Impiego di ammoniaca liquida con DME come combustibile per

Per utilizzare l’ammoniaca in un motore AS ad iniezione diretta, essa è miscelata con etere dimetile CH3-O-CH3 (DME) che serve per innescare la combustione. DME è necessario per

compensare l’alta resistenza all’autoaccensione dell’ammoniaca, esso è considerato un possibile sostituto del diesel, che comunque mostra anche proprietà simili a quelle dell’ammoniaca; ciò permette che entrambi vengano iniezione nel motore non separatamente. Le proprietà dell’ammoniaca e DME sono comparate in tabella 3.2.

Properties Units Dimethyl Ether (DME) Ammonia

Formula CH3OCH3 NH3

Lower Heating Value [MJ/kg] 28,43 18,8 Flammability Limits, gas in air [Vol.%] 3-18,6 16-25 Autoignition Temperature [°C] 350 651

Storage method Compressed liquid Compressed liquid

Storage Temperature [°C] [°C] 25 25

Storage Pressure [kPa] 500 1030

Octane Rating [RON] 60,6 110

Fuel Density [kg/m3] 668 602,8

Energy Density [MJ/m3] 18991 11333 Latent Heat of vaporization [kJ/kg] 467 1369

Tab. 3.2 – Comparazione tra proprietà principali di DME ed ammoniaca per l’uso nei motori a

combustione interna

Il settaggio originale usato nella sperimentazione di sistemi di iniezione diretta di ammoniaca liquida era simile a quello dell’iniezione diretta del diesel. Una combinazione di ammoniaca e DME era iniettata direttamente nel motore, anticipando leggermente i tempi di iniezione. L’alto anticipo di iniezione permette di mitigare la perdita di calore legata alla vaporizzazione dell’ammoniaca riducendone così gli effetti negativi. Il motore utilizzato nella sperimentazione è un diesel ad iniezione diretta, un monocilindrico Yanmar L70V.

Il motore ha richiesto numerose modifiche al sistema di iniezione. È stato impiegato un iniettore Bosch usato in motori a benzina ad iniezione diretta (GDI), come visibile in Fig. 3.28.

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Fig. 3.28 – Sistema di iniezione originale (sinistra); nuovo sistema di iniezione con iniettore

Bosch in acciaio inossidabile (destra)

L’iniettore GDI ha una capacità di pressione massima di 210 bar, che è un valore significativamente più basso di quello dei moderni sistemi di iniezione del diesel, ma è sufficiente ad atomizzare il combustibile dal momento che sia l’ammoniaca che il DME vaporizzano rapidamente grazie alla loro elevata tensione di vapore.

Il sistema originario di iniezione è stato sostituito da un sistema di controllo elettronico del combustibile per superare i limiti dovuti all’incompatibilità dei materiali e per ottenere una maggiore flessibilità dei tempi di iniezione. Il nuovo sistema consiste in un iniettore elettronico, un common rail, una pompa a stantuffo ad alta pressione e un controllore in tempo reale Compact-Rio.

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Fig. 3.29 – Schema dell’apparato di sperimentazione del motore alimentato ad ammoniaca

liquida

La sperimentazione è stata condotta utilizzando tre differenti miscele, 100% DME, 60% DME-40%NH3 e 40%DME-60%NH3 (in peso). Le pressioni di iniezione si sono mantenute approssimativamente intorno ai 206 bar e sono state misurate sia la combustione che le emissioni al fine di analizzare e comparare le performance di differenti composizioni della miscela.

I risultati dimostrano che le performance del motore peggiorano all’aumentare della percentuale di ammoniaca presente nella miscela.

Il tempo di iniezione per ottenera la massima coppia in uscita necessita di essere anticipato con l’aumento della concentrazione di ammoniaca nella miscela di combustibile, dovuto alla sua alta resistenza all’autoaccensione (Fig. 3.30).

