CAP 8 - Analisi dei risultati.

CAP 8 - Analisi dei risultati.

8.1 - Variazione della percentuale di miscela

Come esposto nel capitolo 6.2, nelle prime indagini, nostro intento fondamentale era quello di stabilire quale percentuale di miscela risultasse più interessante per lo studio prefissoci, nel quadro delle risposte del sistema da noi messo a punto. In particolare volevamo stabilire quale direzione dare alle successive fasi di indagine, e volevamo fare questo tenendo principalmente conto dei dati di efficienza del motore. Non eravamo, infatti, esclusivamente interessati a scoprire e documentare quali fossero le prestazioni massime ottenibili da un motore tradizionale alimentato con un carburante non convenzionale (coppia e potenza massima erogate a determinati regimi di rotazione), in quanto un dato del genere sarebbe risultato alquanto sterile ed adatto unicamente a dare indicazioni riguardo possibili ricadute ed applicazione in campo di apparecchiature di tipo stazionario, caratterizzate dal funzionamento a regime costante, quali generatori elettrici o motori ausiliari (per gli impianti secondari dei camion, ecc.). Servivano invece dati sulla base dei quali verificare come, e quanto, un motore ad accensione per compressione fosse incline a “sopportare” una diversa alimentazione.

In pratica, tenendo conto dell’efficienza della combustione e del rendimento del motore ad ogni regime di rotazione, si può saggiare quali siano i benefici o gli svantaggi di unea percentuale di miscela in rapporto con le altre, e concretizzare, in tutto l’arco di utilizzo del motore, il reale andamento dell’efficienza nella conversione dell’energia chimica del combustibile in energia meccanica disponibile all’albero. Si è cercato, cioè, non il rendimento massimo, il migliore ottenibile ad un dato regime di rotazione, ma, come detto, la migliore curva di erogazione tra le varie osservate, ossia il migliore funzionamento globale dell’intero sistema. Così facendo si è cercato di premiare il comportamento di una data miscela rispetto alle altre, pensando al modo in cui essa avrebbe potuto essere realmente utilizzata per alimentare un mezzo di trasporto (attrezzato con

Sempre tenendo conto che tali dati potrebbero risultare ulteriormente migliorati da una messa a punto specifica dell’impianto di alimentazione del motore attraverso il dimensionamento dei getti, la loro direzione, il dosaggio, e i tempi di iniezione (studio che va al di là degli obbiettivi prefissati), qui si cerca unicamente di determinare quale percentuale di miscela sia da preferire, nell’ipotesi di utilizzo “tradizionale” di un motore a combustione interna per autotrazione, a più ampio raggio possibile.

In quest’ottica i grafici più indicativi risultano quelli del rendimento e del consumo specifico di carburante.

8.1.1 - Rendimento (

)

In questa prima fase, come detto, ci siamo soffermati sui risultati delle prime tre prove (diesel puro, miscela al 10% e miscela al 30%), con l’intento di valutare quale percentuale di miscela fosse la più interessante da studiare nelle indagini successive.

Con riferimento al grafico del rendimento (figura 7.3 di pagina 72) basta soffermarci ad analizzare le prime tre curve: in blu è riportata la curva relativa al gasolio tradizionale puro, in verde quella relativa alla miscela al 10%, ed in giallo quella della miscela al 30%.

Possiamo iniziare col prendere in considerazione l’arco di utilizzo classico di un motore endotermico per autotrazione ossia i regimi di rotazione che vanno dai 1500 giri al minuto ai 3000 giri al minuto (figura 8.1).

Si può subito osservare che l’andamento del grafico del gasolio tradizionale è il peggiore dei tre. Mentre per valutare le differenze di rendimento tra le distinte percentuali di miscela le considerazioni da fare sono diverse.

Al di sotto della soglia dei 2200 giri/minuto la miscela al 10% ha mostrato un rendimento migliore rispetto a quella al 30%, mentre al di sopra di tale regime di rotazione del motore la situazione si inverte.

