Sperimentazione di iniezione diretta di ammoniaca gassosa in

In questo progetto è stato sviluppato un sistema di iniezione diretta di ammoniaca gassosa in un motore ad accensione comandata e sono state valutate le prestazioni del motore corrisponedenti l’uso combinato di ammoniaca e benzina.

Si fornisce benzina alla linea base di alimentazione, la potenza totale erogata dal motore aumenta con l’aumentare dell’anticipo di iniezione dell’ammoniaca e all’aumentare della durata dell’iniezione. Nella figura 3.14 è mostrato lo schema dell’intero apparato sperimentale appena descritto.

Fig. 3.14 - Schema dell’apparato di sperimentazione per l’iniezione diretta di ammoniaca

gassosa

Nei test condotti, per determinare il tempo di iniezione e la durata ottimale, la benzina era iniettata nel condotto di aspirazione. La quantità di benzina iniettata variava in accordo alla potenza di base richiesta. I test sono stati condotti in due stadi. Nella prima fase della sperimentazione si è osservato che al fine di ottenere un apprezzabile aumento del carico del motore quando l’ammoniaca è iniettata, l’anticipo di iniezione dell’ammoniaca deve avvenire

70 prima di 270 BTDC per permettere ad una sufficiente quantità di ammoniaca di essere distribuita utilizzando il sistema presente.

Sono stati utilizzati tre tempi di iniezione diversi: 270, 320 e 370 BTDC. Per ogni tempo di iniezione sono state testate 5 durate di iniezione (10, 14, 18, 22 e 26 ms) (Fig. 3.15).

Fig. 3.15 – Anticipi di iniezione e rispettive durate impiegate per la sperimentazione

Nella seconda fase della sperimentazione sono state determinate le prestazioni del motore basate sulla potenza in uscita, l’anticipo di iniezione e la sua durata (valori ottenuti nella fase precedente).

Fig. 3.16 – Potenza del motore utilizzando diversi anticipi di iniezione dell’ammoniaca (la

71 Come mostra la figura 3.16 la potenza di base prodotta dalla benzina è di 0,6 kW prima che venga introdotta ammoniaca. E’ mostrata in figura la diversa potenza in uscita ottenuta utilizzando tre distinti anticipi di iniezione e durate (durata dell’iniezione di 1 ms corrisponde a 10.8° di angolo di manovella con velocità del motore di 1800 rpm). Si vede che con l’aumentere dell’anticipo di iniezione dell’ammoniaca la potenza in uscita dal motore aumenta, sebbene la durata dell’iniezione rimanga la stessa. Questo è soprattutto evidente tra 270 e 320 BTDC.

Si è osservato inoltre che tempi di iniezione più ritardati determinano portate di ammoniaca più basse, sempre considerando durate di iniezione identiche. Ciò avviene principalmente perché con tempi di iniezione più ritardati la pressione del cilindro è maggiore al momento dell’apertura dell’iniettore, riducendo così la differenza di pressione per l’iniezione di ammoniaca gassosa; si riduce quindi la quantità di ammoniaca iniettata.

Il consumo specifico complessivo è molto simile tra la miscela ammoniaca-benzina e la benzina da sola.

Fig. 3.17 - BSEC ottenuto alimentando il motore con sola benzina e con benzina+ammoniaca

Le emissioni di NOx sono molto più alte usando la miscela di ammoniaca-benzina rispetto

all’uso della sola benzina (Fig. 3.18). L’aumento della quantità di ammoniaca iniettata nella camera di combustione determina sia l’aumento di emissioni di NH3 incombusta allo scarico, sia

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Fig. 3.18 - BSNOxottenuto alimentando il motore con sola benzina e con benzina+ammoniaca

Sia le emissioni di NOx che quelle di NH3 incombusta diminuiscono con l’aumentare del

carico, determinando minori consumi di combustibile agli alti carichi anche con l’impiego di ammoniaca.

