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Politecnico di Torino
Corso di La urea Magistrale in Ingegneria Mecca nica A.a.
2021/2022
Sessione di La urea luglio 2022
Analisi sperimentale della combustione e delle emissioni inquinanti in un motore diesel light duty Euro 6, alimentato con
gasolio convenzionale e HVO
Relatori: Candidato:
Prof. Stefano D’Ambrosio Ing. Andrea Manelli Ing. Alessandro Mancarella
Silvia Montagna
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Ringraziamenti
Ringrazio il prof. D’Ambro sio, Andrea e Alessandro per la disponi bilità e l’attenzione con cui mi hanno seguito in questi mesi .
Ringrazio la mia fa miglia per l’opportunità e il sostegno che mi ha dato nel seguire questa strada.
Ringrazio i miei ami ci per aver mi acco mpagnato in questi anni ed essermi stati vi cini in ogni momento .
Si ringrazia AVL per l’utilizzo di CAME O e C ONC ERT O 5 all ’interno del Programma di Colla borazione Uni versitario.
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Abstract
This t hesi s work is t he result of an ei ght -month experien ce at t he dynami c test ben ch of the Polite cni co di Torino.
The acti vities undertaken were aimed at inve stigating the potential benefits of HV O as an alternative fuel to traditional diesel, and w hi ch con cern bot h t he fact that it is non -fo ssil fuel, w hi ch can be o btained from organi c waste material, and its a bility to redu ce emissi ons of t he main pollutant spe cie s, t hanks to its che mi cal properties.
The work is divided i nto se veral parts. T he first completes a previ ous co mparison between diesel and HV O, performed on five en igne operating points, t hat are representati ve of t he engine ’s application to a lig ht-duty commer cial ve hicle along t he referen ce ho molo gation cy cle (W LTC).
Preliminary tests were carried out on the se points, ma intaining t he original EC U cal ibration, and co mparing t he pollutant emi ssion s.
Subse quently, DoE test plans were set up and tested on three of the se points t hroug h M ATL AB's MBC Model tool box, usin g t he most important E CU cali bration parameters as inputs, in order to generate models of the outputs (p ollutant emi ssion s, fuel consu mption) a s functions of t he input para meters. The ai m was to o btain an opti mal calibration for each fuel t hat mini mised on e spe cific output at a time, and to compare the two fuels using the se cali brations.
In the se cond part , t he co mparison wa s performed using t he or iginal ECU cali bration, taken as a referen ce ba seline, on two full load point s, with t he rotational speed and pedal per centage (100%) set by t he testbench control s ystem, leav ing tor que as a free parameter
Finally, the la st part of the a ctivity con cerns a co mparison between diesel and HVO during PCC I co mbustion, on a low -load en gine
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operating point. T he aim i s t o verif y w het her HV O, t hanks to its properties, is a ble to exploit t he potential of thi s type of low - temperature co mbustion, w hile also reducing its disadvantage s, i.e.
the in crease in pollutant spe cies resulting fro m t he inco mplete fuel oxidation (unburnt hydro car bons and carbon monoxide).
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Abstract
Questo la voro di te si è il risultato di un’e sperienza di 8 mes i pres so il banco prov a dina mico del Politecni co di Tor ino.
Le diver se attività intraprese hanno a vuto lo s copo di indagare i potenziali benefi ci dell’HV O come combusti bile alternativo al gasol io tradizionale, e che riguardano sia il fatto che si tratta di un co mbusti bile di origine non fos sile, che può e ssere ri ca vato da materiale organi co di s carto, sia la sua capa cità di ridurre le emissi oni delle principali spe cie di inquinanti, grazie alle sue caratteristi che chimi che.
L’attività sv olta si div ide in più parti. La pri ma va a co mpletare un lavoro di confronto t ra diesel e HV O pre cedentemente iniziato, che considera cinque punti di funzionamento sul piano motore, ritenuti rappresentativi delle applicazioni previste per un veicolo lig ht duty sul corri spondente ci clo o molog ativo (WLTC).
Su questi punti son o stati e ffettuati dei test preliminari, mantenendo la calibraz ione originale della centralina, e confrontando le emi ssi oni . In seguito, si è utilizzata la te cnica del Do E su tre di que sti punti, preparando i test tra mite l’M BC Model tool box di MAT LAB, per ottenere dei modelli che correlassero i principali para metri di centralina in input agli output ottenuti in termini di e miss ioni. Lo scopo era ottenere una cali brazione otti male che minimizzasse uno specifi co output per volta, e di effettuare il confronto tra i du e co mbusti bili utilizzando queste cali brazioni.
La se conda parte prosegue il confronto utilizzando la calibraz ione originaria della centralina, presa co me baseline di riferimento, su due punti di full load, in cui sono stati i mposti dal si stema di contro llo del banco la velocità di rotazione e la percentuale di pedale (100%), lasciando come parametro libero la coppia.
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Infine, l’ultima parte dell’atti vità riguarda un confronto tra die sel e HVO nell’a mbito della co mbusti one PCC I, su un punto di funzionamento del motore a ba sso cari co. Lo s copo è verifi care se l’HV O, grazie alle sue proprietà, è in grado di sfruttare le potenzialità di questo tipo di co mbustione a bas sa temperatura, riducendone an che gli svantaggi, ovver o l’au mento delle emis sioni di spe cie in quinanti che deri vano dalla incompleta os sidazione del combusti bile (idrocarburi incombusti e monos sido di carboni o).
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Indice
1. Setup speriment ale della cella di namica ... .. 20
1.1. Il mo tore ... 20
1.2 F reno d inamo met rico (AV L APA 10 0) ... 22
1.3 S tru menta zio ne de l mo tor e ... 23
1 .3 .1 S en so ri di pr es s io n e ... ... ... 2 3 1 .3 .2 A m p li fi cat or e e l ettr o ni co ... ... ...2 7 1 .3 .3 S en so ri di t e m p er atu ra ... ... ...2 8 1 .3 .4 A lt ri s e ns o ri ... ... ... 3 0 1 .3 .5 S ch e m a g en e ra l e d e i s en so r i ... ... 3 5 1 .3 .5 S i st e m i di raf fr e d da m e nto e att ua to ri ... ...3 8 1 .3 .6 S i st e m i di po st tr atta m e nt o ... ... 4 4 1 .3 .7 A n al iz z ato ri di in qu i na nt i ... ... ...4 7 2. So ftware ... ... ... 63
2.2 AVL PUMA ... 63
2.3 AVL CONCERTO ... 65
2.4 Ind iCom ... 66
2.5 INCA ... 67
2.6 CAMEO ... 68
3. Combust ione nei motori Die sel ... ... 69
3.1 Gene ralità ... 69
3.2 Pr oce sso d i co mbustione ... 70
3 .2 .1 F a si d e l la c o mb us ti on e : a na l is i d e ll’ HR R ... ...7 1 3 .2 .2 M o d e ll o d i co m b ust i on e e an a li si d el l o sp ra y ... ...7 2 4. Emis sioni di in quinanti ne i motor i a d accen sione per compres sione 77 4.2 Meccan ismi di for maz ione deg li o ss id i di azot o ... 79
4.3 Meccan ismi di for maz ione de l mono ssido di ca rbon io ... 81
4.4 Meccan ismi di for maz ione deg li idroca rbur i inc omb ust i ... 82
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4 .4 .1 H C ch e s i f or m an o du ra nt e il r ita rd o di acc e ns i on e : o v e rl e an m i xtu r e e o vv e rr ic h m ix tu r e ... ... ... 8 3 4 .4 .2 H C c h e si f o rm a no d o po il r it ar do di a cc en s io n e ... ...8 4
