Esperimenti condotti nella metà degli anni 60’

Studi logistici delle operazioni dell’esercito americano durante la seconda guerra mondiale e la guerra di Corea hanno stabilito che circa il 65% (in peso) del quantitativo totale di materiale richiesto per le operazioni di combattimento consisteva in carburante e lubrificanti [38].

Questo ha portato l’esercito americano a esplorare carburanti alternativi e ad avviare un progetto in cui l’ammoniaca veniva esaminata come possibile combustibile per motori a combustione interna. Vari gruppi di ricerca sono stati finanziati da questo progetto, ed hanno fornito documenti tecnici sull’argomento. Starkman et al. nel 1966 [39] ne hanno studiato l’applicazione in motori ad accensione comandata, Gray et al. nello stesso anno [40] ne hanno studiato l’applicazione esclusivamente nei motori ad accensione spontanea, mentre Pearsall and Garabedian nel 1967 [38,41] ne hanno studiato l’applicazione in entrambi i tipi di motore.

Ammoniaca come combustibile per motori ad accensione comandata

Prove su motori ad accensione comandata sono state effettuate da Starkman et al. [39] su un motore monocilindrico di ricerca CFR1. I rapporti di compressione sono stati variati da 6:1 a 10:1. L’ammoniaca era prelevata da un contenitore ad alta pressione immerso in un bagno di

1 _{Il motore CFR (Cooperative Fuel Research), di caratteristiche standardizzate, è utilizzato in tutto il mondo per la} sperimentazione e la ricerca delle prestazioni di combustibili e lubrificanti impiegati in motori combustione intena.

54 acqua calda. La portata di ammoniaca è stata misurata e calibrata con un misuratore volumetrico attaccato alla bottiglia. Misure di portata continua sono state invece effettuate con un misuratore di flusso a turbina e un contatore automatico. Regolatori idonei e valvole a spillo sono state installate per ridurre le pressioni di linea e il flusso di ammoniaca. Per l’aspirazione si utilizzava un semplice tubo di livello. Starkman et al. hanno dimostrato che per bruciare ammoniaca anidra come combustibile in un motore ad accensione comandata, l’ammoniaca deve essere introdotta sottoforma di vapore e deve essere parzialmente decomposta in idrogeno e azoto, con una percentuale di decomposizione che varia dal 4 al 5% in peso dell’ammoniaca stessa. La decomposizione dell’ammoniaca è stata realizzata facendo passare il flusso di ammoniaca attraverso la camera di un catalizzatore in acciaio inox riscaldato elettricamente, la cui superficie è stata ricoperta con granuli di ferro attivo. Il momento di innesco è stato anticipato per operare con l’ammoniaca. L’aumento della temperatura delle pareti del cilindro ha aiutato la stabilità della combustione.

Starkman et al. [39] hanno calcolato che il massimo rendimento indicato teoricamente ottenibile con l’uso di ammoniaca sarebbe potuto arrivare intorno al 77% rispetto a quello ottenuto utilizzando idrocarburi. Tuttavia, solo il 71% si è ottenuto sperimentalmente con un rapporto di compressione (CR) di 10:1, e ancora meno (circa il 62%) con CR uguale a 6:1. Il BSFC2 con l’uso di ammoniaca aumentava di due volte se si operava a potenza massima, e di 2,5 volte se si operava in condizioni di minimo consumo. Gli autori ritenevano che quasi certamente la decomposizione dell’ammoniaca avveniva durante la compressione. Cosi come il rapporto di compressione e la temperatura di combustione aumentano, anche la concentrazione di idrogeno in formazione tende a crescere. La cinetica di ossidazione dell’ammoniaca comporta dei passaggi che producono quantità non equilibrate di NOx. La massima concentrazione di NO osservata era

circa di 4800 ppm usando ammoniaca rispetto a 3400 ppm utilizzando iso-ottano (i-C8H18).

Lavorando a potenza massima si producevano 3000 ppm di NO usando ammoniaca e 500 ppm di NO usando iso-ottano. Le misurazioni di NO sono state effettuate utilizzando la spettroscopia ultravioletta.

Gli autori ritenevano che le prestazioni del motore iniettando direttamente ammoniaca liquida nei cilindri avrebbero potuto superare quelle dei combustibili fossili, ma l’alto tasso di evaporazione dell’ammoniaca sarebbe stato un difficile ostacolo alla fattibilità del progetto.