Basta però tener conto delle entità degli scostamenti e già si capisce che il margine di miglioramento introdotto dalla percentuale di miscela a maggior tenore di olio di origine vegetale è prevalente sulla “perdita” a bassi giri: infatti nel primo

tratto di erogazione, le curve (gialla e verde) dei rendimenti delle due miscele si seguono senza discostarsi di molto l’una dall’altra ( max=0,011 a 1800 giri/minuto);

mentre nella seconda parte dell’arco di utilizzo ora preso in considerazione, tale divario risulta più evidente e marcato, a vantaggio appunto della miscela al 30% ( =0,017 a 2300 giri/minuto; max=0,021 a 2600 giri/minuto; =0,016 a 2700

giri/minuto).

Figura 8.1: grafico del rendimento, arco di normale utilizzo del motore.

Oltretutto bisogna considerare anche il fatto che la potenza massima del motore viene erogata ad un regime di rotazione (variabile con le diverse condizioni di utilizzo da noi testate) comunque all’interno dell’arco che va dai 2200 ai 3000 giri al minuto.

Il terzo fattore che ci porta a ritenere di maggiore interesse per il prosieguo delle nostre indagini la miscela a più alto tenore di olio di origine vegetale è reso evidente dal grafico della coppia (vedi figura 8.2).

Figura 8.2: grafico della coppia, andamento lineare miscela al 30%.

Da questo infatti si evince che, sebbene di poco più bassa ( max=2,0 Nm a 1800

giri/minuto), la curva di coppia della miscela al 30% è di gran lunga la più lineare, soprattutto tra i 1200 ed i 1700 giri al minuto rispetto a quella relativa alla miscela al 10%. Questa vantaggiosa caratteristica di erogazione della potenza come noto è gradita dal conducente (e quindi ricercata dalle case motoristiche), soprattutto in un arco di giri di utilizzo del motore cruciale come quello appena menzionato, tipico delle partenze da fermo o della giuda in città.

Se tutte le tendenze appena esposte fossero state confermate a temperature maggiori, o addirittura amplificate dagli effetti benefici del preriscaldamento della miscela (come peraltro poi verificatosi) la scelta di prediligere la miscela a più alta concentrazione di olio di semi di girasole sarebbe stata premiata.

8.1.2 - Consumo specifico (BSFC)

Come prima, con riferimento però al grafico del consumo specifico (figura 7.5 di pagina 73) ci si sofferma ad analizzare le prime tre curve: blu per il gasolio tradizionale puro, verde per la miscela al 10%, e giallo per la miscela al 30%.

Anche qui, considerando l’arco di utilizzo classico di un motore endotermico per autotrazione, ossia i regimi di rotazione che vanno dai 1500 giri al minuto ai 3000 giri al minuto (figura 8.3), le considerazioni da fare sono le stesse.

L’aggiunga di olio di origine vegetale al gasolio tradizionale ne migliora le prestazioni. Per quanto riguarda la percentuale di miscela, i benefici sono maggiori rispettivamente con la concentrazione più bassa ai bassi regimi, e con quella più alta agli alti (oltre i 2200 giri al minuto). Risulta altresì evidente che il

divario a

vantaggio della miscela al 10% è contenuto del primo tratto di erogazione

del motore (

), mentre risulta maggiore nel

secondo a vantaggio della miscela al 30%

max=12,05 g/kWh a 2600 giri/minuto; =9,62 g/kWh a 2700 giri/minuto).

Valutazioni analoghe a quelle precedentemente esposte del paragrafo relativo all’analisi del grafico del rendimento hanno portato anche qui a considerare di maggior interesse la miscela a più alta concentrazione di olio di semi di girasole per lo studio dell’influenza della temperatura di preriscaldamento della miscela di carburanti.

Figura 8.3: grafico del consumo specifico (BSFC), arco di normale utilizzo del

8.2 - Variazione di temperatura

Come detto, per lo sviluppo delle fasi successive si è optato per lo studio dell’influenza della variazione di temperatura di preriscaldamento del carburante, sulla miscela al 30% di olio di semi di girasole in gasolio tradizionale considerando il rendimento globale del motore, anche qui concepito come miglioramento (o peggioramento) complessivo del comportamento dinamico in relazione al possibile utilizzo pratico.

Una volta infatti rilevati gli andamenti e le tendenze che l’aggiunta di olio di origine vegetale aveva comportato nel funzionamento del motore, ad ogni regime di rotazione, si è effettuata la valutazione (e la scelta relativa) della più promettente percentuale di miscela per lo sviluppo successivo dello studio: la speranza dunque era quella di vedere amplificati gli effetti positivi riscontrati in questa prima fase di analisi (nonché leniti quelli negativi) una volta introdotta la variabile temperatura nel sistema.