4.5 Meccan ismi di for maz ione de l part ico lato (PM) ... 87
5. Introdu zione al l’HVO ... ... 92
5.1 Cara tte rist iche gene ra li d ell’HVO in conf ront o ai FAME ... 93
5.2 Pr oce sso d i p rodu zione de ll’HVO ... 96
5.3 Cara tte rist iche ch im iche de ll’ HVO e in flu enza su lla comb u st ione ... 98
5.4 S cenar io a ttua le: d iffu sio ne e produ z ione d ell’HVO ... 100
5.5 Co st i ... 101
5.6 Po ten zia lità d ell’ut ilizzo d i HVO n ei ve ico li in so stituz ione a l gaso lio tradiz iona le ... 102
6. Confr onto tra ottimiz zaz ioni die sel -HVO ... .. 103
6.1 In trodu z ione ... 103
6.2 Pr ove pre liminar i ... 105
6.3 DoE ... 107
6.4 Esecuz ion e de i te st ... 109
6.5 Cr eaz ione de i mode lli ... 110
6 .5 .1 In d ica to ri s tat is tic i e fu nz i on i p e r l a v al uta z io n e d e l m o d el l o ... 1 1 0 6 .5 .2 G en e ra zi o n e d el l e ca l ib ra z io ni ... ... 1 1 5 6 .5 .3 V al ut az io n e d e l l e c a li br az i on i ... ... 1 1 5 6.6. Con fro nto d ie se l-HVO tra punt i ott im iz zat i ... 117
6 .6 .1 O v e r vi e w d e i r is u ltat i ot t en ut i ... ... 1 1 7 6 .6 .2 D ist ri b uz i on e d e l P M in n u m er o in ma ss a s u i pu nt i ott i mi zz at i m in i m o N O x ... ... ... ... 1 2 3 6.7 Con fron to t ra ott im iz zaz ion i d iv er se ... 124 6 .7 .1 Ot ti m i zz az i on e mi n i mo CO , pu nt o 1 2 5 0 x 2 ... ... 1 2 5 6 .7 .2 Ot ti m i zz az i on i m i ni m o b sfc, so ot e CN, pu nt o 2 0 0 0 x 9 ... 1 2 6 6 .7 .3 Ot ti m i zz az i on i m i ni m o b sfc e s oot , pu nt o 2 2 5 0 x 1 5 ... 1 2 9
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6.8 Con fron to d iesel -HVO a fu ll load ... 131
7. An alis i nume rica e sperimenta le d ella combusti one PCCI con HVO 134
7.2 In trodu z ione ... 134
7.3 Risu ltat i sper im enta li ... 135
8. Conclusioni ... ... ... 163
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Elenco delle figure
Figure 1: motore F1A ...21
Figure 2: freno dina mo metrico AVL AP A 100 ...22
Figure 3: sen sore di pressi one Ki stler 4007C ...24
Figure 4: sen sore Ki stler 409B ...25
Figure 5: s chema di montaggi o del K istler 409B ...25
Figure 6: sen sore di pressi one piezoelettri co, Ki stler 6058° ...26
Figure 7: AVL micro IF EM ...27
Figure 8: s chema circuitale di una ter mocoppia ...28
Figure 9: termo coppia di tipo K ...29
Figure 10: termi store PT100 ...29
Figure 11: po siziona mento dei sen sori per la misura della temperatura del cilindro ...30
Figure 12: sonda La mbda U EG O ...30
Figure 13 : si stema per la mi sura del segnale in corrente dell'iniettore, Tektronix TCPA300 ...31
Figure 14: sens ore Pi coTurn per la velocità del turbo ...32
Figure 15: AVL Flow sonix Air ...33
Figure 16: AVL Blow -by meter ...34
Figure 17: AVL KM A4000 ...35
Figure 18: s chema del motore e dei sensori presenti ...36
Figure 19: si stema di raffreddamento motore CoolCo ...38
Figure 20: interco oler ...39
Figure 21: val vola a tre v ie all'aspirazi one ...42
Figure 22: s chema generale dei circuiti di E G R ...42
Figure 23: s che ma che e videnzia il cir cuito di HP EG R (a sini stra) ed LP EG R (a destra) ...43
Figure 24: s chema di una tur bina a geo metria varia bile in due condizioni diver se di funziona mento ...44
Figure 25: DPF dell'F1A ...44
Figure 26: AVL AMA i60 e mis sion ben ch ...48
Figure 27: analizzatore FID ...50
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Figure 28: analizzatore NDI R ...52
Figure 29: analizzatore C LD ...53
Figure 30: s chema di un analizzatore para magnetico ...54
Figure 31: AVL s moke meter 425S, vi sta esterna ed interna ...57
Figure 32: AVL particle counter ...58
Figure 33: sche ma del siste ma ottico di conteggi o del Parti cle Counter ...59
Figure 34: s chema di fun ziona mento dell'E LPI + ...60
Figure 35: E LPI+ : PC integrato, charger e impattori ...60
Figure 36: princip io di funzionamento degli i mpattori ...61
Figure 37: diluitore dell'E LPI+ ...62
Figure 38 : e sempio di s chermata con la di stribuzione del nu mero di particelle vi sualizzabile sullo s chermo dell'EL PI+ ...62
Figure 39: AVL PU MA, s chermata principale sul pri mo desktop ...64
Figure 40: AVL PU MA, s chermata principale sul secondo desktop ...65
Figure 41: CONCE RT O, e sempi o di s cher mata ...66
Figure 42: AVL IndiCo m, ese mpio di s chermata ...67
Figure 43: I NCA, s chermata principale ...68
Figure 44: C AME O, e sempi o di s chermata ...68
Figure 45 : sche ma delle interazioni del getto con le forze aerodinami che ...70
Figure 46: andamento della co mbustione in un motore diesel ...71
Figure 47: ese mpio di motore ad acces so ottico ...73
Figure 48: sche ma della co mposi zione del penna cchi o di co mbu stione ...73
Figure 49 : andamento del rilas cio ter mi co rispetto al profilo di alzata dell'iniettore ...74
Figure 50: s che ma delle temperature sul pennacchio di co mbu stione ...75
Figure 51 : s che ma della formazi one degli in quinanti nel pennacchio di co mbustione ...78
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Figure 52: Rap presentazione s chemati ca dei me ccani smi di formaz ione
degli HC durante le diver se fas i della co mbustione ...85
Figure 53: compo sizione del PM in ba se al cari co motore ...87
Figure 54: distri buzione bi modale ...89
Figure 55: s chema del meccani smo di for mazione del s oot ...91
Figure 56: sche ma ria ssuntivo dei feedstock e dei pr oce ssi produttivi dei bio co mbustibili ...94
Figure 57 : confronto tra le proprietà fisi co -chi mi che di FAME ( RM E), HVO e gasolio tradizionale ...95
Figure 58: schema del pro cesso di produzione di biodiesel e HVO ....96
Figure 59 : rappresentazi one sche matica delle reazioni chi mi che principali del pr oce sso di produzione dell'HV O ...97
Figure 60: rappresentazione della struttura chimi ca dell'HVO durante il suo pro ce sso produttivo ...98
Figure 61 : cres cita della capacità produttiva dei bi oco mbustibili, previsioni per il 2022 ... 100
Figure 62: Proprietà di HVO e Die sel EN590 ... 104
Figure 63: Punti di funzionamento considerati nell ’attività preli minare ... 104
Figure 64: Rappresentazi one s chemati ca dei polino mi del secondo ordine usati per le otti mizzazioni ... 110
Figure 65: procedi mento per la valutazione di un modello ... 112
Figure 66: ese mpio di appli cazione della stepwise regress ion ... 114
Figure 67: ese mpio di trasfor mazione Box -Cox ... 114
Figure 68: ese mpio di calibraz ione generata da C AG E ... 115
Figure 69: 1250 x 2, ottimizzazi oni mini mo NOx ... 118
Figure 70: 2000 x 9, ottimizzazi oni mini mo NOx ... 119
Figure 71: 2250 x 15, otti mizzazion i mini mo NOx ... 119
Figure 72: La mbda sweep sul punto ottimizzato 1250x2 ... 121
Figure 73: La mbda sweep sul punto ottimizzato 2000x9 ... 122
Figure 74: La mbda sweep sul punto ottimizzato 2250x15 ... 122
Figure 75: misura con l' ELP I sul punto 1250x36 ... 123
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Figure 76: misura con l' ELP I sul punto 2250x36 ... 124 Figure 77: e mi ssioni inquinanti di diesel e HV O, ottimizzaz i one min CO, punto 1250x2 ... 125 Figure 78: e mi ssioni inquinanti di diesel e HV O, ottimizzaz ione min soot, punto 2000x9 ... 126 Figure 79: e mi ssioni inquinanti di diesel e HV O, ottimizzaz ione min bsf c, punto 2000x9 ... 127 Figure 80: e mi ssioni inquinanti di diesel e HV O, ottimizzaz ione min CN, punto 2000x9 ... 127 Figure 81: emissi oni in quinanti di diesel e HVO, otti mizzazione .... 129 Figure 82: e mi ssioni inquinanti di diesel e HV O, ottimizzaz ione min soot, punto 2250x15 ... 130 Figure 83 (a) e (b) : emissi oni in quinanti di diesel e HVO, punti full load a 1500 e 2000 rp m ... 133 Figure 84 : segnali dell’in iettore, HRR e tracce di pres sione per ca so baseline (in blu), ca so S OI =6 °CAbTDC (in ross o), e ca so SOI=30
