motori a combustione interna innovativi a ridotto impatto ambientale

MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA INNOVATIVI A
RIDOTTO IMPATTO AMBIENTALE
Stefano Frigo, Ettore Musu, Riccardo Rossi, Roberto Gentili
(Dipartimento di Ingegneria dell’Energia e dei Sistemi)
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012

I VEICOLI E L’AMBIENTE
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
Secondo numerosi studiosi, l’incremento nell’atmosfera di
sostanze inquinanti e di gas serra, in primis l’anidride carbonica,
dipende fortemente dall’aumento di energia prodotta da fonti
fossili, delle quali tra l’altro si paventa l’esaurimento.
In campo veicolistico molti studi sono volti perciò alla “mobilità
sostenibile”, ovvero a soluzioni atte a ridurre l’emissione di
sostanze inquinanti e di anidride carbonica e, più in generale, il
consumo dei combustibili derivati dal petrolio.
Diverse le linee di ricerca: dalla riduzione della massa del
veicolo, alla propulsione elettrica ed ibrida, a combustibili
alternativi, a motori termici innovativi.

I MOTORI
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
Molto si fa per ridurre emissioni inquinanti e consumi (quindi anche
l’emissione di anidride carbonica) dei motori.
Per migliorare il rendimento dei motori ad accensione comandata si
punta su downsizing, sovralimentazione, iniezione diretta, fasatura
variabile.
Per ridurre le emissioni dei Diesel si ricorre a sistemi d’iniezione
sempre più evoluti ad altissima pressione, nonché su postrattamenti
sempre più efficaci dei gas di scarico.
Vengono studiati sistemi di combustione innovativi.
Vengono impiegati sistemi elettronici di controllo sempre più efficienti.
Sta diffondendosi l’uso di motori elettrici per azionare alcuni ausiliari
con più efficacia e minore spesa energetica.

RICERCHE MOTORISTICHE IN CORSO
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
A titolo esemplificativo si descrivono sinteticamente tre studi sui
motori condotti presso il DESE dell’Università di Pisa.
Il primo è relativo ad un motore alimentato ad idrogeno e
caratterizzato da un innovativo sistema d’iniezione diretta a due
stadi.
Il secondo ha per oggetto l’alimentazione di un motore ad
accensione comandata con ammoniaca più una modesta
quantità di idrogeno.
Il terzo riguarda un nuovo concetto di motore Diesel denominato
“HCPC”, finalizzato all’ottenimento sia di bassissime emissioni
inquinanti che di un alto rendimento.

SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA DI H2 A DUE STADI
Il sistema di iniezione di H 2 ideato
unisce i vantaggi dell’iniezione
diretta (alta potenza specifica,
nessun ritorno di fiamma nel
collettore di aspirazione) con quelli
dell’iniezione indiretta (massimo
sfruttamento della pressione residua
nel serbatoio ~ 12 bar).
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PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DELL’INIEZIONE A DUE STADI
L’idrogeno viene dapprima immesso all’interno di una precamera nella quantità voluta
grazie ad un normale elettro-iniettore, dopo viene iniettato nel cilindro per mezzo di una
valvola a fungo comandata meccanicamente, che, grazie all’elevata sezione di
passaggio, consente le elevate portate volumetriche necessarie.
Elettro-iniettore
Precamera
Valvola di iniezione
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INIEZIONE DIRETTA A DUE STADI: PRIME FASI DELLA RICERCA
La realizzazione del prototipo è stata preceduta da un’attività numerica che ha consentito
una prima validazione della soluzione ed anche di dimensionare le varie parti del sistema
di iniezione.
Distribuzione dell’idrogeno al
momento dell’accensione a piena
potenza e 6000 giri/min
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Posizione candela Posizione candela
Distribuzione dell’idrogeno al
momento dell’accensione a bassa
potenza e 3000 giri/min

