) con il quale ho avuto modo di collaborare durante il mio soggiorno di ricerca in Svezia (e che di tanto in tanto segue la rubrica).
Anche per oggi è tutto, rinnovo l’appuntamento a lunedì prossimo, con un nuovo argomento ma sempre su AppuntiDigitali con la rubrica Energia e Futuro.
