di  -  lunedì 17 gennaio 2011

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.

18 Commenti »

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  • # 1
    djfix
     scrive: 

    …io resto del parere che i motori elettrici restino ad oggi una risorsa non sfruttata e che rendano una potenza nettamente superiore a qualsiasi motore a combustione senza contare il rapporto prezzo/KM che è di 5 volte inferiore…vedasi Peugeot ION

  • # 2
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    Come già detto anche in precedenza, il motore elettrico ha un bilancio energetico fortemente negativo, non inquina il motore ma l’energia elettrica va prima prodotta e poi immagazzinata in maniera altrettanto “verde”… altrimenti è come nascondere la polvere sotto al tappeto…

  • # 3
    smoke.kills
     scrive: 

    Complimenti per gli articoli come sempre!
    la mia opinione è in fase di sviluppo..

    Simone ti pongo una domanda alla luce di tutte le discussioni che abbiamo affrontato:
    Ma è ancora conveniente studiare dispositivi che utilizzano combustibili fossili a fronte delle riserve limitate degli stessi? oppure si sentono solo fregnacce date all’informazione per avvalorare operazioni di marketing?
    Cioè per assurdo poniamo che io possa crearti il motore perfetto che inquina zero utilizzando la benzina, ma se questa il giorno dopo finisce che si fa?

  • # 4
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ smoke.kills

    Da una parte la risorsa non è infinita (anche se se ne dicono di tutti i colori), ma dall’altra dobbiamo tenere in considerazione che non finiranno domani e che noi al momento possiamo e dobbiamo migliorare le cose che domani vedranno la luce… la ricerca viene svolta su una marea di cose, i motoristi fanno ricerca nel loro campo, così come gli esperti di altro fanno ricerca sui rispettivi campi di competenza… di fatto i motori esisteranno ancora per un bel po’ e dobbiamo cercare di migliorarli… per chi crede che la soluzione sia l’auto elettrica vale il commento di cui sopra… sicuramente andrà ridimensionato l’uso del mezzo privato… ma no dimentichiamo che il petrolio serve per una marea di cose, dalla plastica ai fertilizzanti, ai farmaci… sarà più difficile farne a meno per queste cose che per il combustibile…

  • # 5
    joe.vanni
     scrive: 

    Dunque potremmo avere Tir alimentati a benzina normale.
    Sembra che la parte cruciale di questo motore è la gestione elettronica, per cui potenzialmente potremmo avere lo stesso motore in un formato da 2 litri. Modificando la zona di squish (ma è così necessario questo squish?) si potrebbero aver meno incombusti e aumentare ancora il rendimento.
    Sbaglio o sono questi incombusti il principale ostacolo per questa soluzione?
    Quanto ai benefici sui consumi, se un diesel moderno ha una resa termodinamica del 45%, vorrebbe dire un miglioramento di efficienza di circa il 25%.
    Aggiungiamo al veicolo altri dispositivi, già ora disponibili, tipo doppia frizione (altro risparmio del 10-15%), start stop (10-15%), frenata rigenerativa (altro 20-30%), e poi servosterzo elettrico (fino al 3%), pneumatici a basso attrito volvente e cosi via.
    Senza modificare aerodinamica o usare carrozzerie in alluminio già ora si dimezzano i consumi e ci sono vetture ecologiche di varie case che lo fanno.
    Con un motore come il PPC insieme ad altre migliorie si potrebbe raggiungere globalmente un 70-80% di risparmio, cioè livelli di consumo prossimi a quelli di un auto elettrica.
    Credo che tra tre anni o quattro potremo vederlo un motore di tale efficienza, chi lo sa se PPC o di qualche altra tecnologia. O No?
    Comunque i motori tradizionali saranno ancora protagonisti per almeno dieci anni, e saranno molto puliti

  • # 6
    smoke.kills
     scrive: 

    Simone, ne abbiamo già discusso negli articoli precedenti :)
    sul discorso auto elettrica le nostre opinioni convergono sullo stesso punto di vista..
    che il petrolio serva per una merea di cose idem però leggendo un po’ qua un po’ la ci sono stime differenti sulla quantità disponibile e allora mi è sorto spontaneo farti la domanda tutto qui.
    comunque i motori Partially Premixed Combustion non mi piacciono per l’utilizzo massivo di Egr.
    sarebbe bello avere un grafico standard dove si veda CV o Kw/rpm e la curva della coppia così riuscirei a farmi una migliore idea in merito. Mi piacerebbe capire come si comporterebbe su strada un motore PPC.

    grazie!