E’ importante sottolineare che solo gli studi di Starkman et al. [39] hanno riguardato anche l’analisi delle emissioni derivate da combustione di ammoniaca, ciò è da comprendere perché tali

2 _{Il Brake Specific Fuel Consumption è il tasso di consumo di carburante diviso la potenza prodotta. Il BSFC} permette di confrontare direttamente l’efficienza dei carburanti di diversi motori.

55 studi (condotti nella metà anni 60’) sono stati effettuati prima che l’analisi dei gas di scarico diventasse una delle principali preoccupazioni. Tuttavia fu osservato che la combustione di ammoniaca forniva emissioni di NOx inferiori ad alcuni idrocarburi.

Ammoniaca come combustibile per motori ad accensione per compressione

Prima di eseguire sperimentazioni sul motore principale, Gray et al. nel 1966 [40] hanno condotto prove su dei materiali campione per testare la loro compatibilità con l’ammoniaca. In questi test, sui campioni di ghisa è stato registrato un lieve aumento di peso e scolorimento.

Questo si credeva essere l’effetto della corrosione e sembrava aumentare con l’eccesso di esposizione a NO2 e acqua. Ciò risultò preoccupante per gli autori in prospettiva di una futura

progettazione, dal momento che la formazione di queste sostanze chimiche aumenta nei gas di scarico man mano che ci si allontana dallo stechiometrico. La sperimentazione su campioni di alluminio sembrava portare anche a lievi aumenti di peso, ma stavolta non si notava scolorimento del materiale. Quando sono stati condotti esperimenti durante il funzionamento del motore, basati sull’introduzione di NO2 insieme all’ammoniaca liquida introdotta direttamente

nel cilindro, è stata osservata una corrosione evidente del collettore di aspirazione e della camera di combustione. Questo si credeva essere causato dagli acidi formati dalla combinazione dell’umidità dell’aria con l’azoto. Le fasce elastiche in ghisa sembravano non subire alcun deterioramento dopo il funzionamento del motore, i cuscinetti invece sembravano subire il più grande cambiamento di peso. I cuscinetti in rame subivano il più grande cambiamento visivo. La superficie di rame sinterizzato sembrava avere un evidente annerimento dovuto all’ossidazione, e sulla parte del cuscinetto in rame pressofuso la superficie era visibilmente butterata. Sono state osservate anche perdite di peso dei cuscinetti, ma sembravano essere della stessa entità, a volte anche minore, rispetto a quelle riscontrate con l’uso di combustibili convenzionali. La perdita di peso era interessante: nel caso di idrocarburi la perdita di peso sembrava essere una funzione esponenziale del tempo, che aumentava molto rapidamente una volta che si era verificata una sostanziale corrosione, mentre, durante l’utilizzo di ammoniaca, la maggior parte della perdita di peso si manifesta nelle prime 40 ore di funzionamento. Ciò era dovuto al fatto che il pesante appannamento forniva una sorta di rivestimento protettivo per il cuscinetto. Il peggiore effetto l’ammoniaca ce l’aveva su neoprene e gomma: comportava cambiamento di peso, gonfiore, perdita di forma ed anche disintegrazione. In conclusione si era osservato che tutti i materiali, tranne neoprene, gomma e rame potevano essere adatti ad essere utilizzati in motori alimentati ad ammoniaca.

56 Inoltre sono stati prelevati campioni di olio ad intervalli di 40 ore e sono stati notati cambiamenti nella composizione e nelle proprietà dell’olio utilizzato (REO-145). Dopo 120 ore di funzionamento il livello di degrado dell’olio era inferiore a quello di un motore a benzina.

Come per gli studi condotti da Starkman et al. [39], anche Gray et al. [40] hanno utilizzato un motore CFR monocilindrico che quindi, è stato utilizzato in entrambe le modalità: accensione comandata e accensione spontanea. Gray et al. [40] hanno iniziato gli studi usando dapprima uno schema di motore ad accensione per compressione iniettando direttamente nel cilindro ammoniaca liquida. Per raggiungere prima le condizioni di pressione, temperatura e tempo necessarie per innescare l’accensione dell’ammoniaca, è stato necessario portare il rapporto di compressione al valore di 35:1, e la temperatura dell’aria aspirata è stata aumentata fino a 150°C. E’ stato dimostrato poi che le stesse prestazioni del motore si potevano ottenere abbassando il rapporto di compressione a 30:1. Il funzionamento del motore era verificato ad una velocità di 900 rpm. Gli anticipi di iniezione sono stati mantenuti sempre in un range tra 90÷70° prima del punto morto superiore (BTDC) e le portate di ammoniaca tra 0.91÷2.27 kg/h.