Con questo settaggio del motore, l’uso di ammoniaca causa una leggera riduzione delle emissioni di CO ma un aumento degli HC, a causa delle basse temperature di combustione dell’ammoniaca.

Le prestazioni del motore possono essere ulteriormente migliorate ottimizzando il sistema di iniezione dell’ammoniaca. Il sistema di iniezione utilizzato in questa sperimentazione è stato creato apposta, dal momento che un iniettore appropriato per l’ammoniaca non è disponibile per i problemi legati all’incompatibilità dei materiali, alla portata e alle presioni di esercizio. Per iniettare l’ammoniaca gassosa direttamente nel cilindro, ovviamente è necessario avere pressioni di iniezione maggiori rispetto a quelle presenti nel cilindro stesso, con un limite rappresentato dalla pressione di saturazione, che comportarebbe la liquefazione dell’ammoniaca. Ne risulta che il range operazionale della pressione di iniezione è relativamente stretto.

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3.2.3 Motore alimentato con benzina ed iniezione diretta di una miscela di

ammoniaca-idrogeno-azoto

Sono stati ricercati gli effetti della dissociazione dell’ammoniaca sulle prestazioni del motore ad accensione comandata e sulle emissioni.

Un catalizzatore per la dissociazione di ammoniaca rivestito con il 2% di Rutenio su 3175 mm di pellet di alluminio è impiegato per decomporre ammoniaca in idrogeno ed azoto.

Fig. 3.19 – Dissociatore catalitico dell’ammoniaca

Il catalizzatore è ospitato in un tubo cilindrico che è preceduto da un tubo cilindro identico contenente uno scambiatore di calore. Come mostrato in Fig. 3.19 l’assieme è posizionato all’interno del condotto di scarico del motore, che mantiene la temperatura dei gas esausti intorno a 800°C, temperatura appropriata perché avvengano le reazioni di dissociazione nel catalizzatore [45]. La dimensione degli elementi del catalizzatore è dettata dallo spazio disponibile nel condotto di scarico. Lo schema di Fig. 3.14 risulta leggermente modificato con l’introduzione del catalizzatore (Fig. 3.20).

74 I risultati mostrano che l’utilizzo del catalizzatore favorisce la combustione e riduce le emissioni inquinanti. Con l’uso del catalizzatore il picco della pressione nel cilindro aumenta come anche l’efficienza della combustione (Fig. 3.21) in seguito alla migliore combustione data dalla presenza dell’idrogeno.

Fig. 3.21 – Efficienza complessiva della combustione con e senza l’uso del catalizzatore

Il miglioramento della combustione si traduce in una maggiore potenza erogata, a parità di durata dell’iniezione (Fig. 3.22).

75 Nella Fig. 3.22 è mostrata la potenza in uscita dal motore nel caso di assenza e presenza del catalizzatore. In questo caso la benzina fornisce una potenza di base di 0,6 kW ed un ulteriore aumento di potenza si ottiene con l’aggiunta di ammoniaca.

I miglioramenti sono più evidenti ai bassi carichi a causa del maggiore tempo di permanenza dell’ammoniaca nel catalizzatore, che comporta un più alto tasso di conversione.

All’aumentare della portata di ammoniaca il catalizzatore è incapace di mantenere lo stesso tasso di conversione, ciò si traduce in un peggioramento delle prestazioni.

Il consumo specifico si riduce con l’utilizzo del reattore, specialmente in condizioni di bassi carichi. Anche le emissioni di NOx, NH3, CO ed HC sono state considerevolmente ridotte con

l’impiego del catalizzatore (Fig. 3.23).

Fig. 3.23 – Emissioni di NOx, NH3, CO ed HC con e senza l’impiego del catalizzatore.

Complessivamente, è stato dimostrato che il dissociatore catalitico dell’ammoniaca rende fattibile l’utilizzo di ammoniaca come vettore di idrogeno per l’impiego nei motori a combustione interna.

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