Problemi e limiti

I motori Diesel presentano notevoli problemi, oggetto di ricerca e continui miglioramenti, tra cui si annoverano:

– Dato che il combustibile utilizzato deve essere in grado di auto-accendersi, `

e necessario usare combustibili volatili con numero di cetano compreso tra 45 e 50.

– Nonostante gli elevati rapporti di compressione, nell’avvio a freddo si possono avere problemi di auto-accensione a causa delle temperature ridotte.

– Ai bassi regimi di rotazione la formazione della miscela pu`o non essere soddisfacente a causa della pi`u bassa pressione di alimento2 _{e dei mo-} vimenti macroturbolenti insufficienti. Il problema pu`o risolversi solo parzialmente aumentando l’anticipo dell’iniezione, dato che le compo- nenti alto-bollenti del combustibile lasceranno il motore incombuste. Questo problema `e particolarmente sentito all’avvio del motore.

– Le componenti fredde di un motore tendono ad assorbire energia ter- mica dall’aria compressa.

– `E necessario evitare che in camera di combustione si formino zone ec- cessivamente ricche di combustibile, dato che questo provocherebbe l’aumento delle emissioni di incombusti e particolato.

– Per migliorare l’evaporazione del combustibile, un motore Diesel opera sempre con un eccesso d’aria consistente (dal 10 all’80% in proporzione

2_{Problema superato nel Common Rail, dato che la pressione del combustibile `e} svincolata dal regime di rotazione del motore.

al volume). Tuttavia all’aumentare di questo parametro, aumentano le pressioni parziali di ossigeno e azoto e di conseguenza si incentiva la produzione di ossidi di azoto. Per questo, per aumentare la diluizione senza eccedere con l’ossigeno, si utilizza il sistema EGR (Exhaust Gas Recirculation) che consiste nel convogliare all’aspirazione, tramite la commutazione di una valvola a tre vie3_{, parte dei gas combusti dei cicli} precedenti.

– Nonostante tutte le precauzioni che si prendono per favorire la com- bustione del particolato gi`a in camera di combustione, questo tende comunque a formarsi: va previsto perci`o l’utilizzo di un filtro.

– I motori Diesel devono essere dimensionati per operare a pressioni molto elevate. Di fatti, rispetto a motori benzina di pari cilindata, questi sono pi`u ingombranti e pesanti. Tra le ragioni si ha:

– Rapporti di compressione elevati,

– Utilizzo diffuso di sistemi di sovralimentazione,

– Necessit`a di operare in eccesso d’aria: rapporto volume/potenza elevato.

1.5

Normative anti-inquinamento

La riduzione delle emissioni inquinanti degli autoveicoli `e stata soggetta in Europa, fin dai primi anni settanta, a restrizioni imposte con la promulgazio- ne di direttive comunitarie per l’omologazione e la conformit`a di produzione, basate sulle migliori tecnologie motoristiche esistenti al momento. Per ot- tenere l’omologazione un nuovo modello di autovettura bisogna soddisfare, con prove di laboratorio, i limiti imposti dalla direttiva in vigore al mo- mento per l’emissione degli inquinanti regolamentati, espressi in massa/km

Figura 1.22: Evoluzione delle normative anti-inquinamento nel corso degli anni.

(autoveicolo) o in massa/kWh (motore). Con la direttiva 91/441/CEE fu introdotta per la prima volta una procedura di prova pi`u rigorosa (ciclo di guida standard urbano associato al ciclo di guida extra-urbano) per l’omo- logazione degli autoveicoli leggeri sia a benzina che diesel. Inoltre, furono imposte nuove specificazioni per le apparecchiature di campionamento e li- miti pi`u restrittivi alle emissioni inquinanti (Euro 1), alle quali fu aggiunto il particolato come nuovo parametro. La direttiva imponeva per la prima volta anche un limite sulle emissioni evaporative e un test di durata per le autovetture dotate di un convertitore catalitico. Questa poi fu aggiornata nel 1994 (direttiva 94/12/CE) per fissare nuovi limiti (Euro 2) per le autovetture e nel 1996 per gli autoveicoli leggeri (direttiva 96/69/CE).

