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CAP 3 - Ricerche precedenti ed analisi dei relativi
risultati
Precedenti studi sono stati eseguiti su carburanti alternativi di origine biologica e su miscele di questi con carburanti tradizionali, seguendo diversi filoni d’indagine finalizzati a molteplici campi d’analisi: dalla ricerca della massima compatibilità coi motori odierni, allo studio per la migliore efficienza nella conversione tra energia chimica ed energia meccanica, passando per l’ottimizzazione dei parametri della combustione con l’intento di studiarne gli effetti sulle prestazioni generali del motore (coppia e potenza, ma anche consumo e inquinamento).
Alcuni esempi di questi studi sono di seguito esposti in forma riassuntiva per fornire un quadro generale nel quale deve inserirsi la nostra indagine.
Studiando gli effetti di differenti benzine di derivazione vegetale (in forma pura) sul medesimo motore [a] si è notato ad esempio che le differenze di prestazioni registrate nei vari casi sono esigue, così da suggerire che le prestazioni del motore siano influenzate maggiormente dalla qualità del processo di produzione del carburante più che dall’origine stessa dell’olio. Per ciò che riguarda le emissioni si nota un abbassamento degli idrocarburi incombusti, maggiormente evidente alle alte velocità di rotazione. L’abbassamento delle emissioni di CO invece diventa significativo a regimi molto elevati (solo dopo i 4000 giri). Come ci si aspettava, in generale i biodiesel hanno superiori emissioni di NOx, rispetto al
diesel tradizionale di riferimento: dal 3% al 6% per miscele di biodiesel con diesel tradizionali, fino al 13% se usati come puri, con punte del 40% in talune condizioni di esercizio [c]. Entrambe le tendenze (diminuzione di HC e CO ed aumento di NOx) sono probabilmente da imputare alla maggior presenza di ossigeno nelle
molecole che compongono i vari carburanti biodiesel rispetto al diesel classico e al differente meccanismo di combustione. Per quanto riguarda l’emissione di fumi, con l’utilizzo di Biodiesel se ne ottiene un drammatico abbassamento, con un fattore di riduzione che varia tra 3 e 6 in funzione del regime di rotazione e del carico del motore. A tal proposito è interessante notare come i benefici effetti dei biodiesel si estendano anche alle miscele di questi ultimi con diesel tradizionali,
27 con un andamento della riduzione della fumosità allo scarico più che lineare in funzione della percentuale di miscelazione stessa. La ragione di questo andamento è da ricercarsi al solito nella presenza di ossigeno all’interno della molecola dei biodiesel, così come altre concause sono la sostanziale assenza di aromatici e l’alto numero di cetano. Le differenze in fato di emissioni tra i biodiesel puri e le miscele di questi con diesel tradizionale si assottigliano ulteriormente in presenza di catalizzatori di ossidazione per il post-trattamento dei gas di scarico, comunemente presenti ormai nei moderni motori diesel [b].
Sempre a proposito di miscele biodiesel/diesel, è interessante notare anche come variano le caratteristiche chimico-fisiche (in funzione delle proporzioni), e soprattutto vedere come la nuova miscela si differenzi dal diesel tradizionale per densità, viscosità, scorrevolezza (lubricity), potere calorifico e numero di cetano [d]. Come di seguito trattato, tali proprietà influenzano notevolmente il funzionamento del motore. Le proprietà fisiche dei carburanti diesel infatti hanno importanti effetti, per esempio, sull’inizio dell’iniezione, sul punto di combustione, e sulla propagazione del fronte di fiamma, caratteristiche queste che fortemente influenzano le performance del motore e le emissioni allo scarico. Tuttavia risulta difficile isolare gli effetti di una proprietà da quelli di un’altra, anche perché le proprietà del diesel sono correlate: per esempio, miscelare biodiesel nel diesel tradizionale innalza la densità ed il numero di cetano allo stesso tempo. Come spiegheremo, maggiore è la densità del carburante, più anticipata sarà l’iniezione e maggiori risulteranno le emissioni di NOx. Un alto numero di cetano, di contro,
dovrebbe comportare minori emissioni di NOx. Quindi, in caso di miscele di
biodiesel/diesel, le emissioni finali dipenderanno dalla somma degli effetti del cambiamento di densità e del numero di cetano. Si è visto che per miscele di biodisel con diesel a basso contenuto di zolfo, le emissioni di NOx diminuiscono
rispetto al diesel di partenza, questo dipende probabilmente dal ritardo nell’inizio dell’iniezione e dalla minor velocità di propagazione del fronte di fiamma.