Il giusto range di tempo di iniezione per una miscela composta dal 100% di DME è compreso tra 0-30° CA BTDC, dove l’anticipo esatto dipende dalla velocità del motore e dal carico. Con miscela composta da 80%DME–20%NH3 and 60%DME–40%NH3 il range operazionale del tempo di iniezione è rispettivamente di 5– 35° BTDC and 20–50° BTDC [30].

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Fig. 3.30 – Range dei possibili anticipi di iniezione da impiegare per ottenere le massime

prestazioni del motore, al variare della % di NH3 nella miscela

Inoltre, con l’aumento della concentrazione di ammoniaca la potenza e la velocità del motore mostrano delle limitazioni rispetto all’uso di 100% DME. Con miscela composta da 40%DME–60%NH3 il tempo giusto di iniezione è compreso nell’intervallo tra 90 e 340 BTDC e

il motore mostra le caratteristiche di una combustione omogenea (HCCI) dovuto all’alto anticipo di iniezione [47]. Con alimentazione di 40%DME–60%NH3 risultano maggiori le emissioni di

CO e HC in seguito alle minori temperature di combustione dell’ammoniaca. Le emissioni di particolato con questo tipo di miscela rimangono estremamente basse. L’uso di ammoniaca comporta maggiori emissioni di NOx. Anche le emissioni di ammoniaca allo scarico aumentano

quando la concentrazione di ammoniaca nella miscela di combustibile aumenta dal 40 al 60%. L’andamento delle pressioni all’interno del cilindro e le curve di rilascio del calore per le diverse miscele di combustibile utilizzate sono rappresentate in Fig. 3.31.

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Fig. 3.31 - Andamento della pressione nel cilindro e curva di rilascio calore per i casi oggetto

della sperimentazione.

Gli anticipi di iniezione per l’ottenimento delle curve rappresentate in figura 3.31 sono 10, 20 e 180° CA BTDC per 100%DME, 60%DME–40%NH3 e 40%DME–60%NH3

rispettivamente. Si può osservare dalla figura 3.31 che l’andamento della pressione nel cilindro con miscela di 40%DME–60%NH3 è diversa da quello 100%DME e 60%DME–40%NH3. La

pressione nel cilindro con la miscela di 40%DME–60%NH3 è leggermente più alta durante la

compressione rispetto agli altri casi sebbene la curva di rilascio calore non riveli alcuna combustione fino a dopo il punto morto superiore. Inoltre la miscela con il 60% di NH3 rivela

una pressione più bassa nel cilindro durante il processo di espansione rispetto agli altri due casi. La miscela composta al 100%DME mostra l’andamento della combustione diesel convenzionale con una fase di combustione premiscelata seguita da una fase di combustione tipica del motore ad accensione per compressione. Il ritardo di accensione è di 4° CA (crank angle) per la miscela 100% DME. Per la miscela contenente il 40% di ammoniaca il ritardo di accensione è maggiore (circa 19,5° CA), ciò causa una fase di combustione premiscelata più ampia [47]. Come gia accennato, l’alto anticipo di accensione utilizzato con miscela 40%DME-60%NH3 presenta una

fase di combustione omogenea (per il maggiore tempo a disposizione del combustibile per miscelarsi con l’aria), con minore durata della combustione stessa come accade per la combustione HCCI [48].

Si ritiene che gli elevati anticipi di iniezione in questo caso determinino la completa evaporazione del combustibile durante il processo di aspirazione e compressione. L’aumento

85 della pressione nel cilindro precedente la combustione è attribuita all’aumento della tensione di vapore nel cilindro stesso.

La minore pressione della miscela 40%DME–60%NH3 durante la fase di espansione è il

risultato delle minori temperature di combustione, come è possibile vedere dall’andamento delle temperature dei gas di scarico nella figura 3.32.

Fig. 3.32 – Temperature dei gas di scarico per varie miscele di combustibile

Di seguito è riportata una foto del motore utilizzato per la sperimentazione.

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