L’ammoniaca non sembrava mantenere uno schema di combustione eterogeneo come avviene nei classici motori diesel. Per ridurre al minimo la necessità di utilizzare elevati rapporto di compressione (necessari per la combustione della sola ammoniaca), sono state sperimentate tecniche diverse, tra le quali: iniezione pilota, vari combustibili utilizzati come additivi e l’uso di candelette. Sono stati condotti esperimenti effettuando una prima iniezione pilota di combustibile diesel con numero di cetano pari a 53 (un più alto numero di cetano indica una più alta tendenza del combustibile all’autoaccensione). Il rapporto di compressione è stato abbassato a 30:1 e la temperatura dell’aria aspirata dal motore è stata portata a 65°C. Per una migliore combustione è stato dimostrato che l’ammoniaca doveva essere iniettata entro e non oltre 40 gradi prima della fine dell’iniezione del diesel, infatti non è stata osservata combustione di ammoniaca se la sua iniezione avveniva dopo o anche poco prima della fine dell’iniezione diesel. Il massimo valore della pressione media indicata (IMEP) si è verificato quando la fine dell’iniezione di ammoniaca e diesel coincidevano, ed è rimasta sostanzialmente costante anche quando si anticipava l’iniezione di ammoniaca prima del punto morto superiore. Rispetto agli idrocarburi, per l’ammoniaca è più importante il tempo di iniezione rispetto alla temperatura.

Quando si iniettava ammoniaca liquida direttamente nel condotto di aspirazione si osservavano diminuzioni della temperatura locale dell’aria nel collettore, anche fino a –30°C, ciò dovuto alla vaporizzazione dell’ammoniaca che sottraeva calore all’aria circostante.

Gray et al. [40] hanno sperimentato l’iniezione di ammoniaca gassosa nel collettore di aspirazione. Un inconveniente dell’ammoniaca gassosa, invece, è che il gas occupando una

57 porzione di spazio destinata all’aria, fa in modo che l’efficienza volumetrica effettiva del motore diminuisca. Con l’introduzione di quantità di ammoniaca gassosa nelle stesse condizioni dell’iniezione di ammoniaca direttamente nel cilindro, è stato riscontrato un aumento della pressione fino a 1,72 bar per grado di angolo di manovella (bar/deg), un ritardo di accensione tra 1 e 3° e una più marcata rugosità del motore. Grey et al. [40] poi hanno sperimentato l’uso di ammoniaca gassosa usata in combinazione con altri combustibili pilota iniettati direttamente all’aspirazione, secondo lo schema di funzionamento del motore ad accensione per compressione. Oltre al gasolio, sono stati impiegati come combustibili pilota il nitrato di amile (100+CN) e la dimetil-idrazina (67 CN). Quast’ultima è stata scelta poiché l’idrazina (o idruro di azoto la cui formula bruta è N2H4) è molto simile all’ammoniaca, e la dimetil-idrazina è un

sostituto di laboratorio più sicuro dell’idrazina ma ne mantiene le stessa caratteristiche di combustione. In entrambi i casi la combustione veniva raggiunta prontamente con minimi rapporti di compressione di 12:1 per il nitrato di amile e di 13.7:1 per la dimetil-idrazina. Questi risultati indicano che qualsiasi combustibile con un numero di cetano soddisfacente può essere impiegato con successo come combustibile pilota per l’ammoniaca. Infine Gray et al. [40] hanno anche sperimentato brevemente l’uso di una candela ad incandescenza appositamente progettata per un unico schema di combustione dell’ammoniaca. Hanno osservato che la combustione era molto sensibile alla posizione della candela ed alla portata di ammoniaca.

La combustione poteva essere mantenuta anche con rapporti di compressione di 23:1 e temperatura dell’aria in aspirazione di 65°C.

L’esperienza di Pearsall and Garabedian nel 1967

Due diversi approcci sono stati utilizzati nello studio di Pearsall and Garabedian nel 1967 [38] per dimostrare la possibilità di utilizzare ammoniaca anidra come combustibile.