°CAbTDC (in nero) ... 139 Figure 85: tracce di pres sione e HRR per i due tipi di EG R, con SOI =30°CAbTDC, diesel ... 142 Figure 86: bari centro della combustione (a) e temperatura all’aspirazione ( b) rappresentate in funzione delle emissi oni specifi che ... 144 Figure 87 : tracce di pre ssione e HRR per diversi gradi di EG R considerando S OI pari a (a) 6 °C A bTDC, (b) 20 °C A bTDC e ( c) 30 °C A bTDC, diesel ... 147 Figure 88: e mis sioni spe cifiche di CO (a), HC ( b), CO2 (c), consu mo di co mbusti bile (d) e CN (e) rappresentate in dunzione dei bs NOx, per entrambi tipi di EG R e di versi SOI, die sel ... 148 Figure 89: tracce di pres sione e HRR per i due tipi di EG R, con SOI =30°CAbTDC, HV O ... 149 Figure 90: tracce di pres sione e profili di HRR per die sel (linea nera continua) e HV O (linea blu tratteggiata), con SOI=30°CAbTDC ... 150
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Figure 91 : tracce di pre ssione e HRR per diversi gradi di EG R considerando S OI pari a (a) 6 °C A bTDC, (b) 20 °C A bTDC e ( c) 30 °C A bTDC, HV O ... 152 Figure 92: ignition delay per LTHR and HT HR ... 154 Figure 93: PFP (a), baricentro della combustione (b) e temperatura all’aspirazione (c) rappresentate in funzione delle emissi oni specifi che di N Ox, per entra mbi i co mbustibili e per di versi SOI, s olo con EG R HP ... 156 Figure 94: e mis sioni spe cifiche di CO (a), HC ( b), CO2 (c), consu mo di co mbusti bile (d) e CN(e), rappresentate in funzione di bsN Ox per entrambi i co mbustibili e per diver si ti ming di iniezi one, con il s olo HP EG R... 158 Figure 95: bsSo ot in funzione di bsN Ox per entrambi i co mbustibili e per diversi timing di iniezione, con sol o HP EG R ... 160
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Elenco delle Tabelle
Table 1 : caratteristiche del motore F1A ...21
Table 2 : spe cifi che te cniche del freno dina mo metrico ...22
Table 3 : dati del Kistler 4007C ...24
Table 4 : spe cifi che del Ki stler 4007C ...25
Table 5 : spe cifi che del Ki stler 6058A ...27
Table 6 : spe cifi che dell' AVL KM A4000 ...35
Table 7 : sen sori presenti sul motore ...37
Table 8 : te cniche di misura de gli analizzatori ...48
Table 9: cali brazioni di centralina ottimizzate per mini mi N Ox, del punto 1250x2 ... 117
Table 10: variazioni percentuali delle e mis sioni in quinanti dell’HV O rispetto al diesel per i tre punti otti mizzati ... 118
Table 11: 1250 x 2, cali brazione punto otti mizzato ... 118
Table 12: 2000 x 9, cali brazione ottimi zzazioni mini mo N Ox ... 119
Table 13: 225 0 x 15, cali brazione ottimizza zioni mini mo N Ox ... 119
Table 14 : cali brazione centralina per diesel e HV O, otti mizzazione min CO, punto 1250x2 ... 125
Table 15 : cali brazione centralina per diesel e HV O, otti mizzazione min soot, punto 2000x9 ... 126
Table 16 : cali brazione centralina per diesel e HV O, otti mizzazione min bsf c, punto 2000x9 ... 127
Table 17 : cali brazione centralina per diesel e HV O, otti mizzazione min CN, punto 2000x9 ... 128
Table 18 : . calibrazi one centralina per diesel e HV O, ottimizzaz ione min bsf c, punto 2250x15 ... 129
Table 19 : cali brazione centralina per diesel e HV O, otti mizzazione min soot, punto 2250x15 ... 130
Table 20: calibrazi one centralina per die sel e HV O a full load ... 131
Table 21 : : sinte si delle varia b ili di centralina considerate durante le prove ... 136
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Table 22: cali brazione della centralina per i punti mo strati in figura 84 ... 138 Table 23: cali brazione di centralina per i due punti rappresentati in fig. 85 ... 142 Table 24: calibraz ione della centralina per il punto rappresentato in figura 90 ... 150 Table 25: ignition delay s di die sel a HV O a S OI =30°CAbTDC, considerando solo E GR HP ... 153 Table 26: calibraz ione della centralina per il punto rappresentato in figura 90, per entrambi i co mbu stibili ... 160 Table 27 : confronto tra die sel e HVO per il punto indi cato nelle figure [93] con il simbolo vuoto ... 161
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Acronimi
bsf c brake specifi c fuel con sumption C N combusti on noi se
Do E design of experiment dof degrees of freedom DT dwell time
E G R exhaust gas re cir culated F SN filter smoke nu mber HC unburned hydro carbon s
M FB50 crank angle w here t he 50% of in je cted fuel is burned N Ox ossidi di a zoto
NTC negative temperature coeffi cient HRR Heat release rate
LT HR Low temperature heat release HTHR High te mperature heat release
PCC I premixed co mbu stion co mpressi on igniti on CDC conventional die sel co mbu stion
SC R selective catalyti c redu ction HVO hydrotreated vegetable oil F AM E Fatty acid met hile e sters SMD sauter mean diameter PM particulate matter S OI start of in jection S OC start of co mbustion LD light-duty
HD heav y-duty
E G R exhaust gas re cir culation HP EGR hi gh -pres sure E GR L P EGR low -pres sure E GR ATS after-treatment syste m
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1. Setup sperimentale della cella dinamica
Le prove speri mentali des critte in questo la voro s ono state effettuate presso il ban co prova dina mico del P olitecni co di Torino (IC E Advan ced La boratory). Il banco pro va è dotato di un freno dinamometri co in grado di funzionare s ia co me freno, cioè in grado di riprodurre una coppia resistente, sia co me motore elettri co, in grado di trascinare il motor e al quale è conne sso.
Il vantag gio che si ha dall ’utilizzo di tale apparato è la p ossi bilità di effettuare test sperimentali in condizioni dinami che. Le pro ve effettuabili in cella dina mica con sentono di i mporre dei punti operativi al motore, e di misurare le e mis sioni inquinanti allo s carico.
Al fine di monitorare le condizioni operative del motore e di rica vare i dati speri mentali ne ces sari, son o presenti diversi tipi di sen sori, tra cui trasduttori di pressi one, ter mocoppie e mi suratori di p ortata.
1.1. Il motore
Il motore su cui s ono state effettuate le prove speri mentali è il motore F1A realizzato da F PT Industrial. Si tratta di un motore die sel conforme alla n ormati va Euro 6, caratterizzato da 4 cilindri in linea, da 2,3 litri. Le caratteristiche prin ci pali del motore s ono riportate nella tabella sottostante:
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Tab l e 1 : c ar a tt er is ti ch e d el m ot or e F1 A
Il motore è sovrali mentato tramite una turbina a geo metria varia bile (VGT) e l’aria compre ssa è raffreddata tramite un intercooler costituito da uno s cambiatore ar ia -a cqua. È presente un si stema di ricircolo dei ga s co mbusti (EG R) di tipo dual loop, o vvero costituito da HP EG R e LP EG R. Il siste ma di ri circolo dei ga s co mbusti in clude un EG R cooler ; è inoltre presente un flap tra aspirazione e s cari co che offre la po ssi bilità di in crementare ulteriormente la per centuale di EG R.