  • # 7
    joe.vanni
     scrive: 

    Discorso auto elettrica. Il problema FONTE DI ENERGIA PER LE AUTO ELETTRICHE.
    Credo che l’Italia potrebbe facilmente arrivare ad un 20-30% di copertura con rinnovabili, con un ritmo superiore alla diffusione delle auto elettriche. Con nuove tecnologie che continuano ad arrivare potremmo fare molto di più.

    Il resto qualcuno sta già cominciando a pensarlo e anche in grande.
    Ad esempio il progetto europeo “DESERTEC”, che sfrutterebbe molte centrali solari in rete nei deserti africani.
    http://www.desertec.org/en/organization/

    L’ENEL fa parte di questo progetto, ma la vedo molto prudente (è distratta da altre velleità).
    CHE DIFFERENZA C’È TRA IMPORTARE PETROLIO ED IMPORTARE ENERGIA ELETTRICA?
    I benefici ambientali sarebbero immensi.(aria pulita e meno petroliere a spasso) I rischi politici sarebbero bassi se queste centrali fossero diffuse in molti paesi.

    Ci sarebbero più risorse ed energia anche per i paesi senza petrolio o che ne hanno poco. Innescando una green economy, fornendo energia e aiutando l’agricoltura anche in paesi molto poveri e riducendo il bisogno di emigrare.
    Aiuterebbe anche le nostre industrie nazionali con commesse importanti.
    Costerebbe molto di meno (come soldi, come tempi e come ambiente) che fare le centrali nucleari.
    Si autofinanzierebbe senza pesare sulle nostre tasche.

    Manca solo una forte volontà politica. Cercasi Obama italiano.

  • # 8
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    Sul PPC c’è ancora molto da fare… i risultati della ricerca, per quanto incoraggianti, non devono fare credere che basti sistemare tutto con l’elettronica… bisogna anche dire che un conto è il laboratorio ed il banco freno ed un conto è la strada… di certo partendo da valori così elevati il risultato su strada si attesterà su ottimi livelli… il diesel comunque presenta quella efficienza più sul piano teorico che pratico…
    L’area di squish serve,ma non dimentichiamo che in origine questi motori hanno geometrie adatte alla combustione diesel… ci sono dei miglioramenti da fare su questo fronte e su quello dei combustibili… in fin dei conti ciò che ho detto riguardo le caratteristiche del combustibile che ha permesso di ottenere certe efficiente “eccezionali” fanno capire che il combustibile per questi motori deve essere una benzina ma diversa da quella che oggi consideriamo ottimale (Ottano più elevato possibile)

    Sul tema della produzione di energia siamo abbastanza in disaccordo… ho parlato lungamente di solare e rinnovabili (ho scritto due lunghe serie di post rispettivamente su eolico e solare e soprattutto suggerisco di leggere i post “riflessivi” sul discorso energia/potenza)in passato e non tornerò ora sull’argomento, che poi in futuro possano dare un contributo sostanzioso non lo metto in dubbio… sappi che io sono un favorevole al nucleare, pur considerandolo PARTE DELLA SOLUZIONE, non LA SOLUZIONE… comunque parleremo anche del nucleare con lo stesso approccio fino ad ora tenuto, tecnico divulgativo e distaccato dai condizionamenti personali.

    @ smoke.kills

    L’uso dell’EGR è necessario, non vederlo negativo… d’altronde puoi vedere come nel PPC non influisca con il particolato in maniera consistente… al momento comunque sto lavorando sul concetto PCCI ma spero di riprendere sul PPC che ritengo più interessante soprattutto sul piano dell’efficienza…

    @ tutti

    Invito ovviamente a leggere anche i vecchi post… per come è strutturata la rubrica non ci sono (salvo rari casi) singoli post monografici ma trattazioni abbastanza approfondite di ogni tema… una lettura ordinata permette di seguire al meglio il filo conduttore