Il primo è stato dimostrato fornendo ammoniaca al sistema di aspirazione e causando l’autoaccensione della stessa con l’ausilio di una piccola quantità di iniezione pilota di gasolio. Il secondo approccio ha riguardato la conversione del motore ad accensione per compressione in un motore ad accensione comandata, senza l’utilizzo di alcuna iniezione pilota. Il motore usato per la sperimentazione era un motore bicilindrico Continental AVDS-1790. L’iniezione diretta di ammoniaca liquida è stata tentata ma non ha avuto successo in questo studio, anche con l’aumento del rapporto di compressione fino a 30:1. Gli autori ritenevano che l’evaporazione dell’ammoniaca raffreddasse il cilindro in modo tale da non consentire l’accensione della miscela. Ciò è stato confermato dall’osservazione che i picchi di pressione nel cilindro

58 scendevano fino a 17.2 bar. Quando il motore lavorava in condizioni di accensione spontanea con iniezione pilota, Pearsall and Garabedian [38] hanno osservato che l’ammoniaca lavorava meglio con rapporto di miscela più vicino allo stechiometrico (contrariamente a quanto normalmente avviene nei normali motori diesel, che lavorano in presenza di eccesso d’aria). Grazie ad un migliore utilizzo dell’aria hanno raggiunto livelli di potenza in uscita nettamente superiori ai diesel di allora.

E’ stato osservato durante le prove che la temperatura della testa del cilindro aveva un effetto drastico sul consumo di combustibile e sul rendimento. Come aumentava la temperatura della testata così aumentava il rendimento, mentre il brake specific fuel consumption (BSFC) variava in modo opposto. Gli autori in questo studio hanno cercato di minimizzare per quanto possibile la quantita di diesel impiegato come combustibile pilota. Il flusso di diesel ha ridotto drasticamente il problema che derivava dal raffreddamento delle punte degli iniettori, che provocava intasamento e laccatura. E’ stata realizzata una pulizia giornaliera per ridurre questo effetto. Per ogni giro, i tempi di iniezione e il rapporto di compressione sono stati mantenuti costanti. E’ stato dimostrato che il flusso di ammoniaca ottimale era una funzione lineare della pressione nel collettore. Tuttavia, l’inizio di accensione diviene più ritardato quanto più la pressione nel collettore decresce. Sotto 0.51 bar di pressione nel collettore, il motore non era autosufficiente a causa del ritardo di accensione. L’aumento del ritardo di accensione era dovuto dalla diminuzione della densità della carica e alla maggiore difficoltà per il gasolio di reagire con l’aria. Un lieve moto di swirl sembrava avere poco effetto sulle caratteristiche della combustione. I problemi erano il ritardo di accensione, la perdita di potenza, e l’incapacità di bruciare la quantità di ammoniaca iniettata. Con combustibili di qualità di accensione minore, il motore richiedeva un rapporto aria/combustibile più snello. Esperimenti per determinare la qualità del combustibile pilota hanno dimostrato che l’aumento del rendimento e la riduzione del consumo di combustibile erano direttamente proporzionali al contenuto di calore del combustibile diesel addizionale. L’aumento di potenza in uscita doveva essere tanto alto quanto tre volte il contenuto di calore del gasolio iniettato. In generale, il più basso consumo specifico (BSFC) di ammoniaca e del combustibile pilota si è verificato in un intervallo del rapporto di equivalenza compreso tra 0.7÷0.75, mentre il massimo rendimento sembrava aversi per valori prossimi a 0,9. Pearsall and Garabedian [38,41] hanno poi convertito il motore ad accensione per compressione in un motore ad accensione comandata rimuovendo la pompa di iniezione ed installando un magnete. L’iniettore diesel è stato rimosso ed è stato sostituito con una candela da 12 mm. Tre rapporti di compressione sono stati utilizzati nello studio, 18.6:1, 16:1, e 12:1. Sono state installate condele con la portata più lunga in modo da ottimizzare la posizione centrale della fiamma. E’ stato

59 dimostrato che ridurre il rapporto di compressione aveva poco effetto sulla riduzione dei consumi. La pressione di picco diminuiva leggermente (di circa 6.9 bar) per ogni step di rapporto di compressione. Il BSFC si riduceva del 6% lavorando con CR di 12:1. Un confronto diretto delle prestazioni ottenute utilizzando lo stesso motore con iniezione pilota e con scintilla è difficile a causa delle diverse modalità di prova. Con l’accensione per scintilla l’inizio di accensione si osservava circa 10 gradi prima. La pressione di picco nel cilindro è stata osservata essere di circa 34.5 bar maggiore ed avvenire con un anticipo di circa 7° rispetto all’altra configurazione. Il rendimento era maggiore della configurazione ad iniezione pilota. Né una configurazione né l’altra sembravano avere un effetto sull’ottimo rapporto di miscela per ottenere migliore rendimento o consumo specifico. Gli autori credevano che il motore ad accensione comandata avesse un vantaggio rispetto a quello ad accensione per compressione, in quanto esso poteva lavorare a carico parziale (per la presenza della farfalla) e non necessitava di alcun combustibile secondario.