Figu r e 1 : m o tor e F1 A
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1.2 Freno dinamometrico (AVL APA 100)
Il freno dina mometri co è una ma cchina re versi bile in grado di la vorare co me motore o co me ma cchina elettrica . Quello pre sente in laboratorio è un freno AVL AP A 100 , con un doppio output che con sent e di collegarlo a due di versi propulsori ( ma non contemporanea mente), tramite un giunto che si connette al v olano del motore in u so.
Le caratteristi che principali del freno dina mo met rico sono ria ssunte nella tabella sottostante.
Dati Valore
Massima velocità di
rotazione 12000 rpm
Coppia massima 525 Nm
Potenza massima 200 kW
Massimo momento di inerzia 0.32 kg ∗ m
2Tab l e 2 : sp eci fi ch e te cn i ch e d el fr en o d in am om etr ic o Figu r e 2 : fr en o d in am om e tr ic o AV L AP A 1 0 0
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1.3 Strumentazione del motore
Il propulsore è controllato da una centralina (E CU) in grad o di monitorare e i mporre i principali para metri di funziona mento. Oltre ai sensori già presenti, è stato dotato di ulteriori sens ori in modo da permettere di rilevare diversi para metri. I prin cipali sens ori presenti sono sen sori di pressi one, di te mperatur e, sens ori che rilevan o la portata di olio, di ga s di s carico, di combusti bile e di blow -by.
Prima di de scri vere in modo più spe cifico quali sensori sono installati sul motore, si des criveranno nei paragrafi seguenti le prin cipali tipologie di sensori i mp iegati e il lor o prin cipio di funziona mento.
1.3.1 Sensori di pressione
Sensore di pressione sul collettore di aspirazione
Il sen sore, in figura [3] , è di tipo piez oresisti vo . Si tratta del 4007C prodotto da Ki stler. Ha dimen sioni ridotte , che ne con se ntono l’impieg o in spazi di montaggio li mitati e può e ssere utilizzato in modo continuo in condizioni di alta te mperatura, fino a 200°C .
È basato su un ponte di W heatstone in grado di generare un segnale elettrico proporzionale alla pres sione .
Tale sensore ha il vantaggi o di mini mizzare l ’isteresi e la ripeti bilità degli errori. Le pi ccole di mensioni a ccoppiate ad una rapida risp osta dinamica consentono mi sure di pre ssione preci se e n on repli cabili da altri sensori.
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Figu r e 3 : s en s or e d i p r es sion e K istl er 4 0 0 7 C
Characteristics Valore
Range di misura 0 – 250 bar
Overload 400 bar
Temperature di funzionamento -40 – 200 °C
Tab l e 3 : d a ti d el Kis tl er 4 0 0 7 C
Sensore di pressione sul collettore di scarico
Al collettore di s carico , data l’ele vata te mperatura del ga s a cui è esposto (500°C) , si utilizza un sens ore di press ione as soluto, piezoresistiv o, raffreddato ad acqua. Questo sensore è prodotto da Kistler e deno minato 4049B. Il sen sore può essere installato direttamente nella porta di misura con il suo ri vesti mento che funziona co me protezi one dal calore.
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Figu r e 4 : s en s or e Kis tl er 4 0 9 B
Figu r e 5 : s ch em a d i m on ta g gio d el Ki stl er 4 0 9 B
Caratteristiche
ValoreRange di misura
0 – 10 barOverload
25 barTemperature di funzionamento
0 – 1100 °CTab l e 4 : sp eci fi ch e d el K istl er 4 0 0 7 C
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Sensore di pressione in camera
In ca mera di co mbu stione è montato un sen sore Kistler 6058 °, dotato di un adattatore che ne consente il montaggio al posto della candeletta di preaccensi one, e vitando di do ver creare apposita mente un foro aggiuntivo. Que sto è possi bile grazie al fatto che, se il motore non de ve essere av viato a te mperature rigide, si può evitare l ’uso di candelette.
È i mportante che l’adattatore in cui è montato il sen sore abbia un diametro adeguato, per non influenzare i ri sultati di mi sura. Inoltre, per evitare errori sulla mi sura della pre ssione massi ma in ca mera, che potrebbero es sere generati da os cillazioni di pre ssione ad elevata frequenza pro vocati dall ’innes co della co mbustione, il sens ore de ve essere montato in profondità all ’interno dell’adatta tore.
Figu r e 6 : s en s or e d i p r es sion e p i ez o el e ttr i co , Kis tl er 6 0 5 8 °
La sens ibilità di questo sen sore è molto sta bile an che al variare della temperatura, e presenta bass i errori d ovuti alle variazioni di temperatura.
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Caratteristiche
ValoreRange di misura
0 – 250 barOverload
300 barTemperature di funzionamento
-50 – 400 °CTab l e 5 : sp eci fi ch e d el K istl er 6 0 5 8 A
1.3.2 Amplificatore elettronico
L’uso dei trasduttori di pressi one p iezoresi stivi si a sso cia al l ’impie go di un si stema elettronico per poter gestire i diver si segnali pro venienti dai sensori. In cella dina mica è si utilizza un amplifi catore elettroni co del segnale di tipo AV L Mi croI FEM. È un amplifi catore piezoelettrico a 4 canali, per l’anali si su ban co pro va motore delle pression i di co mbustione con pre cisi one elevata.
Il si stema di a cqui sizione dei se gnali ad alta frequenza è gestito dal software AV L Indi Com, interfacciato ad AV L P UM A, per permettere sia l’analisi in tempo reale dei se gnali stessi , che la memor izzazione dei dati. I segnali a cqui siti in alta frequenza veng ono p oi ela borati con specifi ci codi ci di cal colo diagnosti ci. Il segnale di pressi one è an che utilizzato per cal col are il rumore di combustione (C N) grazie ad un algoritmo imple mentato su AVL Indi com.
Figu r e 7 : AV L m icr oI FEM
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1.3.3 Sensori di temperatura Termocoppie
Vengono utilizzate delle ter mocoppie per l’a cquisizi one del se gnale di temperatura. Tali sensori sono costituiti da due ca vi di materiale differente saldati ad una estremità, in modo da for mare una g iunzione.
Si creano quindi due giunzioni : una sulla quale si misura la temperatura; l’altra, a 0°C, oppure ad una temperatura di rife ri mento.
Una variazi one di te mperatura sulla giunzione di misura genera una tensione, che viene rile vata tra mite un voltmetro . Al val ore di tens ione letto dal volt metro corri sponde un valore di temperatura se condo la scala dello strumento . In Figura [8] è mo strato uno sche ma d el cir cuito di una termo coppia.
Figu r e 8 : s ch em a cir cu i tal e d i u n a ter m oc op p i a
Si hann o divers i tipi di ter mo coppie (J,T,N, E,B, R,S) che differis cono in base al materiale dei conduttori, al range di te mperat ura mi surabile e dunque al campo di impieg o.
Solitamente le termocoppie impie gate sono di tipo K, in grado di misurare fino a 1260°C in un a mbiente po co o per nulla os sidante. S ono montate in posizione di mi sura tramite giunti a co mpres sione.
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Figu r e 9 : t er m o cop p i a d i tip o K
Termistori
Questa tipologia di sensori è basata su materiali se mi conduttori, la cui resistività è in versamente proporzi onale alla te mperatura. La resistività viene mi surata attraverso un ponte di W heatstone, e viene tradotta in un valore di temperatu ra. Nel caso in esa me, sono stati utilizzati dei termistori di tipo PT100 per monitorare la temperatura di motore, E GR e a cqua di raffreddamento.
Figu r e 1 0 : t er m is tor e P T1 0 0
Un ese mpio di appli cazione è quello rappresentato dalle ter mo coppie che monitorano la temperatura sulla testa del cil indro, in tre diver si punti.
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Figu r e 1 1 : p o siz ion am en to d ei s en s or i p er l a m isu r a d el l a tem p er a tu r a d el c il in d r o
1.3.4 Altri sensori Sonda lambda
Il condotto di s carico è equipagg iato con una sonda lambda UE GO, per misurare la concentrazione di o ssi geno.
