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Combustibili per M.C.I.
A. Della Torre
Contenuti
1. Introduzione: esigenze dei m.c.i.
2. Tipologie di combustibili
3. Principali proprietà dei combustibili e metodologie per la loro
misurazione
Introduzione
Nei motori a c.i. le reazioni chimiche di ossidazione del combustibile con
l’ossigeno dell’aria avvengono internamente al cilindro e devono:
• completarsi in tempi brevissimi (qualche ms)
• non lasciare residui
• non produrre sostanze tossiche
Le caratteristiche ottimali della miscela aria-combustibile dipendono dal
tipo di motore (Otto o Diesel) e dal sistema di alimentazione del combustibile
(iniezione o carburazione):
• motori a carburazione: il carburante deve evaporare rapidamente,
miscelarsi e formare una carica il più possibile omogenea
• motori a iniezione: il combustibile deve polverizzarsi, evaporare e
miscelarsi con l’aria compressa
Ottimizzazione del binomio motore-combustibile
Introduzione
Esigenze dei M.C.I
Requisiti per i combustibili:
Disponibilità
Alto potere calorifico
Facilità di trasporto e stoccaggio
Rapidità di avviamento e sviluppo della combustione
Combustione completa
Emissioni non tossiche
Assenza di residui solidi
Queste esigenze sono state storicamente soddisfatte dai
combustibili liquidi derivati dal petrolio
Introduzione
Combustibili Alternativi
I combustibili liquidi derivati dal petrolio si sono affermati per
l’alimentazione dei m.c.i poiché relativamente disponibili e facilmente
elaborabili.
Tuttavia a partire dagli anni settanta la problematica della limitatezza
delle riserve disponibili di energia è diventata sempre più attuale.
Interesse crescente verso combustibili alternativi:
• etanolo, metanolo
• biogas
• combustibili sintetici prodotti a partire dal carbone (liquidi o gassosi)
Tipologie di Combustibili
SOLIDI:
Polverino di carbone
LIQUIDI: Benzina (20 – 200 °C)
Gasolio (180 – 360 °C)
Olio combustibile (200 – 390 °C)
Etanolo
Metanolo
GASSOSI:
Metano
GPL
Idrogeno
Biogas
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione (αst)
Resistenza alla detonazione (NO)
Accendibilità (NC)
Volatilità
Viscosità
Filtrabilità
Tenore di gomme
Percentuale di zolfo
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
rapporto di miscela (o dosatura):
rapporto di miscela stechiometrico: rapporto per il quale l’aria impiegata per
la combustione è quella minima per una ossidazione completa del combustibile
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
reazione di ossidazione:
rapporto stechiometrico:
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
rapporto di equivalenza:
indice di eccesso d’aria:
< 1: miscela magra
> 1: miscela ricca
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
Andamento delle frazioni
molari dei costituenti dei
gas di scarico in funzione
di Φ
Proprietà dei combustibili
Resistenza alla detonazione
Detonazione forma di combustione anomala in un motore ad accensione
comandata
Resistenza alla detonazione è una importante proprietà del combustibile
La detonazione è un fenomeno complesso che coinvolge:
• caratteristiche del combustibile
• parametri di progetto e funzionamento del motore
Per caratterizzare questa proprietà si fa riferimento a una
misura su di un motore, per integrare gli effetti reali di tutte le
variabili in gioco
Proprietà dei combustibili
Misurazione della resistenza alla detonazione
La misurazione del valore indetonante di un combustibile viene condotta
secondo metodologie fissate su di un motore di prova standard.
Un apposito comitato di ricerca (Cooperative Fuel Research) ha fissato:
• caratteristiche del motore di prova
• combustibili di riferimento
• metodologie di misura
Misurazione della resistenza alla detonazione
Motore CFR
robusto monocilindro
rapporto di compressione variabile (r = 4-30)
collegato a motore elettrico asincrono che
mantiene costante la velocità di rotazione
dotato di detonimetro (sensore di pressione
di tipo magnetorestrittivo) che misura la derivata
rispetto al tempo della pressione nel cilindro
Misurazione della resistenza alla detonazione
Combustibili di Riferimento
Combustibili di riferimento per
definire la scala con cui misurare la
resistenza alla detonazione:
iso-ottano: struttura compatta,
resistente alla detonazione NO = 100
eptano normale: catena dritta,
facilmente detonante NO = 0
Misurazione della resistenza alla detonazione
Numero di Ottano
Si definisce Numero di Ottano il numero intero più vicino alla
percentuale in volume di iso-ottano in una miscela di iso-ottano +
normal-eptano le cui caratteristiche antidetonanti siano equivalenti a
quelle del carburante in esame, quando il confronto è eseguito su un
motore CFR secondo una metodologia standardizzata.
