I motori ad accensione spontanea si differenziano notevolmente da quelli ad accen-sione comandata oltre per la non presenza di candela (l’accenaccen-sione è appunto sponta-nea) ma anche per la fase del combustibile durante la combustione, che ne determina anche la tipologia di inquinanti prodotti. Il gasolio viene iniettato in fase liquida di-rettamente in camera di combustione, infatti questi motori vengono chiamati anche
6.2. MOTORE AD ACCENSIONE SPONTANEA 65 ad iniezione diretta, e la regolazione avviene proprio modulando la quantità di com-bustibile iniettata modificando così la qualità della miscela e non la quantità come avviene nei motori ad accensione comandata. Il liquido iniettato quindi deve molto velocemente: frantumarsi, evaporare e miscelarsi in maniera opportuna prima della combustione che avviene in particolari condizioni termodinamiche perché appunto è spontanea. Inoltre la gestione di queste fasi è cruciale per la riduzione delle emissioni soprattutto di particolato che caratterizzano i motori diesel a differenza dei benzina.
Questo è stato per tanti anni il limite di questi motori, perchè per polverizzare la mi-scela sarebbero state necessarie pressioni talmente elevate che però ad un certo punto portano a cavitazione le pompe di combustibile. La svolta è stata quella dell’inven-zione del common rail, cioè utilizzando gli iniettori ad alzata elettronica che iniettano combustibile fino a 2000bar.
6.2.1 Descrizione della fase di combustione
Come si evince dal nome, la combustione nei motori diesel è spontanea: ciò con-sente innanzitutto rispetto ai motori benzina di arrivare a rapporti di compressione volumetrici molto più elevati, dell’ordine dei 15-20.
Considerando il grafico dell’andamento della pressione in funzione dell’angolo di
Figura 6.5: Distribuzione della pressione per un motore ad accensione spontanea.
Legenda: Top-Center (TC) = PMS; Bottom-Center (BC) = PMI; Inlet Valve Closing (IVC) = chiusura valvola di aspirazione; Exhaust Valve Opening (EVO) = apertura valvola di scarico; SOI = inizio iniezione; SOC = inizio combustione; EOC = fine combustione.
manovella come riportato in figura 6.5, si osserva che:
1. nella prima fase di compressione si ha esattamente lo stesso andamento visto nei motori ad accensione comandata (figura 6.2 a pagina 59) ossia il ciclo reale e quello trascinato sono coincidenti.
2. C’è un ritardo tra il SOI "Start of Injection" e il SOC "Start of Combustion", ossia dal momento il cui il combustibile viene iniettato in camera e quello in cui si comincia effettivamente ad osservare una differenza tra il ciclo reale e quello trascinato e dunque si può asserire che la combustione è iniziata;
3. Da questo punto in poi c’è un tratto a pendenza quasi verticale: questo è dovuto al fatto che la combustione non parte da un unico punto, perché non c’è una can-dela, ma in zone diverse in cui è avvenuta effettivamente una miscelazione e che
66 CAPITOLO 6. INQUINANTI NEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA raggiunte le condizioni di pressione e temperatura adeguate si accendono contem-poraneamente. Questo tratto nel curva viene chiamato infatti a combustione pre-miscelata.
4. Dopo questa è presente una seconda fase chiamata combustione controllata che è diffusiva, nella quale invece a seguito della combustione spontanea che ha portato un aumento della temperatura, continuando ad iniettare combustibile si procede con la combustione. Viene chiamata combustione controllata perché è effettivamente l’unica fase in cui si può avere un controllo esterno della combu-stione, tramite il controllo dell’iniezione di tipo elettronico, e delle prestazioni del motore ma anche le emissioni stesse.
5. Nella fase finale si ha il completamento della combustione e la fase di espansione che genera lavoro.
Il ritardo tra SOI e SOC è fondamentale nella buona riuscita della combustione, poiché la fase successiva di combustione come detto è praticamente istantanea e avviene a volume costante, cosa che permette di avere un rendimento molto elevato, ma essendo esplosiva sollecita molto il motore. Il ritardo è dovuto ad aspetti di natura:
• Fisica:
– il tempo di break-up ossia il tempo che impiega in getto a frantumarsi, che si divide in:
∗ break-up primario: legato al fatto che il getto arriva nella camera a pressione altissima e subisce una prima frantumazione,
∗ break-up secondario: legato all’interazione delle gocce già formate con il campo di moto turbolento che le frantuma ulteriormente.
– Il tempo che impiegano le gocce per riscaldarsi ed evaporare.
– Il tempo di diffusione e miscelazione dei vapori con l’aria per creare una miscela che può generare la combustione.
• Chimica: tempo caratteristico delle reazioni di ossidazione degli idrocarburi, che passano attraverso la frantumazione delle molecole più lunghe di idrocarburi e in seguito all’ossidazione parziale e completa.
