Proseguendo sul filone delle soluzioni innovative per ottenere ridotte emissioni nei motori a combustione interna, parliamo quest’oggi di una soluzione simile al concetto HCCI presentato la scorsa settimana per poi arrivare a presentare due soluzioni proposte da due case automobilistiche, infatti parleremo del concetto PCCI (Premixed Combustion Compression Ignition).

MAPPE NOx-SOOT

In funzione delle temperature e del rapporto locale aria-combustibile è possibile definire delle mappe dove vengono evidenziate le zone di formazione degli NOx e del particolato (soot) con sovrapposte le zone di funzionamento dei motori HCCI e Diesel convenzionali:

Si può vedere come le condizioni operative del concetto Diesel tradizionale ricada in parte nella zona del soot ed in parte nella zona degli NOx, mentre questo non avviene per HCCI e LTPC (Low Temperature Premixed Combustion).

IL CONCETTO PCCI – COSA E’ E COME FUNZIONA

Il concetto PCCI si pone a metà strada tra la soluzione HCCI e la normale combustione Diesel, e si sviluppa mediante la creazione di una carica premiscelata alla quale si aggiunge un certo quantitativo di gas ricircolato mediante EGR.

L’obiettivo di questo concetto è quello di evitare zone troppo estese in camera di combustione nelle quali si ha una miscela troppo ricca in termini di rapporto aria combustibile, al fine di evitare una eccessiva produzione di particolato.

Il particolato che si ottiene allo scarico del motore non è tutto quello che in realtà viene prodotto al suo interno, infatti nella combustione Diesel si ha una prima fase di iperproduzione dello stesso, particolato che poi si ossida in percentuale del 90-95%, pertanto quello che si misura allo scarico è solamente il 5-10% del totale inizialmente formatosi durante la combustione.

Lo scopo dei concetti di combustione innovativi è pertanto quello di evitarne una iperproduzione iniziale andando ad operare in condizioni dove questa specie inquinante viene ostacolata già in fase di formazione.

Esaminando il diagramma precedente è evidente come la zona di funzionamento del PCCI mira ad essere quella delle Low Temperature Combustion, e per ridurre la temperatura di combustione si utilizza una certa quantità (anche elevata) di EGR.

Poiché il ricircolo dei gas combusti permette di ridurre sensibilmente gli NOx ma tende anche a ridurre la temperatura di combustione, è possibile ottenere mediante l’impiego di una opportuna strategia di iniezione una condizione locale nella quale operare che permette appunto una contemporanea riduzione sia degli NOx che del particolato.

Il concetto PCCI non opera con una miscela completamente omogenea, bensì parzialmente omogenea riducendo le disomogeneità ma non del tutto.

La combustione avrà una durata piuttosto breve (analogo all’ HCCI) con benefici in termini di efficienza, ed inoltre l’impiego del combustibile Diesel ne permette un impiego diretto nei motori attuali, mentre l’ HCCI, pur essendo possibile sviluppare il concetto al combustibile Diesel, è prevalentemente un concetto utilizzabile con la benzina.

Ovviamente quanto appena detto si scontra con le difficoltà nella gestione del fenomeno dell’inizio della combustione, in quanto piccole variazioni delle condizioni in camera di combustione possono influenzare sensibilmente l’inizio della combustione e di conseguenza lo sviluppo della stessa, dal quale derivano le emissioni.

Inoltre un grande lavoro di ricerca mira ad estendere agli alti carichi tale concetto, in quanto al crescere del carico si ha un aumento delle quantità di combustibile iniettato e pertanto si riduce il tempo di miscelamento tra combustibile ed aria, con il rischio di ricadere nella regione Diesel dominata dal meccanismo della diffusione, condizione che si ha quando si inietta durante la combustione stessa, portando ad una elevata produzione di particolato.

Ed ancora, tutte le problematiche relative alla fasatura ottimale della combustione con il punto morto superiore richiedono un accurato studio in quanto influenzano le prestazioni del motore e la produzione di incombusti, pertanto nel prossimo post andremo ad esaminare come le case automobilistiche hanno cercato di risolvere queste problematiche sviluppando diverse implementazioni del PCCI.

Con questo per oggi è tutto, rinnovo l’appuntamento come di consueto a lunedì prossimo, sempre su AppuntiDigitali, sempre con la rubrica Energia e Futuro.