Motori a Gas Naturale

Figura 1.21: Influenza reciproca dei fattori sul comportamento di un motorea a combustione interna[27].

Il motore a Gas Naturale si sviluppa sul- la base dei tradizionali motori ad accen- sione comandata o per compressione, sia dal punto di vista architettonico che di funzionamento.

Tuttavia, sono state necessarie diverse mo- difiche per accogliere il nuovo combustibile e fare in modo che le sue caratteristiche fosse- ro sfruttate al meglio cercando al contempo di ridurre gli effetti sfavorevoli indotti dal suo stato gassoso.

Le prestazioni del motore sono fortemen- te dipendenti dal processo di combustione inteso come insieme degli effetti dell’inizio dell’accensione, sviluppo della fiamma, velo- cità di propagazione, auto-accensione della miscela etc. Il processo di combustione è a sua volta strettamente legato alle proprietà del combustibile.

Per i motori ad accensione comandata (SI) le soluzioni principalmente adottate sono state, la conversione dei motori tradizionali a motori bi-fuel o la costruzione di motori dedicati. Per i motori ad accensione per compressione (CI), invece, le strade percorse sono state il Dual-Fuel, la sostituzione in percentuale di combustibile con gas naturale e l’introduzione di un sistema di accensione ausiliario.

1.5.1 Motori ad accensione comandata

I motori bi-fuel sono dei motori benzina in cui è stato aggiunto un secondo sistema di alimentazione che riguarda il gas naturale ed un sistema di controllo capace di cambiare il tipo carburante a seconda delle necessità. L’architettura del motore rimane in questo modo sostanzialmente invariata, ma vengono abbattuti i costi legati al combustibile ed emissioni per buona parte del suo funzionamento. Nonostante gli indubbi vantaggi dell’alimentazione a metano, rispetto al benzina, in relazione alle emissioni, dal punto di vista delle prestazioni si registrano dei forti peggioramenti dovuti alla non ottimizzazione del motore in funzione del GN. Coppia e potenza, infatti risultano fino al 15% in meno rispetto al benzina[29]. Ciò avviene principalmente a causa della sua natura gassosa in condizioni ambiente, che ne riduce l’efficienza volumetrica del motore.

Il gap di performance con il motore benzina aspirato, tuttavia, può essere parzialmente compensato utilizzando un più alto rapporto di compressione (CR) e mediante la sovra- limentazione. Queste soluzioni si applicano però solo ad un motore dedicato e non ad una soluzione di conversione poichè le modifiche interessano anche tutta l’architettura del motore e non solo il sistema di alimentazione. Allo stesso tempo un bi-fuel non può accogliere queste modifiche a causa del fatto che nel funzionamento sono previste fasi di alimentazione a sola benzina.

dedicati, contrariamente ai motori a benzina a causa della loro forte tendenza a detonare. Il fenomeno della detonazione si verifica molto spesso nei motori a benzina che operano con miscele molto reattive e che si incendiano spontaneamente quando vengono a contatto con zone calde del cilindro, incoraggiate dalle elevate temperature e pressioni che si verificano nel cilindro sovralimentato. Il fenomeno della detonazione causa perdite di potenza, mag- giori emissioni allo scarico e, se protratto a lungo, seri problemi meccanici. E’ un fenomeno totalmente dannoso, da evitare e nei motori a benzina si interviene mantenendo non troppo elevando il rapporto di compressione oltre che gestendo opportunamente i parametri di combustione.

La miscela aria-gas naturale, come già precedentemente detto, consente di operare con mo- tori a più elevato rapporto di compressione e di conseguenza con efficienze globali maggiori poichè possiede un numero d’ottano più elevato che produce un miglior comportamento nei confronti della detonazione.

Inoltre, come altra soluzione per ridurre la distanza tra le prestazioni è quella di uti- lizzare un sistema di iniezione diretta che consente di limitare le perdite in termini di efficienza volumetrica.

Combustione Magra

La tecnologia della combustione magra ha da sempre avuto un ruolo dominante nell’industria dei motori a gas in quanto consente di ottenere alte efficienze e contemporaneamente basse emissioni di NOx.