Comunque ci sono differenze nella sensibilità agli effetti delle proprietà chimico-fisiche dei carburanti tra differenti modelli di motore, soprattutto tra le vecchie generazioni di motori ed i più recenti. I motori delle ultime generazioni sono meno sensibili ai cambiamenti nella qualità dei carburanti, e questo di fatto comporta, al
28 giorno d’oggi, una minor possibilità di ricercare miglioramenti sulle emissioni finali tramite cambiamenti nella formulazione delle miscele.
Le varie proprietà dei carburanti diesel sono interrelate tra loro e cambiarne diverse simultaneamente può fornire gli effetti desiderati sulle emissioni del motore, sfruttando le sinergie delle varie modifiche, ma, talvolta, può anche portare a forti scostamenti dei risultati dalle previsioni fatte. È quindi bene spendere qualche parola per fornire un quadro generale, in forma sintetica, delle varie proprietà del fluido carburante e dei loro effetti sui vari processi che avvengono nel motore durante le fasi relative alla combustione.
Primo fattore da prendere in considerazione, per esempio, è la densità. In generale, un carburante di minor densità produrrà una minor potenza, dovuta anche all’abbassamento del potere calorifico, e porterà ad un aumento del periodo di iniezione, con relativo aumento del consumo specifico, e diminuzione della fumosità. Mentre un carburante di densità maggiore produrrà maggior potenza ma anche più alte emissioni. La densità gioca quindi un ruolo importante in tutto il processo d’iniezione, che, come noto, ha un effetto diretto per esempio sulle emissioni di NOx.
Similmente, molte altre proprietà dei carburanti incluse le proprietà della carica fredda, numero di cetano, punto d’innesco, volatilità, contenuto di zolfo e di idrocarburi aromatici, sono molto importanti per ottenere le giuste performance e per soddisfare, sulle emissioni, le norme vigenti e future. Un’appropriata viscosità del fluido assicura una soddisfacente operatività del impianto d’iniezione. Se si sale a valori più alti si va incontro a formazione di gocce più grandi e ad un getto non finemente nebulizzato, che può avere una rilevante influenza sulle caratteristiche di evaporazione creando cambiamenti nel processo di combustione. La viscosità viene tipicamente misurata in base al tempo che il fluido impiega a passare attraverso un orifizio calibrato (viscosimetro), mentre con “lubricity” s’intende la forza di coesione della superficie del fluido o tensione superficiale. Recenti studi hanno dimostrato che lubricity e viscosità sono strettamente correlate, ma la loro relazione, purtroppo, dipende dalla procedura utilizzata per determinare la lubricity.
29 Altra caratteristica del fluido da tenere in forte considerazione è il numero di cetano. Un suo valore elevato, come detto, porta ad anticipare l’inizio del processo di combustione ed abbassa la necessità di pre-miscelamento per una corretta propagazione del fronte di fiamma.
La volatilità del fluido poi ha una grande influenza nella lunghezza di penetrazione dello spray liquido. Si è scoperta una forte correlazione tra la metà della temperatura di ebollizione (T50) e la massima estensione di penetrazione di un fluido binario o multi-componente [e]. Un altro studio indipendente [f] invece riporta una diversa relazione che tiene conto del T90 (90% della temperatura di ebollizione), relazione che risulta rispondente anche per i fluidi a singolo componente, oltre che per i binari e i multi-componente. I dati presentati nei due rapporti, e riguardanti le due diverse relazioni valide per il T50 ed il T90 ne delineano una buona attendibilità e corrispondenza, e le differenze fra i due metodi sono minime. Così, qualunque sia il metodo scelto tra T50 e T90 per correlare il dato alla lunghezza di penetrazione, le proprietà di distillazione e la volatilità del fluido di fatto influenzano significativamente la penetrazione del getto del carburante e la formazione della miscela.
Atre sperimentazioni eseguite su un motore ad iniezione diretta, sono state portate avanti variando il numero di cetano ed il contenuto di aromatici separatamente [g]. Carburanti con lo stesso contenuto di aromatici ma ridotto numero di cetano mostravano un maggiore ritardo d’iniezione e un più alto rilascio iniziale di calore, che si traduceva in minori emissioni di particolato ed in un aumento di NOx in
condizioni di massimo carico. D’altro canto, un alto numero di cetano produce una grande quantità di PM: questo è dovuto alla maggior durata del processo di combustione. Nel funzionamento ai bassi carichi, carburanti con un basso numero di cetano hanno mostrato alte emissioni totali di idrocarburi incombusti. Emissioni dovute principalmente alla miscela magra causata dal grande ritardo dell’iniezione che comporta una incompleta combustione.