Motore ammoniaca-idrogeno

Come illustrato all’inizio di questo capitolo, già negli anni settanta [49] è stato preso in considerazione l’utilizzo di un motore ad accensione comandata alimentato da ammoniaca con l’aggiunta di idrogeno come promotore della combustione. L’idrogeno veniva ricavato dall’ammoniaca stessa attraverso un dissociatore.

Questo tipo di motore ha il vantaggio di essere alimentato da combustibili carbon-free e quindi di non avere emissioni di inquinanti responsabili dell’effetto serra e dannosi per la salute umana [50].

Il motivo per cui si aggiunge una certa quantità di idrogeno all’ammoniaca è rappresentato dalle loro proprietà opposte [35]; tale miscela rende migliori le caratteristiche della combustione ad ogni regime di funzionamento del motore.

Diversi studi sono stati condotti per ricercare il rapporto ottimale ammoniaca-idrogeno al fine di ottenere prestazioni tali da prospettare concretamente un futuro utilizzo dell’ammoniaca come combustibile principale in motori a combustione interna.

Una sperimentazione su questo tipo di motore è stata fatta presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università della Danimarca [32]. L’idea era di usare ammine metalliche complesse [Mg(NH3)6Cl2]per lo stoccaggio dell’ammoniaca, poi rilasciata grazie al

calore derivante dai gas di scarico del motore. L’ammoniaca veniva poi parzialmente decomposta in idrogeno e azoto per ottenere il rapporto idrogeno / ammoniaca ottimale.

Il motore utilizzato è un SI 600 cm3, con 82.6 mm di alesaggio e 114.3 mm di corsa.

Il motore è stato modificato agendo sul sistema di iniezione e sul collettore di aspirazione, introducendo i distributori di ammoniaca ed idrogeno.

L’ammoniaca rilasciata dalle ammine metalliche entra direttamente nel collettore in fase gassosa [32]; per semplificare il setup dell’impianto i due combustibili vengono entrambi iniettati in fase gassosa (Fig. 3.34).

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Fig. 3.34 - Schema di alimentazione motore ammoniaca-idrogeno

L’obiettivo della sperimentazione è quello di studiare il comportamento del motore per differenti percentuali di idrogeno e ammoniaca, per differenti valori di lambda e per crescenti rapporti di compressione. La sperimentazione è stata condotta aumentando il contenuto di idrogeno nella miscela da 5 al 100% e variando il rapporto di compressione da 6.23 a 14.

Fig. 3.35 -Rendimento indicato e pressione media indicata con rapporto di compressione 7

In figura 3.35 sono riportati gli andamenti del rendimento e della pressione indicata del motore in funzione del rapporto di miscela e della percentuale di idrogeno presente per rapporto di compressione pari a 7.

b) a)

88 Il motore alimentato ad ammoniaca-idrogeno assume un comportamento comune a qualsiasi altro motore ad accensione comandata per quanto riguarda l’andamento del 𝜂_𝑖𝑛𝑑 e la pmi al variare del rapporto di miscela: il rendimento indicato assume valori maggiori quanto maggiore è il rapporto di miscela, mentre la più alta pmi la si ottiene per rapporti di miscela minori di 1 [32].

L’osservazione più interessante è che in generale per percentuali di idrogeno crescenti il rendimento e la pressione indicata diminuiscono; questo probabilmente a causa della minor densità volumetrica dell’idrogeno rispetto all’ammoniaca che va a penalizzare il coefficiente di riempimento del motore.

Successivamente è stato introdotto un pistone opportunamente modificato per poter incrementare il rapporto di compressione fino a 14 (Fig. 3.36).

Fig. 3.36 - Rapporto di miscela – rendimento per diversi valori del rapporto di compressione

(CR)

Con solo il 10% di idrogeno aggiunto alla miscela il rapporto di compressione è di 13.58, valore circa doppio rispetto a quello massimo ottenibile con lo stesso motore alimentato a benzina.

Il motore a benzina, infatti, avrebbe avuto sicuramente problemi di detonazione intorno a questi valori di CR. Aumentando il CR si compensa la maggior diluizione dei gas ammoniaca e idrogeno in fase di aspirazione rispetto alla benzina liquida, ottenendo valori di rendimento e pressione indicata anche superiori al benzina (Fig. 3.37).

Riguardo all’analisi delle emissioni, nel caso specifico, si analizzano i quantitativi di NOx

allo scarico al variare del rapporto di miscela e della percentuale idrogeno-ammoniaca per rapporto di compressione pari a 10, ad un regime di rotazione di 1200 rpm.

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Fig. 3.37 - Rapporto di miscela-pmi per diversi valori del rapporto di compressione (CR)

I valori più elevati di NOx si hanno per alte percentuali di idrogeno, a causa dell’inevitabile

aumento delle temperature che questa configurazione comporta, in un intervallo tra 1.1 e 1.4 del rapporto di miscela. Abbiamo formazione di NOx per due cause principali: aumento di

temperatura (Thermal NOx) e concentrazione di combustibile (fuel NOx). A differenza del

motore omologo funzionante a benzina si nota che, in questo caso, sono preponderanti i Thermal NOx ma che, malgrado questa differenza, il livello globale di NOx prodotto con la miscela

ammoniaca-idrogeno si mantiene sugli stessi livelli del motore benzina.

90 Anche l’Hydrogen Engine Center ha sviluppato una serie di motori che sfruttano l’alimentazione bi-fuel ammoniaca-idrogeno [51]. Essi, analogamente al motore oggetto della sperimentazione trattata in questa tesi, sono motori SI nati per essere alimentati a benzina e successivamente modificati nel sistema di alimentazione e nell’elettronica.

Sono state fatte sperimentazioni su un 1625 cm3 bicilindrico e un 6 cilindri 4900 cm3, quest’ultimo già stato messo in opera come motore che alimenta una pompa di un impianto di irrigazione a Visalia, California.

L’unità in questione ha come velocità di regime 2000 giri/min ed è in grado di sviluppare la portata di 2000 galloni/min.

Il sistema è simile al sistema trattato in questa tesi anche nelle strategie di funzionamento: è in grado di funzionare sia a benzina che ad ammoniaca e idrogeno. Il funzionamento a benzina è utile principalmente all’avviamento, poi il sistema di controllo fa passare il motore al funzionamento a idrogeno e ammoniaca e, a regime, il motore funziona con percentuali energetiche di idrogeno anche inferiori al 5%.

Nella presentazione di questo progetto si pone l’attenzione soprattutto alla difficoltà riscontrata durante l’elaborazione del sistema di controllo elettronico del motore, che deve essere in grado di gestire il suo funzionamento tutti e tre i combustibili.

È importante, infatti, poter sempre gestire separatamente le quantità dei combustibili iniettati nel cilindro controllando i tempi di apertura degli iniettori e le pressioni dei gas nei rispettivi circuiti di alimentazione.

91 Inoltre il controllo deve essere fatto in base al regime di rotazione e di carico del motore ma anche in base alle temperature del motore e dell’aria in aspirazione e del segnale della sonda lambda.

Questo tipo di soluzione risulta una soluzione percorribile in futuro essendo le prestazioni di poco inferiori a quelle dei motori termici simili a benzina o diesel, e soprattutto ricordando che le emissioni, rispetto ai suddetti motori, hanno il vantaggio di essere libere dai gas serra.

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