In figura 6.6 è schematizzato il getto di gasolio iniettato in camera di combustione:
quello che si osserva è che ovviamente la concentrazione massima di gasolio la si registra in corrispondenza dell’asse del getto, ma anche che questa non è simmetrica rispetto a questo ma è trascinata dalla direzione del moto turbolento. La formazione dei nuclei di combustione avviene all’esterno del getto stesso dove il combustibile forma una miscela con un rapporto aria/combustibile stechiometrico, e da questi si diffonde nel resto della camera alimentato dall’iniezione continua di combustibile controllata.
Lezione 12. 7-12-2017
6.2.2 Inquinanti prodotti nelle fasi della combustione
Gli inquinanti prodotti da un motore a combustione spontanea sono essenzialmente due:
• NOx , dato che la combustione avviene in condizioni praticamente stechiome-triche e quindi con picchi di temperatura molto elevati che ne favoriscono la produzione;
6.2. MOTORE AD ACCENSIONE SPONTANEA 67
Figura 6.6: Schematizzazione del getto di gasolio uscente dall’iniettore di un motore a combustione spontanea.
• particolato, dovuto al fatto che il combustibile si trova in fase liquida, anche se finemente frantumato. Di conseguenza non tutto riuscirà ad evaporare e conclusa la fase di combustione e iniziata quella di espansione con la discesa del pistone, le gocce di gasolio non evaporate solidificano e formano dunque particolato.
L’introduzione del common rail ha migliorato notevolmente la gestione delle emissioni inquinanti in entrambi i fronti perché ha consentito di controllare la combustione e facilitare notevolmente la frantumazione delle gocce di combustibili. Un metodo per limitare la produzione di NOx è quello di far ricircolare i gas combusti, riducendo la temperatura di combustione dato che agiscono come inerti.
Per quanto riguarda il problema del particolato è evidente che sia necessario l’utilizzo di un filtro per bloccarlo. Il problema diventa a questo punto quello della rigene-razione del filtro, che con il tempo si intaserà di particolato. La strada trovata è quella della rigenerazione assistita con additivi (es. AdBlue) costituiti da catalizzatori organico-metallici che agiscono in questo modo: la parte organica si ossida durante la combustione mentre la parte metallica (Cerio, Ferro) si adsorbono nelle particelle di particolato e favoriscono l’ossidazione aumentando la velocità di reazione. Oltre all’i-gnizione di additivi viene eseguita anche una post-injection durante la fase di espan-sione che ha lo scopo di rianimare la combustione e di conseguenza espellere i fumi ad una temperatura superiore a quella normale: ciò consente insieme agli additivi di attivare il processo di combustione del particolato nel filtro e quindi rigenerarlo. Dato che si tratta di un processo che sottopone il filtro a degli stress termici, viene eseguito non ad ogni ciclo ma dopo 400 − 500km e ad ogni revisione il filtro viene lavato per togliere la cenere rimasta.
Esistono due tipi di filtri:
• filtri del tipo no-blocking metallici, con una struttura complessa che obbliga il flusso a passare attraverso le superfici filtranti ma che consente al fluido di attraversarlo anche nel caso di intasamento, da qui il nome. La struttura la si può vedere in figura 6.7.
• filtri DPNR ceramici, le cui pareti sono porose ed imbevute di catalizzatore e materiale per ridurre gli NOx . Il sistema che utilizza questo filtro prevede, per innalzare la temperatura dei gas di scarico, un’iniezione di gasolio al condotto
68 CAPITOLO 6. INQUINANTI NEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA di scarico, come si vedere nello schema in figura 6.8. Il filtro in questo caso è blocking, dunque nel caso di intasamento può insorgere il blocco del flusso.
Figura 6.7: Filtro metallico "no-blocking".
Figura 6.8: Filtro anti-particolato ceramico DPNR.
Capitolo 7
Dispersione degli inquinanti in atmosfera
Per completare l’analisi delle emissioni inquinanti prodotte dagli impianti per la produzione di energia ed in generale dai sistemi energetici, è bene considerare anche aspetti legati alla situazione ambientale del sito nel quale queste sostanze vengono emesse. Di conseguenza è necessario fare alcune considerazione sull’atmosfera e sulle modalità con le quale gli inquinanti vengono dispersi in essa.
7.1 Stratificazione dell’atmosfera
Le caratteristiche termodinamiche dell’atmosfera non sono omogenee ma variano con la distanza dal suolo. La pressione diminuisce in maniera lineare con l’altezza di circa 0, 1bar ogni 100m, mentre la temperatura varia in modo diverso. In particolare si possono distinguere 4 strati che sono, partendo dal più basso:
• la troposfera, che è spesso una decina di kilometri e costituisce circa l’80%
dell’atmosfera stessa e nella quale, in condizioni normali, la temperatura scende di circa 5 ÷ 7◦Cogni kilometro ed è sede di moti vorticosi;
• la stratosfera, dove la temperatura invece torna a salire con l’altezza perché è presente l’ozono che assorbe la radiazione ultravioletta, ed a causa di ciò è lo strato nel quale si possono accumulare gli inquinanti;
• la mesosfera, nella quale la temperatura torna a scendere;
• la termosfera dove sale di nuovo.