Tuttavia per far fronte alle sempre più stringenti norme antinquinamento è stato necessario nel corso del tempo operare con regimi di magrezza della miscela sempre più esasperati e con tempistiche di innesco ritardate. Queste scelte obbligate producono però effetti non positivi. Miscele estremamente magre danno origine a fenomeni concatenati che inducono il motore a lavorare con cicli irregolari di combustione. È noto infatti che, in queste condizioni, aumenta il tempo richiesto per lo sviluppo della fiamma e per la propagazione della combustione. Di conseguenza si rallenta il tasso di rilascio di calore. Questi fenomeni possono indurre in situazioni di non completa combustione mentre un leggero errore nel rapporto A/F può indurre il motore a cicli di mancata accensione che causa forti aumenti di emissioni allo scarico. Le variazioni cicliche della combustione sono molto gravi poichè si ripercuotono su tutto il funzionamento del motore[25].

Due parametri importanti che monitorano le variazioni cicliche sono il coefficiente di variazione (COV) calcolato in relazione alla pressione media effettiva indicata (IMEP) e al picco massimo di pressione nel cilindro. Quando il COV del IMEP supera il 10% le variazioni cicliche cominciano a produrre problemi sensibili di guidabilità del veicolo. Rispetto a questa problematica i motori ad iniezione indiretta risultano più stabili perchè risulta più agevole il controllo dell’iniezione e quindi si riducono le imprecisioni sulla composizine della miscela.

La turbolenza è un parametro che influenza moltissimo l’andamento della combustione, potendo in parte limare le variazioni cicliche legate al processo non regolare di combustione. Tuttavia il suo effetto non è però positivo in termini generali. Infatti se adeguati livelli di turbolenza localizzati lontano dalla scintilla possono migliorare la propagazione della combustione, gli stessi livelli possono estinguere completamente la fiamma se vengono a contatto con essa quando non è ancora sufficientemente energizzata. È quindi importante controllare la velocità locale del fluido nel cilindro e di conseguenza il livello di turbolenza del motore per migliorare i suoi effetti positivi e minimizzare quelli negativi. Risulta

neccessario pertanto uno studio sulla geometria dei componenti volto all’ottimizzazione dei flussi nel cilindro.

Per tenere conto degli andamenti più lenti del processo di combustione occorre variare anche il timing di accensione della miscela. Se l’anticipo è troppo piccolo la temperatura della miscela nelle zone periferiche potrebbe scendere troppo provocando lo spegnimento della fiamma e tutte le conseguenze ad esso legate. L’anticipo di accensione per la produzione della massima coppia viene aumentato dai 2° ai 10° rispetto ad un analogo motore a benzina..

Combustione Stechiometrica

Con l’avvento della legislazione EURO 6, il motore a gas naturale deve necessariamente essere equipaggiato da dispositivi aggiuntivi per la riduzione delle emissioni di NOx in

modo da adeguarsi agli standard elevati della normativa. Ciò ha provocato di conseguenza l’innalzamento del costo dell’intero impianto e della complessità del controllo del funziona- mento del motore.

Sulla base di questi fattori, si è inserita come soluzione alternativa, la combustione ste- chiometrica abbinata ad un catalizzatore a tre vie (TWC). In questo modo si consente al motore di operare in condizioni di combustione più stabile (anche se con rendimenti minori), mantenendo basse le emissioni. Il catalizzatore è una struttura monolitica o a nido d’ape, formato da materiale ceramico sulla cui superficie sono depositati il platino, il palladio e il rodio. Questi sono elementi che facilitano le reazioni di conversione, in particolare: il rodio favorisce la reazione di riduzione, strappando gli atomi di ossigeno dagli ossidi di azoto, che in questo modo diventano semplice azoto; l’ossigeno, in forma ionica, partecipa alla reazione di ossidazione innescata dal platino e palladio, e si trasforma il CO e gli HC rispettivamente in CO2e acqua.

Questo strumento permette di abbattere le emissioni di NOx, HC e CO allo scarico con

percentuali molto elevate di conversione (superiori al 90%). Tuttavia il campo operativo che consente elevate efficienze è piuttosto ristretto. Per il mantenimento delle condizioni di alimentazioni il più possibile prossime allo stechiometrico, viene fatto uso di una sonda che misura la concentrazione di ossigeno presente nei gas combusti (sonda lamba).