Un ulteriore aggiornamento, direttiva 98/69/CE, ha introdotto per la prima volta ulteriori requisiti per il controllo delle emissioni autoveicolari, tra le quali l’impiego di un sistema di diagnostica a bordo (EOBD) per in- formare l’utente di un eventuale malfunzionamento dell’autoveicolo durante l’esercizio, la riduzione di un fattore 2 dei limiti di emissione degli inquinan- ti regolamentati nel 2000 (Euro 3) e di un’ulteriore riduzione per quelli da adottare nel 2005 (Euro 4) per i nuovi modelli.

Gli standard di emissione Euro 5 ed Euro 6 (benzina e diesel), invece, sono stati fissati dalla Commissione Europea e riportati nel regolamento CE

N.715/2007 emesso nel 2007; i nuovi limiti ed il protocollo per l’attuazione del regolamento sono stati definiti nel 2008, per essere poi applicati nel 2009 (Euro 5) e nel 2014 (Euro 6). Il nuovo regolamento fissa prove di controllo dei sistemi di diagnostica a bordo (EOBD) dell’autoveicolo e un raddoppio del chilometraggio (160.000 km) per la verifica della funzionalit`a dei dispositivi catalitici adottati sul modello in omologazione. Per la prima volta viene esteso il limite dell’emissione di particolato anche alle auto a benzina con sistema GDI (motore ad iniezione diretta di benzina), e vengono fissati limiti sul numero di particelle emesse dagli autoveicoli diesel e sugli idrocarburi non metanici (NMHC) [1].

Il limite del monossido di carbonio imposto con la direttiva 98/68/CE (Euro 4 - 2005) `e stato ridotto dell’82% rispetto allo standard Euro 1 (1992). Il limite del particolato emesso dagli autoveicoli diesel leggeri `e stato abbas- sato al 36% (Euro 3 - 2000) e al 18% circa (Euro 4 - 2005) del corrispondente valore Euro 1. Va aggiunto inoltre che, a differenza del passato, con la di- rettiva 98/69/CE e con i nuovi regolamenti, sono stati fissati limiti separati dell’emissione degli idrocarburi incombusti e degli ossidi di azoto per le sole autovetture con motore a benzina. Il rispetto del limite Euro 5 sull’emissione del particolato, che non `e modificato per lo standard Euro 6, richiede l’uso di un filtro antiparticolato idoneo per tutti i nuovi modelli [1].

In figura 1.22 sono rappresentati i limiti dei vari standard per i motori Diesel. C’`e da specificare che per gli standard Euro 1 e 2 gli NOx e gli incombusti `e definito un limite complessivo, mentre a partire dall’Euro 3 questi limiti vengono specificati separatamente. Viene inoltre imposto che un veicolo si mantenga nei limiti stabiliti per almeno 100000 km (Euro 4).

Il progressivo miglioramento degli standard ha portato ad un significa- tivo crollo delle emissioni di particolato e altri inquinanti come idrocarburi incombusti e CO. D’altra parte tuttavia le emissioni di NOx, che vengono prodotte dal settore trasporti per circa il 50%, non sono diminuite quanto previsto dato che le condizioni di guida reali si discostano abbastanza dalle

condizioni di test.

Figura 1.23: Andamento della concentrazione di NOx in atmosfera [3].

Figura 1.24: Andamento della produzione di NOx e obiettivo del 2020 [3].

1.5.1

Cicli di guida

Quando si tratta di misurare le emissioni inquinanti di un motore `e neces- saria una elevata standardizzazione. La procedura normalmente utilizzata `

e la simulazione di un modello di guida su un banco a rulli, con il veicolo completamente funzionale, che ricalchi abbastanza fedelmente uno schema di guida realistico. Tali rulli sono collegati a dei freni magnetici che simulano l’inerzia del veicolo e il drag aerodinamico.