Figu r e 1 2 : s on d a Lam b d a U EGO
Oltre alla sonda lambda nel condotto di scari co, s ono pre senti an che delle sonde la mbda nel condotto di aspirazi one e dopo l ’interco oler.
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Pinza amperometrica
Per misurare il segnale di corrente che corri sponde all’apertura degli iniettori, viene utilizzato il sistema Tektronix TCP A300. Questo sistema si co mpone di un amplifi catore e di una s onda di mi sura in corrente. Tramite il software IndiC om è p ossi bile vedere a s chermo il segnale rilevato dalla pinza.
Figu r e 1 3 : si st em a p er l a m i su r a d el s egn al e in c or r en te d el l ' in ie tt or e , Te ktr on ix TCP A3 0 0
Sensore di velocità del turbocompressore
Come de scritto pre cedentemente, il motore presenta un gruppo di sovrali mentazione a geo metria variabile, in cui l’angol o di calettamento delle pale nel distributore della turbina è controllato dalla ECU. Un sen sore den ominato Pi co -Turn monitora la vel ocità di rotazione del gruppo , cosa che serve a con os cere il livell o di boost con cui lav ora il motore. .
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Figu r e 1 4 : s en s or e P ic oTu r n p er l a v el oci tà d el tu r b o
Encoder
È presente un en coder, che rileva la posizione angolare dell’al bero a gomiti e la sua velocità di rotazi one. Questo encoder è montato su un supporto esterno al bl occo motore.
Misuratore portata aspirata
La portata di aria aspirata è misurata da un flus simetro. Questo strumento invia l ’infor mazione sulla portata asp irata all’EC U, che a sua v olta manda un se gnale al si stema di iniezione, in modo da adeguare i parametri alla effettiva quantità di aria aspirata (naturalmente questa è la logi ca di contro llo pre sente nella centralina, che non su ssiste quando si i mpongono a ban co le quantità iniettate ).
Il sensore utilizzato è quello a filo caldo, che imp iega una membrana che deve essere mantenuta a 120°C. L’aria aspirata ha un effetto di raffreddamento sul la me mbrana, perciò in base alla corrente che è necessari o ass orbire per mantenere stabile la te mperatura della membrana, è po ssi bile deter minare la portata aspirata. Il sen sore misura la portata in ma ssa, quindi la misura n on è condizionata da cambia menti di temperatura e pre ssione.
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Figu r e 1 5 : AV L Fl ow son ix A ir
Misuratore portata di blow -by
La portata di blow -by è quella portata di gas co mbusti che va dalla camera di co mbu stione al carter, e che deriva dalle fughe attraver so gli anelli di tenuta e gli interstiz i tra pistone e cilindro. I gas presenti nel carter pos sono diluire l ’olio lubrifi cante, e questo può a vere conseguenze negati ve sulla durata dei co mponenti. Dato che non sarebbe a ccettabile e mettere i gas co mbu sti do vuti alle fug he direttamente nell’a mbiente, questi vengon o ria spirati in modo da essere reintrodotti nei cilindri. Pri ma di fare questo, pas sano attraverso dei separatori, che l i depurano dall’oli o lubrifi cante con cui potrebbero es sersi mi scelati.
Per misurare la portata di questi ga s si utilizza l’AVL blow -by meter, basato sull ’effetto Venturi , per cui fa cendo passare i ga s attraverso un tubicino di misura s i ottiene il valore della differenza di press ione e, conseguente mente, della porta ta.
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Figu r e 1 6 : AV L Bl o w-b y m e ter
Misuratore portata di combustibile
La portata di co mbustibile viene mi surata attraverso un si stema di misura denominato AV L K MA 4000. Il co mbustibile è asp irato da un serbatoio tramite una pompa quando sul software P UM A si i mposta la modalità “Manual”. Il co mbustibile prele vato viene fatto transitare attraverso un siste ma che rileva l ’eventuale presenza di bolle, la segnala e ri chiede all ’operatore l ’intervento sul pulsante che aziona la rimozione delle bolle. Succe ssiva mente, il co mbustibile pas sa attraverso uno s ca mbiatore di calore, un misuratore di dens ità e un misuratore per la portata volumetri ca. Que ste due mi sure con sentono di rica vare poi la portata in massa del co mbu stibile.
In us cita dal mi suratore di portata, una se conda po mpa invia il co mbusti bile al si stema di iniez ione del motore.
Caratteristiche Valore
Range di misura della portata 0.02 – 380 kg/h Range di misura della densità 0.5 – 2.0 g/cm3 Errore di misura sulla portata in volume ± 0.1 %
Errore di misura sulla densità ± 0.03 %
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Errore di misura sulla portata in massa ± 0.1 %
Tab l e 6 : sp eci fi ch e d el l ' AV L KM A4 0 0 0
Figu r e 1 7 : AV L K MA4 0 0 0
1.3.5 Schema generale dei sensori
I sens ori presenti sono distingui bili tra quelli montati direttamente sul motore e quelli in stallati in cella dinami ca connes si con il siste ma Puma di AV L. Per ogni sensore è stato as segnato un n ormna me riconos ciuto da P UM A. Si riporta di seguito uno s chema del posiziona mento dei sensori e dei misuratori di portata e la relati va tabella con i ri spettivi nor mname s e la de scriz ione dei di spositi vi stessi.
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Figu r e 1 8 : s ch em a d el m o tor e e d ei sen sor i p r es en ti
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Tab l e 7 : s en sor i p r e sen ti su l m o tor e
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1.3.5 Sistemi di raffreddamento e attuatori Sistema CoolCon motore
Il motore è installato al banco senza il gruppo di raffreddamento che sarebbe normal mente presente su vettura, di con seguenza il raffreddamento è ottenuto attraverso un sistema e sterno a cui es so è collegato. Questo s istema di raffreddamento è compo sto da un riscaldatore, da uno s ca mbiatore di calore, da una po mpa di ri circolo e da un termostat o. A differenza dello s ca mbiatore normal mente presente su un auto veicolo, che è di tipo aria -li quido, quello utilizzato in questo ca so è uno s ca mbiatore a cqua -acqua, in cui il lato freddo è costituito dall ’acqua pro veniente dall’a cquedotto.
Il li quido refrigerante in us cita dal motore entra all’interno del riscaldatore in cui viene in crementata la sua temperatura fino ad una soglia stabilita.
Succe ssi vamente viene fatto transitare all ’interno dello sca mbiatore di calore: attravers o una elettroval vola si regola la portata dell ’acqua refrigerante neces saria per portare la te mperatura del fluido al valore desiderato prima di reintrodurlo nel suo cir cuito all ’interno del motore.
Figu r e 1 9 : si st em a d i r af fr ed d am en t o m ot or e Co ol Co
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Intercooler
Il propulsore è s ovrali mentato tramite un turboco mpres sore centrifugo con turbina a geo metria varia bile. Dato che la co mpress ione dell’aria in aspirazione produce un au mento di temperatura, e quindi una conseguente di minuzione di densità, si utilizza un inter cooler che abba ssa la te mperatura dell’aria dopo la co mpress ione . Nel ca so specifi co, lo sca mbiatore utilizzato (intercooler) è di tipo aria/a cqua, e la portata di a cqua ne ces saria a mantenere la te m peratura a un valore obiettiv o è controllata da un PID che a gis ce su un’elettrovalvola.