Il regolatore analizza i dati forniti dalla sonda e regola l’iniezione in modo da fornire il giusto quantitativo di combustibile ed aria per il corretto funzionamento del catalizzatore. Per effetto della regolazione in retroazione però il motore non lavora in condizioni stabili di alimentazione, ma i quantitativi di ossigeno oscillano in maniera lieve attorno al valore

⁄= 1.

In condizione di combustione stechiometrica si registrano temperature più elevate in camera di combustione e pertanto maggiori perdite di calore, stress termici più elevati e maggiore tendenza alla detonazione. Per far fronte a queste controindicazioni viene eseguita anche la diluizione della miscela nel cilindro mediante il ricircolo dei gas di scarico (EGR). Inoltre, l’uso dell’EGR potrebbe condurre alla riduzione ulteriore dell’emissione di NOx, già nel

cilindro dove viene maggiormente favorita rispetto alla combustione magra in relazione alle più alte temperature.

Come aspetti negativi, quando viene utilizzata una percentuale di ricircolo dei gas in un motore a gas naturale, si riduce la velocità laminare della fiamma a causa della minore concentrazione di ossigeno nella miscela. Maggiore è la percentuale di EGR utilizzata, maggiore sarà la necessità di operare con elevati livelli di turbolenza indotta in modo da sopperire alla riduzione della velocità di combustione e l’abbassamento dell’efficienza

termica. Va pertanto associata anche un’ottimizzazione della geometria della camera di combustione, per ottenere un’organizzazione ragionevole dei flussi nel cilindro[26].

Gas Naturale e Idrogeno

Come precedentemente detto il funzionamento dei motori che operano con regimi di com- bustione molto magri vanno incontro a tutta una serie di problemi essenzialmente legati alla bassa reattività della miscela durate la fase di combustione. Per elevare il carattere infiammabile delle miscele contenenti metano, ed ottenere miglioramenti dal punto di vista della combustione, sono state studiate diverse combinazioni con frazioni di combustibili ad alta infiammabilità.

L’arricchimento della miscela con un combustibile che brucia velocemente, come l’idrogeno che ha una velocità di combustione laminare sette volte superiore a quella del metano, è stato dimostrato essere un metodo efficace per estendere il limite di funzionamento magro dei motori NG. L’idrogeno, caratterizzato da un’alta velocità di fiamma e bassi limiti di infiammabilità, è un additivo per combustibile ideale. Inoltre, l’idrogeno è un vettore di energia pulita e rinnovabile e, a differenza dei combustibili idrocarburici, du- rante la combustione produce come unico elemento inquinante NOx. L’arricchimento di

idrogeno produce un positivo effetto sulla cinetica della reazione di combustione che in- duce minori ritardi di accensione e una maggiore velocità di fiamma laminare della miscela. La temperatura della fiamma della miscela di CH4e H2tende ad aumentare con l’aumento

della frazione di H2. In generale l’alta temperatura nel cilindro è vantaggiosa per avere

una combustione più completa e quindi per ridurre le emissioni di HC e CO. Tuttavia, l’emissione di NOx aumenterebbe con una temperatura di combustione elevata, soprattutto

attraverso il percorso di formazione termica. Quindi per quanto concerne le emissioni, rispetto ad un semplice motore GN, l’arricchimento con idrogeno può ridurre le emissioni di HC, CO2e CO, ma può anche portare a livelli di NOx maggiori. La riduzione delle

emissioni di composti carboniosi è anche da associare alla diluizione di idrocarburi nella miscela oltre che alla combustione più completa.

Il contenuto di idrogeno è il parametro più importante da monitorare in quanto influenza l’andamento della combustione e le emissioni. Gli effetti dell’aggiunta dell’idrogeno non sono universali, ma in gran parte dipendono dalla frazione di idrogeno e dalle condizioni di funzionamento del motore[27]. Il motore HCNG, infatti, alimentato con una troppo elevata frazione di H2 può essere soggetto a combustione spontanee, pre-accensione e detonazione,

mentre se il contenuto di idrogeno è troppo basso, i vantaggi possono non essere sfruttati in modo completo.