Figura 1.25: Ciclo di guida NEDC.

Alcuni cicli sono derivati teoricamente, come il ciclo europeo NEDC (New European Driving Cycle), mentre altri sono pi`u vicini alla guida su strada come l’americano FTP-75. Di fatti la critica pi`u grande che viene apportata ai cicli di guida, in particolare l’NEDC, `e la scarsa abilit`a di rappresentare un ciclo di utilizzo reale dato che contiene basse accelerazioni (12 secondi per raggiungere la velocit`a di 36 km/h) e lunghi periodi di latenza. Il ciclo inoltre soffre oggettivamente di obsolescenza, dato che risale al 1990 con l’ultimo aggiornamento datato 1997, per cui non risulta adatto a rappresentare lo stile di guida di un veicolo moderno.

Il ciclo WLTP Per superare queste limitazioni `e stato introdotto il ciclo WLTP (Worldwide harmonized Lightweight vehicle Test Procedure) che de- riva da un accordo tra paesi europei, Stati Uniti, Giappone, Russia, India e Cina sotto gli auspici dell’UNECE (United Nations Economic Commission for Europe). Questo nasce come migliore tentativo di emulazione di quello che pu`o essere un ciclo di guida di un veicolo in qualsiasi parte del mondo.

Esistono differenti versioni del ciclo in base al rapporto potenza/massa del veicolo, rappresentate in tabella 1.1.

Il ciclo di classe 1 `e caratterizzato dalle grandezze rappresentate nella tabella 1.2. Se la velocit`a massima del veicolo dichiarata `e minore di 70

Nome W/kerb-mass Vmax ciclo Fasi Durata

WLTC-class-1 ≤ 22 70 km/h L-M 1022 s

WLTC-class-2 > 22, ≤ 34 90 km/h L-M-H 1477 s WLTC-class-3 > 34 135 km/h L-M-H-EH 1801 s

Tabella 1.1: Caratteristiche globali delle differenti classi della procedura WLTP. L: Low. M: Middle. H: High. EH: Extra-High.

km/h, la fase “Middle” `e sostituita da una ripetizione della fase “Low”.

Fase Durata (s) Idle (s) Dist. (m) % Idle Vmax (km/h) Vave (km/h) Low 589 155 3324 26,3% 49,1 27,6 Middle 433 48 4767 11,1% 64,4 44,6

Tabella 1.2: Caratteristiche particolari del ciclo WLTC-class-1. La velocit`a media Vave `e calcolata escludendo i tempi di idle.

Il ciclo di classe 2 `e caratterizzato dalle grandezze rappresentate nella tabella 1.3. Se la velocit`a massima del veicolo dichiarata `e minore di 90 km/h, la fase “High” `e sostituita da una ripetizione della fase “Low”.

Fase Durata (s) Idle (s) Dist. (m) % Idle Vmax (km/h) Vave (km/h) Low 589 155 3132 26,3% 51,4 26,0 Middle 433 48 4712 11,1% 74,7 44,1 High 455 30 6820 6,6% 85,2 57,8

Tabella 1.3: Caratteristiche particolari del ciclo WLTC-class-2. La velocit`a media Vave `e calcolata escludendo i tempi di idle.

Il ciclo di classe 3 `e caratterizzato dalle grandezze rappresentate nella tabella 1.4. Se la velocit`a massima del veicolo dichiarata `e minore di 135 km/h, la fase “Extra-High” `e sostituita da una ripetizione della fase “Low”.

Fase Durata (s) Idle (s) Dist. (m) % Idle Vmax (km/h) Vave (km/h) Low 589 155 3095 26,5% 56,5 25,7 Middle 433 48 4756 11,1% 76,6 44,5 High 455 31 7158 6,8% 97,4 60,8 Extra-H 323 7 8254 2,2% 131,3 94,0

Tabella 1.4: Caratteristiche particolari del ciclo WLTC-class-3. La velocit`a media Vave `e calcolata escludendo i tempi di idle.