Figu r e 2 0 : in t er co ol er
Sistema di ricircolo dei gas combusti (EGR)
Le e mis sioni di N Ox sono forte mente le gate alla temperatura raggiunta nei cilindri durante la co mbustione e alla di sponi bilità di o ssigen o. Per questo moti vo, una strategia effica ce nel ridurre que sto tipo di emiss ioni consi ste nell’utilizzare l ’EG R, un siste ma che ri cir cola ga s co mbusti all ’interno del cilindro. Gli effetti di questa strategia s ono dati da più aspetti :
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• Effetto termico: i gas ricircolati contengono CO2 e a cqua, che hanno una capacità ter mica più elevata rispetto a o ssigen o e azoto (che in ve ce son o le spe cie pre valenti quando non s i ha ricircolo di gas combust i). L ’E GR conferis ce quindi questa maggiore capa cità ter mi ca alla cari ca presente nel cilindro, riducendo la temperatura a fine combustione e mi gliorando il controllo della formazi one di N Ox
• Effetto di diluizione: introdurre gas combu sti nel cilindro peggiora l ’efficien za della co mbu stione, quindi per ottenere la stessa p me occorre iniettare una maggi ore quantità di co mbusti bile. Di conseguenza, avendo nel cil indro meno ossigeno e più co mbustibile, il rapporto in massa tra queste due quantità nella zona i n cui av viene la co mbustione si ridu ce, abba ssando quindi la temperatura di fia mma e riducendo la formazione degl i N Ox
Il motore F1 A è d otato di due cir cuiti di EG R, HP (hi gh pres sure) e L P (low pressure) che po ssono essere usati creando un blend. Il cir cuito LP non era presente in ori gine, ed è stato aggiunto in seguito.
Il cir cuito HP prele va i gas di s carico direttamente dal collettore, portandoli all’aspirazione dopo che s ono pas sati attraverso l’appo sito cooler. L ’apporto di HP EG R è controllato da una val vola che fornis ce un feedba ck sulla pos izione. Lo s vantaggio der ivante dall’uso di questo circuito di EG R sta nel fatto che i gas son o prelevati a monte della turbina, che di conseguenza genera meno coppia, riducendo la pressione di boost. Questo può portare ad avere meno mass a aspirata nel cilindro, creando mis cele pi ù ricche e aumentando la formaz ione del soot, oltre che una minore disponi bilità di o ssigeno, cosa che può impedire una adeguata o ssidazi one delle spe cie co me HC e C O. Inoltre, i gas di scari co provenienti da questo percor so danno luogo a
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sporca mento del c ooler dedicato, a causa della condensaz ione degli HC più pesanti che contengono, e che tendono a depositar si sulle pareti del cooler.
Il cir cuito LP in vece prele va i ga s di scari co all’us cita del D OC, portandoli prima ad attraversare un cooler e poi all ’i ngres so del co mpressore. L’apporto di LP EG R è re golato dall’attuatore e dal sistema di controllo dell’exhau st flap. A differenza di quanto av viene nel ca so dell’HP E GR, questi gas ri cir colati sono molto più “puliti”, e non presentano il proble ma di spor ca mento del co oler. Inoltre, i ga s provenienti dal cir cuito LP s ono più freddi, e questo riduce la capa cità di raffreddamento ri chiesta al cooler, e questo con sente di ridurne la taglia. Un altro aspetto positi vo è il fatto che questi gas veng ono introdotti nell’aria aspirata molto pri ma rispetto al cas o HP (a monte del co mpressore), e quindi si mes colano ad es sa molto meglio. Bis ogna però evitare che l’a cqua presente nei gas di s carico conden si, cosa che potrebbe danneggiare il co mpressore. Un ulteriore svan taggio sta nel fatto che per es sere ri cir colati questi ga s intraprendono un percor so più lungo, generando un pro blema di ri sposta al transitorio.
L’uso di que sti due cir cuiti di EG R combinati, se bbene renda il siste ma più comple sso da ge stire, può ridurr e gli s vantaggi che le due tipolo gie presentano prese singolar mente.
Il rapporto tra aria di aspirazione ed LP EG R è regolato tra mite una valvola a tre vie con controllo della posiz ione. Que sta valvola controlla contemporanea mente la quantità di aria e d i L P EG R in ingress o: più è aperta dal lato L P EG R, meno aria entra. Dato che il motore non può operare senza apporto di aria, alla valvola co mpletamente aperta dal lato LP EG R corrisponde co munque una certa sezione di pa ssagg io lasciata li bera per l’aria in aspirazione.
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Figu r e 2 1 : v al v ol a a tr e v i e al l ' asp ir az i on e
Figu r e 2 2 : s ch em a g en er al e d ei cir cu iti d i EG R
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Turbina a geometria variabile (VGT)
L’F1 A è un motore so vralimentato tra mite un turboco mpres sore centrifugo monostadio, azionato da una tur bina a geometria varia bile centripeta mon ostadio. Questo tipo di turbina è in grado di variare le sue caratteristi che, adeguandole al regime di rotazione del motore.
Questa confi gurazione prevede un di stributore palettato, in grado di variare l ’angolo della palettatura con un appos ito attuatore, in ba se alla velo cità del motore o al la portata in ma ssa dei gas di scar ico. Gli ugelli del distri butore vengono aperti ad alti reg imi e chiusi ai bas si , sfruttando co sì al megli o l’energia dei ga s di scar ico e ottenendo una sovrali mentazione soddisfa cente in un a mpio ca mpo di funziona mento del motore.
Figu r e 2 3 : s ch em a ch e ev id en z i a il cir cu i to d i HP EGR ( a sin i str a) ed LP EGR ( a d e str a)
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Figu r e 2 4 : s ch em a d i u n a tu r b in a a ge om etr ia v ar iab il e in d u e c on d iz io n i d iv er se d i fu n z ion am en to
La presenza della VGT influisce sulla contropressi one allo s cari co, e quindi sul tenore di EG R; pertanto, è nece ssario un coordina mento tra gli interventi di regolazione della V GT e del s istema di EG R.
1.3.6 Sistemi di post trattamento
Gli attuali motori diesel sono e quipaggiati con una serie di si stemi di post trattamento, che co mprendono DPF (per il controllo delle emiss ioni di particolato) , DOC (per il controllo di HC e CO) e un sistema per il trattamento degli os sidi di azoto, che solitamente è l’SC R. Nel caso spe cifi co, sull’F1 A presente in questo la boratorio s ono installati solo il DP F e il D OC.
Figu r e 2 5 : DP F d el l 'F1 A
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Diesel particulate Filter
Si tratta di un di spositi vo in grado di catturare le particelle di inquinanti attraverso una co mbina zione di divers i meccani smi di filtrazione (deposizione diffusa, deposizi one inerzi ale, inter cettazione delle linee di flusso). Questi dispositi vi sono molto effica ci nel li mitare le emi ssioni di parti colato solido, ma pos sono non e ssere altrettanto in grado di gestire le frazioni solu bili che co stituiscono parte del PM.
Questo tipo di filtr o utilizza dei canali alternativa mente cie chi, delimitati da pareti attraverso cui i gas di s carico sono costretti a fluire. In que sto modo a vviene una filtrazione me ccanica che intrappola nel materiale poroso del filtro le particelle di PM. I meccanis mi attraverso cui av viene questo filtraggio sono due:
• Depth filtration: le particelle entrano nel setto poroso del filtro e sono trattenute per effetto di forze di ca mpo dipendenti dalla velo cità e dai gradienti di concentrazione nel gas. Funziona con le parti celle che hann o dia metro medi o inferiore rispetto a quelle del setto p oroso
• Cake filtration: se il diametro medio dei pori è inferiore al diametro medio delle particelle, que ste ultime non ries cono a penetrare nel setto poroso del fi ltro, s i depositano sulle pareti e formano uno strato (“cake”) che, accumulando si, fa esso stess o da filtro
L’a ccu mulo di materiale all’interno del filtro incre menta progressiva mente il delta di pre ssione introdotto da questo co mponente, ed è pertanto nece ssario effettuare delle rigenerazioni periodiche che mantengano il DPF adeguatamente pulito. Il process o di rigenerazi one pro vo ca alte te mperature nel filtro una volta inne scato, bis ogna quindi fare in modo che sia fatto in modo
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abba stanza fre quente da no n prov ocare un accu mulo e cces sivo, che porterebbe poi a rag giungere temperature co sì elevate da ris chiare il danneggiamento permanente del filtro.
La rigenerazione può es sere attiva, se per effettuarla viene fornito calore, o passi va, se av viene senza l’a pporto esterno di calore (solitamente in questo ca so occorre la presenza di un agente ossidante che abbas sa la temperatura ne ces saria a inne scare questo process o). Tipi ca mente, n el caso in cui sia ne cessari o forzare una rigenerazione , la centralina attiva delle iniezioni po sticipate che innalzano le te mperature allo s cari co, ris caldando di con seguenza il DPF.