A seguito dei risultati dell’attività CFD è stato allestito un prototipo modificando il motore
Aprilia-Rotax da 650 cm 3 che ha equipaggiato, sino al 2004, la moto Aprlia Pegaso 650.
Valvole di
aspirazione
Valvola di iniezione
dell’idrogeno
Testa originale Testa modificata
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Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012

INIEZIONE DIRETTA A DUE STADI: RISULTATI SPERIMENTALI
La fase iniziale dell’indagine sperimentale è stata dedicata alla verifica del
funzionamento del sistema di iniezione ed alla misura delle prestazioni del motore.
Prima di tutto è stato analizzato il corretto funzionamento del sistema di iniezione a due
stadi e se le sue caratteristiche complessive (pressione nella precamera, fasatura della
valvola di iniezione, pressione della linea di alimentazione dell’idrogeno, ecc.) fossero
adeguate al raggiungimento delle prestazioni previste.
Il motore ha dimostrato un
comportamento regolare,
erogando la massima potenza
con λ~1 senza detonazioni e/o
problemi di combustione.
La fasatura di accensione
ottimale a pieno carico è 3°
dopo il PMS.
Potenza (kW)
35
33
30
28
25
23
20
18
15
13
10
2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500
rpm
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Potenza H2
Potenza Benzina
Coppia H2
Coppia Benzina
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Coppia (Nm)

INIEZIONE DIRETTA A DUE STADI: IMPLEMENTAZIONE DEL
SISTEMA SU UN MOTORE PLURICILINDRICO
È stata anche valutata la possibilità di adottare una versione migliorata del sistema
d’iniezione diretta d’idrogeno a due stadi in un motore pluricilindrico, con poche modifiche
alla configurazione del motore.
Per l’applicazione specifica è stato scelto il motore FIAT 1,6 l, 16v Blupower.
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MOTORE AD AMMONIACA-IDROGENO
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
Lo stoccaggio dell’idrogeno a bordo del veicolo è un problema di non semplice ed
economica soluzione.
Un’alternativa consiste nello stoccare l’idrogeno sotto forma di ammoniaca, che a
temperatura ambiente è liquida a soli ~ 9 bar e quindi comporta ingombri e masse
relativamente piccoli e serbatoi poco costosi.
Attraverso processi di reforming catalitico, da effettuarsi a bordo del veicolo,
dall’ammoniaca può essere estratto idrogeno da utilizzare in celle a combustibile o in
motori a combustione interna.
Nel caso dei motori a combustione interna, è conveniente utilizzare direttamente
l’ammoniaca come combustibile, ma vi sono problemi soprattutto a causa della bassa
velocità di fiamma e dell’alta energia di innesco propri delle miscele aria-ammoniaca.
Questo rende il comportamento del motore molto irregolare, con grosse difficoltà negli
avviamenti a freddo. Vi è quindi la necessità di abbinare all’ammoniaca altri combustibili
che ne incrementino le qualità di combustione.
L’idrogeno è quello che dà i benefici migliori, essendo contraddistinto da alta velocità di
fiamma e bassa energia di innesco, caratteristiche opposte e quindi complementari
rispetto a quelle dell’ammoniaca.

Le prove al banco hanno confermato la
necessità di addizionare idrogeno
all’ammoniaca in una percentuale
minima, che in energia varia da circa il
7% a pieno carico ad un 10% a medio
carico, per garantire un comportamento
regolare del motore (bassa dispersione
ciclica, facilità di avviamenti a freddo).
A pieno carico, il motore ha erogato una
potenza, rispetto a quella del motore
alimentato a benzina, inferiore di circa il
10% ai bassi regimi di rotazione e di
circa il 25% agli alti regimi.
Iniettori
idrogeno
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Iniettori
ammoniaca
a