Confrontando complessivamente gli esperimenti condotti alla fine degli anni 60’, Gray et al. [40] come anche Pearsall ritenevano che un fattore fondamentale per un corretto funzionamento del motore ad accensione comandata fosse la posizione della candela (origine della scintilla) [42,43], ritenendo invece inutile la dissociazione dell’ammoniaca prima della combustione.

Proprio a conferma di quanto detto, nel 1969, Thomas J. Pearsal depositò un brevetto [43] nel quale presentava la struttura di una camera di combustione adatta per l’utilizzo di ammoniaca anidra come unico combustibile in un motore ad accensione comandata (senza l'uso di combustibili supplementari). La camera di combustione da lui ideata aveva una forma tale che la posizione della fessura formata dagli elettrodi estesi della candela ricadesse sostanzialmente nel centro di massa della camera quando il pistone si trovava al punto morto superiore.

L’invenzione prevedeva che il motore avesse un rapporto di compressione relativamente elevato: compreso tra 12:1 e 16:1.

I tre disegni delle diverse tipologie di camera di combustione riportati nel brevetto sono esposti nelle figure seguenti.

Il primo in Fig. 3.3 è una vista in sezione di un cilindro di un motore, ed illustra varie caratteristiche della presente invenzione.

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Fig. 3.3 – Vista in sezione di un cilindro di un motore con camera di combustione a forma

sferica

Quando il pistone 18 viene sollevato fino alla posizione superiore estrema le due cavità, 26 e 30, formano una camera di combustione 28 che è sostanzialmente di forma sferica. Una candela, parzialmente indicata col numero 32, è fissata alla testa 16 in modo tale che lo spinterometro 34, formato da due lunghi elettrodi 36, è posizionato sostanzialmente nel centro di massa della camera di combustione 28. La candela presenta elettrodi di lunga portata per consentire allo spinterometro di essere situato nel centro di massa senza interferire con la forma sostanzialmente sferica della camera.

Così, la struttura più compatta della camera di combustione sferica, insieme con la posizione dello spinterometro nel centro di massa, hanno permesso di ottenere prestazioni soddisfacenti dal motore utilizzando solo ammoniaca pura come combustibile. Il rendimento equivale o supera le prestazioni di una camera di combustione convenzionale di un motore alimentato ad ammoniaca combinata con un agente di propagazione della fiamma come l’idrogeno.

Un ulteriore schema di camera di combustione presentato da Thomas J. Pearsal nel suo brevetto è quello rappresentato in Fig. 3.4.

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Fig. 3.4 - Vista in sezione di un cilindro di un motore con struttura modificata rispetto alla Fig.

3.3

La struttura è leggermente modificata rispetto al caso presentato in Fig. 3.3: qui le valvole sono situate su ciascun lato della camera di combustione 46. La nuova struttura realizzativa a forma emisferica, non permette però alle porzioni di superficie orizzontali di 48 e 50 (della camera di combustione 46) di coincidere quando il pistone si trova al punto morto superiore, a causa della distanza necessaria per il funzionamento delle valvole. Ciò vuol dire che in questo caso lo spinterometro non si trova esattamente nel centro di massa della camera di combustione. Tuttavia, questo fatto è bilanciato dalla riduzione di volume della camera 46, che comporta un aumento del rapporto di compressione del motore. Avere un rapporto di compressione più elevato produce un grande miglioramento nelle prestazioni, soprattutto alle alte velocità.

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Fig. 3.5 - Vista in sezione di un cilindro motore con struttura della camera di combustione

sferica atta a bruciare ammoniaca anidra

Anche in questo caso la camera ha forma compatta ed è fatta in modo tale che il gap 72 tra gli elettrodi 68 sia posizionato sostanzialmente nel centro di massa della cavità 60. La modifica illustrata in questa ultima figura è un ulteriore compromesso tra una camera sferica ideale (più vicina alla struttura della Fig.3.3 ) e la costruzione di un motore più pratico, in cui è ottenibile un rapporto di compressione più elevato (più vicino alla Fig. 3.4).

Un'altra caratteristica importante del sistema di combustione è la distanza tra gli elettrodi. Si è constatato che per ottenere la massima potenza il gap doveva essere compreso nell'intervallo