Nel cas o spe cifico di que sto motore, dato che , per non interferire con i test, si è de ciso di di sabil itare la po ssi bilità da parte della centralina di intervenire sulla strategia di inie zione per forzare la rigenerazione, si è sfruttato un punto di funziona mento in cui le condizioni di temperatura raggiunte erano tali da con sentire la rigenerazione. Per effettuare la rigenerazione, dun que, si è portato il motore sul punto 3500 rpm x 206 Nm, fa cendolo stazi onare su questo punto per il temp o nece ssario, stabilito monitorando la caduta di pres sione attraverso il filtro.
Diesel oxidation catalyst
Questo disp ositiv o di po st trattamento de ve es sere in grado d i promuovere le reazioni di os sidazione di HC e C O. Altra funzione importante del D OC negli attuali motori diesel è quella di controllare la SOF (frazione s olubile del PM), co mposta da HC con pe si mole colari elevati. In oltre, un aspetto rile vante è quello di catalizz atore ausiliar io che pro muove le prestazion i di altri tipi di catalizzatori presenti a valle, come il DP F e l ’SC R, che ri chiedono un rapporto N O2/N O ele vato.
La struttura del DOC è co mpo sta da:
• Un involucro esterno
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• Un su bstrato (può essere monolitico, in ceramica con struttura a nido d’ape, o metalli co)
• Un washcoat, solitamente in gamma -allu mina, cioè un materiale che si deposita sulle pareti formando delle adeguate cav ità poro se che e stendono note volmente la superficie di s cambio tra il cataliz zatore e i gas
• Un agente catalizzante, costituito da metalli nobili come platino e palladio, in opportune combinazioni , che si depositano nei pori e vanno a creare i siti di reazione do ve promuovono l’ossidaz ione delle specie in quinanti
1.3.7 Analizzatori di inquinanti
Al fine di valutare il comporta mento del motore e, nel ca so spe cifico, l’impatto dell ’uso di HVO co me co mbustibile, è ne ces sario misurare gli inquinanti eme ssi dal propulsore nei di versi casi . Per questo motiv o, occorre adottare un sistema di misura opportuno, che nel caso in esame è costituito dall ’ AV L AM A 600.
Nel se guente capitol o verranno de scritti i prin cipali strumenti per l’analisi delle emi ssi oni, con i ri spettivi prin cipi di funziona mento . I ga s da analizzare, contraria mente a quanto avv iene nei test di omologaz ione, sono dei gas “grezzi”, o vvero non diluiti. È fondamentale evitare che i ga s subi scano alterazioni pri ma di es sere analizzati. Inoltre, è nece ssario eliminare il vap ore a cqueo dai gas , per non danneggiare gli analizzatori che ri chiedono dei gas “as ciutti”.
Tutti gli strumenti devono e ssere cal ibrati prima dell ’uso, definendo lo zero e il fondo s cala.
Per fare questo si usano l’azoto come “re set gas” , e un gas che contiene una co mpo sizione nota della spe cie da mi surare co me valore di span.
Quando la de viazione delle concentrazion i corri spondenti a zero e span è pari a ±1% del valore dichiarato da AVL, lo stru mento si ritiene calibrato correttamente. Fuori dalla cella , in pross imità dell’ar madio
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con gli analizzat ori, sono collo cate delle bo mbole contenenti i ga s necessari alle misure.
Figu r e 2 6 : AV L A MA i6 0 em iss ion b en c h
Tab l e 8 : t ecn i ch e d i m isu r a d e gl i a n al iz z at or i
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Nel si stema di misura utilizzato sono presenti tre linee di acquisizi one.
Due linee sono dotate dei seguenti moduli :
• due analizzatori a ionizzaz ione di fia mma ris caldati HFID (Heated Flame Ionization Detector), che consenton o di misurare la con centrazione totale degli idro carburi inco mbusti (T HC) e degli idrocarburi metani ci (MHC) ;
• un analizzatore a chemilumines cenza ri scaldato HCLD (Heated Che milumines cen ce Dete ctor), per misurare la concentrazione degli ossidi di azoto N Ox;
• tre analizzatori NDI R ( Nondispersi ve Infrared Analyzer), per le con centrazioni di CO (sia alte che basse) e CO2 ;
• un analizzatore para magneti co P OD (Para magnetic Ox ygen Detector), per la mi sura della con centrazione di os sigeno
Tali linee consentono la misura s imultanea dell e e mis sioni in due punti differenti dello s cari co del motore, o vvero a monte e a valle del sistema di post trattamento dei ga s co mbusti, al fine di valutarne l’efficienza. La terza linea, inve ce, sfrutta un NDI R per la misura della CO2 nel condotto di a spira zione, per avere una valutazione mi gliore del grado di EG R utilizzato.
Il particolato è misurato attraverso un o s moke meter AVL 415S. S ono presenti inoltre un Micro So ot Sen sor AV L, un parti cle counter AV L 489, e il sistema Dekati ELP I+.
Tutti gli strumenti per la mi sura delle emis sioni in quinanti s ono controllati dal sistema di ge stione software PU MA OP EN® 1.3.2 , eccetto l’ELP I+, che utilizza un s oftware dedicato .
È inoltre pre sente una s onda la mbda NGK di tipo UE GO all ’interno della linea di scar i co.
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Misura degli HC
La misura degli idro carburi in co mbu sti è affidata ad analizzatori a ionizzazione di fiamma detti Flame I onization Detector (F ID). Es si basano il loro prin cipio di funziona mento sul fatto che una fia mma di idrogeno puro non produce i oni, al contrario di quanto inve ce av viene per una co mbu stione in cui si reg istra la presen za di idro car buri. Il FID, illustrato in figura [27], è co stituito da un bruciatore ali mentato, da un lato da aria e idrogeno, dall’altro dal gas da analizzare e da due elettrodi. La fiamma prodotta dalla combustione s i tro va all’interno di un campo elettrico generato dai due elettrodi; una volta che questa viene ali mentata con i gas da analizzare, per effetto del cra cking degli idrocarburi co involti nella combustione , si generano degli ioni che passando dall ’anodo al catodo generano una corrente elettri ca. La corrente generata è proporzionale al nu mero di ato mi di carbon io presenti nel campi one da analiz zare , ed è data da
𝐼 = 𝑟 [𝐶𝑛𝐻𝑛] 𝑄 Con:
Q: portata in volu me del ca mpione di gas che attraversa il sensore [𝐶𝑛𝐻𝑛]: con centrazione molare dell’idro carburo
r: ri sposta del FID
Figu r e 2 7 : an al iz z ator e FID
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La calibrazi one dello zero a vviene facendo pas sare aria cro matografi ca nella bocchetta di ali mentazione del ga s, mentre per quanto riguarda la cali brazione del fondo scala si i mmette una mi scela di az oto e di un idrocarburo di cui è nota la con centrazione. Per ev itare la condensazione di HC e per mantenere l’a c qua allo stato di vap ore le linee dei ga s di s carico s ono mantenute a cir ca 190 °C.
Quando il ga s da analizzare contiene o ssigen o, si può in staurare una co mpetizione tra la for mazione degli ioni nella fia mma e l’ossidaz ione degli HC del campi one di gas, co sa che attenua la risposta r del F ID.
Per ev itare questa interferenza da parte dell’ossi geno, si può usare co me co mbusti bile una mis cela di idrogeno ed elio.