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MOTORE DIESEL INNOVATIVO: HOMOGENEOUS
CHARGE PROGRESSIVE COMBUSTION
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
Molte ricerche vengono svolte sulla combustione “HCCI” (Homogeneous-charge, compressionignition),
che viene considerata una soluzione assai promettente al fine di ridurre le emissioni
inquinanti, specie di ossidi azoto e di particolato, nei motori funzionanti sia a benzina che a
gasolio.
Purtroppo ad oggi la combustione HCCI è ruvida e rumorosa, poiché comporta alti gradienti di
pressione, nonostante se ne moderi l’andamento diluendo fortemente la carica con gas
combusti.
Inoltre essa non si estende a tutte le condizioni operative del motore, che deve quindi poter
funzionare anche in modalità convenzionale (ad accensione comandata o Diesel).
Per mantenere i pregi della combustione HCCI e superarne i limiti, si è studiato un nuovo
concetto di combustione per motori Diesel, denominato Homegeneous Charge Progressive
Combustion (HCPC).
Il principio è di far affluire gradualmente nel cilindro una carica omogenea precompressa
durante la fase di combustione, in modo che l’andamento di quest’ultima venga controllato
dall’afflusso della carica e non dalla presenza dei gas residui, la cui funzione si limita al
controllo delle emissioni di ossidi azoto (riducono la pressione parziale dell’ossigeno e le
temperature locali).

La soluzione costruttiva è del tipo “split cycle”.
Le fasi di aspirazione e di compressione sono
effettuate in un cilindro (cilindro compressore)
diverso da quello (cilindro combustore) nel quale
avvengono le fasi di combustione, espansione e
scarico.
Durante la fase di combustione il fluido è trasferito
dal cilindro compressore a quello combustore grazie
ad un opportuno sfasamento tra i due cilindri, i quali
vengono messi in comunicazione mediante un
condotto ed una valvola posta all’uscita del cilindro
compressore.
Durante tale trasferimento, viene iniettato nel
condotto il combustibile, che, date le condizioni di
elevata turbolenza e temperatura, evapora, si
miscela pressoché omogeneamente con l’aria e si
autoaccende, dando luogo a combustione omogenea
nel cilindro combustore.
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012

Dominio di calcolo del motore
HCPC all’apertura della valvola di
trasferimento (codice AVL Fire)
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
È stata condotta una vasta attività di simulazione numerica nella quale sono state
considerate diverse varianti del motore.
Andamento del combustibile iniettato

Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
Il motore HCPC produce emissioni di particolato ordini di grandezza più basse
rispetto a quelle di un Diesel convenzionale
Mappe di temperatura, rapporto di equivalenza e frazione massica di particolato a 10°, 20°,
30° dopo il PMS

Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012
Il motore HCPC per applicazioni pesanti rispetta la normativa EURO 6 senza
bisogno di complicati e costosi sistemi di trattamento dei gas di scarico (Filtro antiparticolato,
SCR), mantenendo un’efficienza paragonabile o superiore al motore
Diesel convenzionale
HCPC Diesel
Rendimento indicato 47.0% 45.9%
HC [g/kWh] 0.06 0.4
CO [g/kWh] 2.0 6.5
Soot [g/kWh] 0.007 0.034
NOx [g/kWh] 0.13 9.6

MOTORE HCPC
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• Rispetto ad una combustione Diesel convenzionale, si ha una grandissima riduzione delle
emissioni di particolato, quasi nullo fino a rapporti d’equivalenza globali dell’ordine di 0,85 e si
ottengono anche un alto rendimento indicato (superiore al 45%) ed un’elevata potenza
specifica.
• Con un moderato livello di EGR anche le emissioni di ossidi d’azoto scendono ai valori delle
migliori combustioni HCCI.
• Il motore HCPC per applicazioni pesanti rispetta i limiti della normativa EURO 6 senza
bisogno di complicati e costosi sistemi di post trattamento dei gas di scarico e mantenendo
un rendimento dello stesso livello o superiore a quello di un motore Diesel convenzionale.
• La combustione avviene gradualmente, così la salita di pressione è lineare senza alti
gradienti, con benefici riguardo alla silenziosità e dolcezza di funzionamento del motore
rispetto ai motori Diesel e HCCI odierni.

Grazie per l’attenzione
Montecatini Terme, 25-26 Maggio 2012