Si tratta ora quindi di verificare, quantitativamente, quale temperatura risulti migliore per sfruttare appieno le qualità combinate di olio di semi di girasole e diesel tradizionale, ossia si deve rilevare strumentalmente a quale temperatura di preriscaldamento risultino migliori le caratteristiche chimico-fisiche della miscela di carburanti. Ricordiamo infatti le particolari qualità lubrificanti dei biodiesel di origine vegetale i cui benefici effetti vengono sfruttati anche dalle aziende petrolifere che li utilizzano in miscela fino al 5%: infatti nei gasoli desolforati è necessario aggiungere additivi per fornire la “lubricity” necessaria affinché possa essere compatibile con pompe e iniettori dei classici motori Diesel (vedi cap. 1.3.1).

L’impianto che attua e controlla l’innalzamento della temperatura risulta concettualmente piuttosto semplice e una sua realizzazione con ingombri contenuti (il nostro di fatto risulta essere un prototipo) si presta facilmente ad essere installato nel vano motore delle abituali autovetture. La taratura di un tale impianto potrebbe anche essere sviluppata in accordo con piccole modifiche apportate all’impianto originale.

Vediamo ora invece come si è proceduto nel nostro caso, per la ricerca della temperatura ottimale.

Seguendo i principi esposti nel capitolo 6.2, in accordo con la curva viscosità-temperatura dell’olio di semi di girasole esposta in figura 4.2, i salti di viscosità-temperatura tra le varie prove effettuate sono stati di 20° ciascuno, partendo da una temperatura (definita “ambiente”) di 40° fino ad un massimo di 80°C: quest’ultima prova, come detto, è stata caratterizzata dall’insorgere di instabilità, e la sua validità ai fini dello studio è da ritenersi indicativa.

Vediamo dunque di quantificare i benefici e gli svantaggi delle varie temperature di preriscaldamento osservando con maggiore attenzione i grafici di rendimento e consumo specifico.

8.2.1 - Rendimento (

)

Figura 8.4: grafico del rendimento, arco di normale utilizzo del motore.

Con riferimento al grafico del rendimento (figura 7.3 di pagina 72) basta soffermarsi ad analizzare le ultime tre curve: in giallo è riportata la curva relativa alla miscela di gasolio tradizionale puro e olio di semi di girasole al 30% immessa nella camera di scoppio alla temperatura di 40°C, in arancione quella relativa alla

stessa miscela ma preriscaldata alla temperatura di 60°C, ed in rosso sempre la stessa ma a T=80°C.

Come al solito possiamo iniziare col prendere in considerazione l’arco di utilizzo classico di un motore endotermico per autotrazione: i regimi di rotazione che vanno dai 1500 giri al minuto ai 3000 giri al minuto (figura 8.4).

Innanzitutto urge una puntualizzazione riguardo l’utilizzo dei dati relativi al grafico di T=80°C: come accennato nei capitoli precedenti, l’inso rgere di fenomeni di instabilità che ha comportato l’interruzione dell’ultima fase di test non si è limitata a vibrazioni strutturali ma ha portato anche a dati numerici aleatori, praticamente non ripetibili. Bisogna escludere in pratica gli ultimi due dati rilevati (relativi a 2300 e 2200 giri al minuto): tale l’esclusione rende di fatto inequivocabile il peggioramento delle prestazioni, ai fini del rendimento, dovuti all’innalzamento della temperatura da 60°C a 80°C.

Per quanto riguarda le altre due curve risulta facile constatare come quella relativa alla temperatura di preriscaldamento di 60°C (T60) s ia costantemente al di sopra di quella di 40°C (T40); solo a 1900 giri al minuto si ha una lieve inversione di tendenza con un delta a vantaggio di T40.

La curva T40 peraltro presenta in corrispondenza dei 2500 giri un apprezzabile calo nel valore del rendimento, subito riassorbito nei regimi successivi: tale tendenza si ripresenta anche nella curva T60 ma ad un regime anticipato (a 2400 giri), e soprattutto con un valore di discontinuità nettamente affievolito. Ancora una volta quindi l’innalzamento di temperatura ha contribuito a migliorare la curva del rendimento.