Misura di CO e CO
2Per effettuare la misura delle quantità di C O e di CO2 presenti all’interno dei gas di scari co veng ono u sati analizzatori detti Non Dispersive Infrared Detector (NDI R). E ssi s i ba sano sul concetto che un gas e sposto a radiaz ione infraro ssa, ass orbe una parte di essa (s olo quella che corrisponde a una certa lunghez za d ’onda, legata a lle caratteristiche della struttura atomica del gas), ri scaldando si e incrementando di conseguenza la propria pressione. L ’analizzatore NDIR, illustrato in figura [28], è compo sto da una sorgente di infrarossi che invia il fas cio in due celle, indicate da C e D nell’immagine, separate tra loro da una me mbrana ( che co stituisce una delle due armature di un condensatore elettrico) . Interpost i, tra queste celle e la s orgente ad infraros si, ci s ono due v olumi trasparenti A e B. Mentre le celle C e D sono rie mpit e con gas uguali, nella cella B troviamo un gas trasparente all ’infraross o (az oto o aria) al contrario della cella A, detta cella ca mpione, dove veng ono fatti passare i gas di scari co. Il fas cio di infrarossi una volta che in contra i gas presenti in A cede ad essi una parte della propria energia, proporzionale alla
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con centrazione dei gas, al contrario di quanto a vviene per il fascio passante in B. Questa differenza di energia ceduta corrisponde a una differenza di calore a cqui sito dai gas presenti nelle cel le C e D. Si ottiene in que sto modo una differenza di pre ssione tra le due celle (cella D a pre ssione più alta) che genera una deformazi one della membrana cui corrisponde un se gnale elettrico proporz ionale alla con centrazione dei ga s di s cari co. Al fine di ottenere un segnale elettrico alternato (tra 5 e 10 Hz), più sempli ce da elaborare, si pone tra i volu mi e la sor gente un dis co forato detto chopper che permette un’os cillazione della me mbrana.
Figu r e 2 8 : an al iz z ator e NDIR
L’energia a ssor bita (Ea) dal gas di s carico contenuto nelle celle dello strumento è legata all’eerg ia in cidente (Ei) dalla relazione :
𝐸𝑎 = 𝐸𝑖(1 − 𝑒−𝑘𝑐𝐿) Con:
k: coeffi ciente di a ssor bi mento del gas c: coefficiente della spe cie di interesse L: lunghezza della cella
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Misura di NO e NOx
Gli strumenti usati per la misura degli os sidi di azoto sfruttano l’emi ssione di fotoni che si ha co me con seguenza della reaz ione chimi ca tra il monos sido di azoto (N O) e l’ozono (O3). Per tale moti vo sono identifi cati con il n ome di C hemi o Lu mines cence Detector (C LD).
Lo stru mento, illustrato in figura [29], è co mposto da un oz onizzatore che trasforma l’aria in ozono , da un reattore a te mperatura controllata e da una pompa a vuoto che ne controlla la p res sione. Lo strumento dispone poi di un foto -moltipli catore che mi sura l’e mis sione di lu ce e la con verte in un segnale elettrico. Sorge tuttavia il pro blema della misura degli N Ox t otali dato che n on è poss ibile effettuare la misura degli N O2. Per ris olvere il pro blema , lo strumento è dotato, all ’ingres so dei gas di scari co, di due ra mi. Uno di e ssi è direttamente collegato al reattore, mentre l ’altro è dotato di un convertitore cataliti co in cui avviene la reazione di diss ociaz ione dell’NO2 in N O. Usando il ra mo catalitico è po ssi bile mi surare gli N Ox totali corri spondenti agli N O, mentre usando il ramo ad a cce sso diretto si calcolano i s oli N O. Il calcolo degli N O2 av viene per differenza fra N Ox totali e NO.
Figu r e 2 9 : an al iz z ator e C LD
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Misura dell’O
2La mi sura dell’os sigeno in quanto ele mento para magnetico av viene mediante l’utilizzo di analizzatori detti Para –Ma gnetic Dete ctor (PMD). Essi si dividon o in due categorie : analizzatori termo magneti ci e analizzatori magnet odinami ci. In questo paragrafo viene trattata l’ultima tipolog ia. Gli analizzatori magnetodina mici sono costituiti da una cella in cui tro via mo un corpo diamagneti co, solita mente a for ma di bilan ciere ai cui capi si tro vano due sfere ; il corpo è colle gato a un filo di quarzo che ne consente la rotazione. L ’intera cella, in cui si tro va il corpo, è caratterizzat a dalla presenza di un forte ca mpo magnetico.
Le sfere sono sog gette a una forza di repulsione dovuta al ca mpo magnetico; quando questa coppia è bila n ciata dalla coppia do vuta alla torsione del filo in quarzo esse raggiungono un punto di e quilibr io rilevato tramite siste mi ottici o sistemi ad anello chiu so. Una variazione di con centrazione di o ssigeno all’interno della cella genera un’alterazione del camp o magneti co presente in es sa , portando il sistema a bilan ciere raggiunge re una nuo va pos izione di e quilibri o , tradotta poi in un segnale elettri co.
La con centrazione di oss igeno ri sulta importante per il calcolo della dosatura e per il calcol o della qu antità di gas di s cari co ri cir colati.
Figu r e 3 0 : s ch em a d i u n an al iz z a tor e p ar am agn et ic o
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Misura del PM
La misura del particolato è quella che presenta le maggiori diffi coltà a causa della varietà di spe cie chi mi che che coin volge, della pre senza di co mponenti s ia s olide che volatili e della loro elevata reattività. L’u so del DPF ha portato alla riduzione del le particelle solide su cui la frazione volatile può condensare, e questo può co mportare, a valle dello stesso DPF, dove le te mperature sono p iù ba sse, la nucleaz ione di nuove parti celle ultrafini.
Nella misura del particolato si può distinguere tra due aspetti fondamentali:
• Misura della massa
• Misura del nu mero di particelle
Infatti, analizzando le e mis sioni di parti colato con metodi che classifi cano le particelle in base al loro dia metro, si può os servare la caratteristica distri buzione bimodale, da cui e merge che la magg ior parte delle emis sioni in massa si concentrano su un a quantità ridotta di particelle di grandi di mensioni, mentre il pi cco di e mis sioni in numero si ha su particelle di diametri molto piccoli (inferiori a 50 n m, nel ca mpo delle nanoparticelle). Con l’e voluzione delle normati ve, sono stati introdotti li miti non solo sulle e mis sioni in ma ssa, co me fatto inizialmente, ma an che su quelle in numer o, proprio per ché queste nanoparti celle son o particolarmente diffi cili da trattenere e, se respirate, sono in grado di infiltrarsi in profondità nei polmoni.
Le tecni c he per la misura del PM si distinguono in
• Tecniche con raccolta del campione (CT) , sono quelle utilizzate in fase di omol ogazione. I gas di s carico veng ono fatti passare attraverso un mezzo filtrante, che viene esaminato in se guito (ad ese mpio tra mite bil an ce di precisione). C ’è quindi un intervallo temporale che inter corre
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tra il prele vo del ca mpione e la sua anali si, e questo ri chiede una particolare attenzione al fine di e vitare che si verifi chino delle alterazioni nelle proprietà del campione.
• Tecniche in situ (IST) , sono quelle tecniche che consentono di effettuare una misura quasi in tempo reale, ne ces saria nel caso in cui si de bba effettuare un ele vato nu mero di pro ve.
Queste tecni che ba sate sulla misura di una grandezza correlata alla con centrazion e di PM.
Nei paragrafi succes sivi veng ono de scritte le principali tecn iche IST.
AVL S moke meter
Lo s moke meter utilizzato in cella dina mi ca è l’AV L 415s. Questo strumento utilizza un filtro di carta attraver so cui viene fatto pas sare un volume presta bi lito di ga s combusti. Il filtro trattiene le particelle solide costituenti il fumo. L o sp orca mento del filtro è indice della quantità di s oot presente nel volu me analizzato . Per mi surare lo sporca mento del filtro, si utilizza una luce incidente, che viene in parte assor bita dal filtro spor co e in parte riflessa. La lu ce riflessa è misurata tramite un fotodiodo, che la con verte in un segnale elettrico.
Lo s moke number è cal colato nel seguente modo:
𝑆𝑁 = (1 − 𝐼/𝐼0 𝐼𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛/𝐼0) 𝐴 Con:
• I: intensità luminosa riflessa dal filtro [W/cm2 ]
• I0: intensità lumino sa in cidente sul filtro [W/ cm2 ]
• Icl ean: intensità lumino sa rifles sa dal filtro pulito [W/ cm2 ]
• A: coefficiente moltiplicativo
La s cala dello s moke number può variare tra 0 (che corri sponde a filtro pulito) e 10 o 100 (valori di fondo s cala che corrispondono a filtro