L’aggiunta di idrogeno può estendere il limite di funzionamento magro dei motori SI e questo è uno dei vantaggi più importanti associati a questa tecnologia, in quanto la perfetta efficienza di combustione ultra magra può realizzare sia l’alta efficienza termica del motore che basse emissioni di NOx.

1.5.2 Motori ad accensione per compressione

I motori ad accensione per compressione vengono utilizzati in un’ampia gamma di ap- plicazioni: grandi motori marini, motori stazionari, per autocarri pesanti e per veicoli di trasporto di passeggeri. Il principale vantaggio rispetto ad un motori ad accensione comandata, è la sua maggiore efficienza globale resa possibile dal maggior rapporto di

compressione a cui possono operare.

Sebbene con maggiori efficienze, i motori ad accensione per combustione producono livelli elevati di particolato (PM) e ossidi di azoto. Una fonte dominante delle emissioni di PM nei motori diesel è la pirolisi degli idrocarburi pesanti presenti nel gasolio, che avviene ad alta temperatura. I motori NG producono minori livelli di particolato rispetto ai motori Diesel, dal momento che il gas naturale non contiene composti aromatici come il benzene ed impurità disciolte.

Tuttavia, la sostituzione completa del gasolio con gas naturale è impossibile per i motori ad accensione spontanea a causa dell’elevata temperatura di autoignizione del metano che non viene raggiunta nel motore. Per operare con miscela di GN al 100% occorre ricondursi quindi a motori SI (aggiungendo un sistema di accensione ausiliario), mentre, per motori CI occorre utilizzare miscele di gas naturale con altri tipi di combustibili. La sostituzione, seppur parziale, con un carburante avente meno carbonio è comunque un approccio significativo in termini di riduzione delle emissioni e allo stesso tempo per mantenere livelli di efficienza simili ai motori CI. Questo approccio è chiamato combustione a doppia alimentazione, Dual Fuel (DF). In questo modo si riducono al minimo le quantità di iniezione di diesel nel motore DF-CI porta ad una riduzione totale delle emissioni di particolato[28].

Dual Fuel

La tecnologia Dual Fuel è ormai vecchia di 40 anni. E’ nata, infatti, a bordo delle prime navi metaniere, quando è sorto il problema di come riutilizzare quella parte di metano che, a causa del non perfetto isolamento termico dei serbatoi, evaporava durante la tratta. Lo stoccaggio sotto forma gassosa imponeva grosse disponibilità di spazio, mentre, liberarlo in atmosfera voleva dire sprecare una parte della risorsa. E’ stato pertanto deciso di inviare il metano gassoso nell’alimentazione del motore della nave stessa, come percentuale sostitutiva del gasolio. In questo modo si consentiva il recupero di una parte di risorsa che altrimenti sarebbe andata sprecata.

L’utilizzo della doppia alimentazione gasolio-metano (liquido o gassoso) nei motori diesel appartenenti ad auto o camion non è stata altrettanto veloce a causa delle difficoltà indotte dalla mancanza delle candele. L’accensione per compressione avviene infatti a temperature troppo basse per innescare spontaneamente il metano che ha una temperatura di innesco di 537°C.

Una possibile soluzione a questo problema è stata trovata da Ecomotive Solutions, azienda del gruppo Holdim che affianca la squadra sportiva automobilistica Dimsport. E’ stato sviluppato un dispositivo di controllo elettronico che consente di gestire l’iniezione del gasolio per incendiare la miscela aria metano secondo il concetto di candela liquida. Nel cilindro, assieme all’aria, viene fatta entrare una porzione di metano iniettato nei collettori di aspirazione. Una volta nel cilidro, durante la fase di compressione si verifica l’iniezione di una piccola quantità di gasolio opportunamente misurata in relazione ai parametri monitorati. La quantità di gasolio è sufficiente al solo innesco della miscela aria metano che a questo punto è libera di bruciare. L’iniezione del Diesel svolge quindi lo stesso ruolo che ha la candela nei motori SI; da qui il termine candela liquida.

Questa tecnologia che si concretizza in un accurato sistema di controllo elettronico del- l’iniezione permette anche il funzionamento a solo gasolio lì dove le condizioni operative rendono troppo difficoltosa la combustione della miscela di metano.