Difatti il nuovo ciclo WLTP `e stato sviluppato sulla base dei dati di guida raccolti da ogni parte del mondo e copre diverse situazioni, dal traffico urba- no all’autostrada. A differenza dell’NEDC, il WLTP `e molto pi`u dinamico dato che contiene molte pi`u accelerazioni e frenate del suo predecessore e, oltre alle curve di velocit`a, contiene informazioni su altri aspetti della gui- da, come temperatura dell’aria e pressione degli pneumatici. Al banco prova precede un test su strada, chiamato coast-down, che permette di determinare le caratteristiche di inerzia del veicolo. Le informazioni raccolte dal coast- down sono dette “road load” e sono necessarie per configurare la resistenza dei rulli.

L’obiettivo della nuova procedura di test `e quello di simulare la realt`a il pi`u fedelmente possibile, minimizzare le variazioni tra un test e l’altro e mantenere bassi i costi. Cos`ı come era per l’NEDC, le misurazioni devono essere riproducibili e conformi in ogni parte del mondo e produrre gli stessi risultati se eseguito correttamente.

L’introduzione del WLTP come base per il monitoraggio delle emissioni di CO2 in Europa partir`a da Settembre 2017 mentre rimarr`a l’utilizzo del ciclo NEDC in parallelo fino al 2020.

Figura 1.26: Ciclo di guida WLTC-class-3 utilizzato nel presente lavoro.

1.6

Conclusioni

Le richieste sempre pi`u stringenti da parte del mondo normativo creano la necessit`a di ottenere una qualit`a di combustione molto elevata. Per il rag- giungimento di questo obiettivo non sono pi`u sufficienti i sistemi tradizionali a precamera n´e l’ottimizzazione dei moti di swirl e tumble. La possibilit`a di iniettare quantit`a molto precise in camera di combustione a pressione sempre elevata anche a bassi regimi permette di ottenere uno spray di elevata qualit`a e ridurre di conseguenza la quantit`a di incombusti e di particolato.

Il rilascio del calore in un motore Diesel dipende non solo dal processo di combustione, ma anche in buona parte dal tempo di inizio di iniezione, in- jection rate e pressione di iniezione. Nei motori a iniezione diretta, il numero e la dimensione degli orifizi `e un altro fattore importante.

I motori Diesel hanno visto l’evoluzione di diverse forme di sistemi di iniezione. I due tipi pi`u comuni includono le pompe in linea e il sistema UI (Unit Injection) che, sebbene fossero molto accurati su tempi e quantit`a di

iniezione, erano molto limitati da diversi fattori:

– Erano guidati da camme e la pressione di iniezione era proporzionale alla velocit`a del motore. Questo `e vero per ogni tipo di pompa, ma nel Common Rail il problema viene raggirato grazie al sistema di accumulo. Nei sistemi tradizionali questo legame significava che ai regimi pi`u bassi non erano in grado di fornire una pressione sufficientemente elevata da consentire una risposta rapida.

– Il numero e il ritmo degli eventi di iniezione era limitato dalla geometria delle camme.

– Solitamente l’inizio e la fine di un evento di iniezione avvenivano quando la pressione del combustibile raggiungeva un valore determinato dal precarico di una molla applicato sul pompante.

Il sistema Diesel Common Rail si `e dimostrato come il pi`u adatto al- l’ottenimento di tali specifiche, proprio grazie al fatto che il controllo della quantit`a iniettata e quello della generazione della pressione sono indipendenti tra loro, mentre il rail funge da accumulatore di pressione. Con il sistema Common Rail `e possibile adattare il funzionamento del sistema di iniezione ai vari regimi di funzionamento del motore fino ad avere pressioni di iniezione variabili da 200 a 2000 bar e leggi di iniezione che includono la possibilit`a di avere fino a 15 iniettate per ciclo.