  • # 9
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    mi sfuggiva la parte sugli incombusti… sono un problema ma non sono IL problema… come già detto c’è tanto da fare… per quanto riguarda l’avere motori da TIR a benzina è sicuramente possibile, ma passare da un 13 litri ad un 2 litri è impossibile… aumenti l’efficienza ma non non è che le prestazioni raddoppino… questi motori operano abbastanza “magri”, pertanto le prestazioni vere e proprie si sono conservate venendo equilibrata la maggiore diluizione della carica con il miglioramento del rendimento… diciamo che sarebbe possibile avere grossomodo gli stessi motori con consumi ed emissioni inferiori (ed in certi casi anche sensibilmente inferiori)

  • # 10
    joe.vanni
     scrive: 

    @ Simone Serra
    Un motore come il PPC se mantenesse le promesse come efficienza sarebbe eccezionale, visto che, rispetto al motore HCCI, mantiene la coppia sia per carichi alti che bassi.
    Passare da 40% a 57% di rendimento vorrebbe dire migliorare i consumi di un 42%, o qualcosa di meno visto che bruciamo benzina in luogo del gasolio.

    Limitare tale soluzione ai grossi Tir, solo per il fatto che va a benzina, sarebbe scarsamente commerciale. Ad esempio x il fatto che il gasolio per autotrasporto è defiscalizzato e la benzina non mi pare. Per questo sarebbe interessante se proposto in taglie più piccole tipo 2-3 litri.

    Mantenendo la geometria e rimpicciolendo il motore aumenta il rendimento?
    Perchè non sarebbe possibile passare da 13 a 2 litri? Per il fatto della stratificazione delle cariche o cos`altro?

  • # 11
    joe.vanni
     scrive: 

    @ Simone Serra
    Faccio una divagazione, fuori dal tema.

    Collegandomi al progetto italiano Kite-Gen gia trattato in questa rubrica in Germania hanno brevettato un sistema simile per trainare le navi cargo con la forza del vento. Spettacolare!

    http://www.skysails.info/english/

    Nave carbon neutral:

    http://green.autoblog.com/2011/01/15/sauter-carbon-offset-design-introduces-carbon-neutral-ocean-empi/

  • # 12
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    Nel discorso TIR – vetture ho frainteso il tuo pensiero… avevo capito che ritenevi possibile utilizzare motori di piccola cilindrata sui TIR, e sulla base di questo che ho sviluppato poi il mio commento… sui motori low duty si può andare (è quello che facevo io), problemi ce ne sono sempre ma anche potenzialità…

    Sui link che dire… si brevettano le idee, interessanti per carità, ma non è detto che siano poi realmente fattibili (è necessaria una certa praticità, non tanto la fattibilità pura)

  • # 13
    joe.vanni
     scrive: 

    @ Simone Serra

    Forse non hai visto il video del primo link (ultimo della pagina) in cui si vede una nave portacontainer trainata da una vela tipo kite-surf, con le varie operazioni automatizzate o quasi.
    Con risparmi del 20-50% sul combustibile. È prevedibile il passo successivo, con più di una vela. Quale armatore rinuncerebbe ad un risparmio così facile?

    Nel secondo link è solo un progetto il super-yacht ibrido da 44 m “carbon neutral”. Disponibile su ordinazione Nel sito della casa ci sono le specifiche, adotta tutte tecnologie disponibili, sfruttando energia di sole, vento, onde:
    http://www.gizmag.com/ocean-empire-lsv-totally-self-sufficient-zero-carbon-yacht/17440
    Certo è un`idea per ricchi un po’ matti. In apparenza folkloristica. Il tempo ci dirà se poi gli sviluppi successivi saranno navi commerciali e di taglia sempre maggiore.

  • # 14
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    La differenza tra le idee e la reale applicabilità consiste proprio nel rendere le buone idee utilizzabili… il fatto che funzioni non lo metto in dubbio, ma se funzionasse davvero tutto e subito non esisterebbe la sperimentazione… credo che problemi da risolvere ne abbiano parecchi prima di potere applicarle in maniera diffusa

  • # 15
    joe.vanni
     scrive: 

    @ Simone serra

    Visto che è l’ultima puntata sui motori innovativi volevo chiedere a chi fa ricerca sul campo e si confronta anche con colleghi e altri centri di ricerca, di queste realtà cosa vede nel futuro vicino(2-3 anni) e piu in là (5-6anni).