Un’analisi dei regimi più bassi di rotazione porta a valutazioni analoghe (vedi figura 8.5).

Infatti dalla figura 7.10 si vede che, nel tratto rappresentato, la curva T60 ha un andamento identico a T40 ma con valori di rendimento sempre migliori, con un vantaggio che si affievolisce al crescere dei giri.

Tornando alla curva T80, al di là delle considerazioni di instabilità del sistema, ci si è resi conto che, oltre ad essere incompleta, presenta frastagliature ed i suoi valori di rendimento sono comunque peggiori di quelli di T40. Risulta quindi chiaro che

ulteriori approfondimenti in tale direzione (a temperature uguali o superiori) non sarebbero interessanti nell’ottica di studi futuri.

Figura 8.5: grafico del rendimento, tratto 1200

÷

8.2.2 - Consumo specifico (BSFC)

Considerazioni analoghe alle precedenti possono essere fatte osservando l’andamento delle curve relative alle diverse temperature di preriscaldamento all’interno del grafico del consumo specifico di carburante (BSFC).

Si nota anche qui la lieve inversione di tendenza a 1900 giri al minuto vista nel grafico del rendimento, in cui il costante vantaggio di T60 si annulla e si inverte a favore di T40.

Così come l’aumento di consumo, nella curva T40, a 2500 giri si ripropone anche in T60 ma anticipato a 2400 giri e nettamente affievolito.

A conclusione risulta sempre evidente il vantaggio della curva T60 selle altre, anche in termini di BSFC.

Altresì, l’osservazione della parte bassa dei giri motore delle due curve decreta il costante minor consumo di T60 nei confronti di T40, vantaggio che, come prima, si affievolisce al crescere dei giri.

Figura 8.6: grafico del consumo specifico (BSFC), arco di normale utilizzo del

motore.

8.3 - Analisi complessiva

Come visto dall’analisi dettagliata sopra esposta il comportamento del motore alimentato con diesel puro è il peggiore di tutti, e questo risulta evidente sia osservando il grafico del rendimento sia osservando quello del BSFC.

Con riferimento alle figure dalla 7.1 alla 7.5, si può dunque notare che:

• l’introduzione dell’olio di origine vegetale in miscela al 10% ha portato un netto miglioramento rispetto al diesel tradizionale puro, con curve però dall’andamento non regolare soprattutto al di sotto dei 2400 giri al minuto

• un aumento del tenore di olio nella miscela (30%) ha comportato la regolarizzazione dell’andamento ai bassi regimi, con un miglioramento delle prestazioni generali agli alti, contraddistinto però a sua volta da un percepibile “buco” a 2500 giri/minuto

• il preriscaldamento a 60°C della miscela al 30% ha conf ermato le tendenze riscontrate con la stessa percentuale a temperatura ambiente, correggendo il difetto in alto (calo delle prestazioni generali nettamente affievolito e spostato a 2400 giri/) e migliorando la resa ai bassi.

8.4 - Gli altri grafici

Per quanto riguarda gli altri grafici è interessante osservare quello relativo al consumo, dove il flesso a 2200 giri al minuto del diesel puro, nella curva della miscela al 10% si sposta in avanti e sale leggermente, mentre cala per le altre due, rimanendo avanzato per T40 e riavvicinandosi per T60 (figura 8.8).

Al disotto dei 2000 giri al minuto T60 evidenzia un consumo di poco maggiore del diesel puro (a parte il dato relativo ai 1500 giri), ma nel tratto successivo (sopra i 2000 giri) il consumo è decisamente a suo vantaggio.

Vale la pena notare l’interessante andamento di T40 al disotto dei 2100 giri al minuto (vedi capitolo 10).

Figura 8.8: grafico del consumo.

Per i grafici di coppia e potenza (figure 8.9 e 8.10) è corretto registrare che le curve relative alla miscela al 10% sono in certi tratti le più alte, con T60 che rimane loro vicina fino a 2000 giri al minuto (sopravanzandole tra 1400 e 1700) per poi allontanarsi peggiorando anche rispetto a T40.

La miscela al 10% ha però una curva di coppia più irregolare ai bassi, e una potenza massima inferiore.