Il sistema di iniezione deve essere capace di effettuare almeno una inie- zione pilota, affinch´e vengano superati i tempi di indugio con una quantit`a minima di combustibile in camera, con l’effetto di avere una detonazione me- no energetica, meno rumore, meno vibrazioni, e una camera di combustione a temperatura pi`u elevata che permette al combustibile iniettato successiva- mente di accendersi in pochissimo tempo. Questo contribuisce a ridurre le emissioni di ossidi di azoto [4] come evidenziato in figura 1.27.

Le applicazioni del Common Rail spazzano dal campo automobilistico a quello marino. Nel primo caso a partire da met`a degli anni ’90 si `e verificata

Figura 1.27: Evidenza sperimentale della riduzione delle emissioni di NOx con l’introduzione dell’iniezione pilota [4].

una diffusione capillare delle automobili con motore Diesel tale da portare le case automobilistiche a produrre motorizzazioni Diesel parallele a quelle benzina per quasi tutti i modelli. Nello stesso lasso di tempo il Common Rail si `e stabilito come standard de facto utilizzato ormai in veicoli di ogni tipo, dai 3-cilindri da meno di 30 kW fino agli 8-cilindri di alcune berline di lusso con cilindrate fino a 4 litri e potenze specifiche di 50/70 kW/l. La tecnologia Common Rail ha rivoluzionato non solo i motori Diesel, ma anche quelli benzina (con l’introduzione della tecnologia GDI) data l’attenzione che si `e spostata sulla qualit`a della combustione.

Capitolo 2

L’esperimento

2.1

Obiettivo

Come si `e visto, la combustione di particelle di combustibile liquido produce una quantit`a non trascurabile di sottoprodotti inquinanti, tra cui NOx, CO, HC e particolato le cui concentrazioni nei fumi non trattati dipendono prin- cipalmente dalle condizioni operative del motore. All’infuori dei parametri caratteristici della fluidodinamica lato-aria (forma della camera di combu- stione, dei condotti dell’aria, turbocompressore, EGR, turbolenza), un ruolo molto importante sulla minimizzazione delle emissioni `e svolto dal sistema di iniezione.

Dall’introduzione nel 2000 della normativa EURO, i requisiti sulle emis- sioni di un motore Diesel da autoveicolo si sono fatti sempre pi`u stringenti. Per l’ottenimento di tali specifiche `e necessario controllare l’iniezione negli aspetti di pressione, energising time, fasatura e numero di iniezioni, tut- to nel breve lasso di tempo che costituisce la durata di un ciclo. Questo obiettivo pu`o essere raggiunto esclusivamente grazie al controllo elettroni- co (EDC: Electronic Diesel Control) che permette di ottenere una dinami- ca precisa della consegna del combustibile in termini di inizio dell’iniezione (SOI: Start Of Injection), durata e quantit`a iniettata.

Scopo di questa tesi, difatti, `e stato lo sviluppo di un esperimento che abbia come dati in ingresso una curva di velocit`a, in questo caso una rical- cante il ciclo WLTC e fornendo in uscita le grandezze fluidodinamiche ed energetiche di cui se ne vogliono conoscere i valori.

Tuttavia i sistemi Diesel moderni vengono gestiti da algoritmi proprietari molto complessi, per cui l’approccio che si `e seguito `e stato quello di utilizzare curve di velocit`a, pressione e ET misurati dal costruttore del sistema Diesel tramite test su banco a rulli. Dei dati in uscita ne verr`a fatta una verifica di congruenza e un’analisi “statistica” per determinare come le grandezze che caratterizzano l’iniettore sono in relazione tra di loro.

Il banco `e stato progettato per essere in grado di ospitare qualsiasi tipo di iniettore a solenoide senza che si rivelino necessarie sostanziali modifiche. Infatti, il banco `e stato messo a punto proprio per ospitare iniettori di ultima generazione che non potevano per`o essere, per motivi di strategia industriale, oggetto di questa tesi. Per questo motivo le grandezze di input riguardanti la strategia di iniezione, ovvero gli ET delle due iniezioni pilota e della main, sono state “ricalibrate” per essere adattate agli iniettori di prova utilizzati per la messa a punto con una procedura spiegata successivamente nel paragrafo 2.3.2.