    In passato abbiamo visto presentare motori innovativi (ricordo ad esempio l’orbital) che non hanno avuto seguito o ne hanno avuto poco (wankel).
    In questo caso ci capisce quanto conta la “praticita”, di cui parlavamo prima, e che non basta che il motore “funzioni”

    Vediamo ancora adesso presentare nuovi motori. Ultimo prototipo recente presentato lo SCUDERI con le specifiche di funzionamento
    http://www.greencarcongress.com/2010/01/scuderi-20100116.html
    il quale migliora specialmente ai bassi carichi e nelle emissioni, ma sembra abbastanza complesso.

    Oppure il progetto TRANSONIC COMBUSTION che cambia solo gli iniettori e quindi si adatterebbe a geometrie di motori esistenti promettendo un miglioramento di efficienza ed emissioni del 50%,
    http://www.technologyreview.com/energy/24701/?a=f

    Oppure il motore MAZDA a inezione diretta, in cui si aumenta il rapporto di compressione e si raffredda la miscela aria benzina.
    http://www.technologyreview.com/energy/26613/?mod=related

    Oppure il gasoline PPC, o altri motori che conosci.

    Io penso che il PPC e il transonic, se mantengono le promesse siano degli ottimi candidati a fare un bel salto di qualità, senza avere soluzioni troppo complicate.

  • # 16
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ joe.vanni

    Credo che capiteranno ulteriori post sui motori… diciamo che con questo si chiude la “serie monografica” di post motoristici… soluzioni ne vengono presentate tante, in certi casi vere e proprie soluzioni “esotiche” sulla meccanica del motore, in altri casi soluzioni sulla combustione (e nei link che hai postato si ritrovano anche cose che poi ho presentato anche io, magari solo come cenno, come il dual fuel proposto da Reitz a Madison ed i lavori sul PPC a Lund, lavori che mi hanno riguardato da vicino).

    Dire cosa ci si aspetta nei prossimi anni è difficile perché poi dipende in maniera marcata dalle aziende e non dai ricercatori… vista la crisi generale c’è anche meno disponibilità delle aziende ad investire nei centri di ricerca pubblici (in genere ogni azienda ha un proprio centro di ricerca anche se poi instaura una serie di collaborazioni con Università ed enti di ricerca) e nella ricerca in generale…

    Personalmente mi aspetto l’implementazione delle soluzioni che più sono vicine ai motori attuali, ad esempio PCCI e PPC e simili, e nulla vieta nuovi concetti, anche se poi a guardare bene si nota come le differenze siano sul come si fa, non su ciò che si cerca di ottenere (combustione premiscelata o parzialmente premiscelata)… penso anche che la “distanza” tra motori a benzina e diesel si assottiglierà e si possa avere una fusione dei due mondi… ovvero che si arrivi a soluzioni che utilizzino l’accensione spontanea con combustibili però appartenenti alla famiglia delle benzina in quanto a caratteristiche principali.

    Il transonic non lo ho compreso bene… dovrei leggere qualcosa di più tecnico…

    Ti ringrazio anche per avermi dato l’idea sul post per lunedì… a questo punto credo che scrivere un post riassuntivo, che porti alla riflessione sul futuro dei motori, possa essere una buona idea!

  • # 17
    Davide
     scrive: 

    10 o 15 anni fà se non ricordo male in una unevirsita in italia ho visto un furgoncino ad aria compressa ad emissioni 0 e sono rimasto stupito poichè oggi a distanza di cosi tanti avanti non si è sentito più nulla a proposito di quel proggetto wikipedia mi sembra che riporti tutti i dettagli sul funzionamento cmq
    Preferirei di più vedere impianti a metano o idrogeno che sono come le mosche bianche in tutta italia non se ne contano poi molti e credo questo freni anche la vendita di auto più pulite

  • # 18
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Davide

    L’energia spesa per comprimere l’aria è superiore a quella che riottieni in energia meccanica… di conseguenza non risolveva alcun problema… per quanto riguarda l’uso del gas metano bisogna ricordare che anche quello emette CO2, mentre sull’idrogeno vi sono i problemi legati al suo “dovere essere prodotto”, processo che costa più energia (ovviamente) di quella che si riottiene sotto forma di energia meccanica

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