Per combustibili che si comportano meglio dell’isoottano la scala viene
estesa a valori maggiori di 100, assumendo come riferimento l’isoottano
addizionato con % crescenti di piombo tetraetile
Misurazione della resistenza alla detonazione
Metodologia generale di misurazione
1. Il motore viene alimentato con il combustibile in esame, facendo variare
il rapporto di compressione fino ad ottenere un’intensità di
detonazione standard.
2. Il rapporto di miscela viene regolato in modo da ottenere la massima
intensità di detonazione
3. Si individua il Numero di Ottano di prima approssimazione mediante
tabelle che forniscono NO in funzione del rapporto di compressione.
4. Si cercano due miscele di riferimento che, a pari rapporto di
compressione, abbiano intensità di detonazione superiore e inferiore
a quelle del combustibile in esame.
5. Il numero di Ottano del combustibile in esame è quindi calcolato per
interpolazione tra i NO delle miscele di riferimento.
Misurazione della resistenza alla detonazione
Metodo Motore e Ricerca
Le condizioni di prova sono fissate da normative. Due metodi si sono
imposti:
Metodo Motore (norma ASTM-D 2699)
Metodo Ricerca (norma ASTM-D 2700)
Metodo Motore Ricerca
Alesaggio [mm] 82,6 82,6
Corsa [mm] 114,3 114,3
Cilindrata [cm3] 613 613
Rapp. Compress. [-] 4 – 16 4 – 16
RPM 900 600
Anticipo accensione 19° – 26° 13°
Temp. acqua [°C] 100 100
Temp. aria alim. [°C] 149 Libera
Umidità aria alim. [g/kgaria] 3 - 7 3 – 7
Rapp. miscela Max. det. Max. det.
Misurazione della resistenza alla detonazione
Sensitività
Il metodo Motore è più severo di quello Ricerca (miscela riscaldata,
anticipo di accensione crescente con r)
Numero Ottano Motore (NOM) < Numero Ottano Ricerca (NOR)
Si definisce:
Sensitività = NOR – NOM
che indica la tendenza di un combustibile a comportarsi in modo
diverso dalle miscele di riferimento al variare delle condizioni di
funzionamento del motore
Paraffinici
Aromatici S
Oleofinici Sensitività funzione della composizione chimica
Misurazione della resistenza alla detonazione
NO strada
Il numero di Ottano misurato in condizioni stazionarie su motore CFR
tiene conto in modo imperfetto del comportamento del combustibili in
condizioni di esercizio reale
Procedure per la determinazione del numero di Ottano in condizioni reali
(su strada o banco a rulli): Numero di Ottano Strada
Correlazioni per legare il Numero di Ottano Strada a NOM e NOR:
NO strada = a NOR + b NOM + c
Correlazioni per tenere conto del comportamento in accelerata:
NO strada = a + b NOR + c ΔR(100°C)
ΔR(100°C) : differenza tra i NOR del combustibile e quello della frazione
leggera che distilla a 100°C
Misurazione della resistenza alla detonazione
Richiesta Ottanica
Richiesta Ottanica di un motore (motore+veicolo): numero di Ottano minimo
del carburante per evitare la detonazione
Proprietà dei combustibili
Accendibilità
Ritardo di accensione deve essere limitato nei motori ad accensione
per compressione
Se il ritardo di accensione è troppo lungo buona parte del combustibile viene
introdotto prima che l’accensione avvenga, con eccessive velocità di
reazione e picchi di pressione non appena la combustione si avvia.
La tendenza del combustibile ad avere piccoli ritardi di accensione viene
espressa dall’accendibilità
L’accendibilità viene espressa tramite una misura, eseguita su un motore
standard, che ne confronta il comportamento con quello di una miscela di
due idrocarburi di riferimento.
Misurazione dell’ accendibilità
Combustibili di Riferimento
Combustibili di riferimento per
definire la scala con cui misurare
l’accendibilità:
cetano: catena lunga e dritta,
numerosi punti di attacco per
l’ossidazione NC = 100
eptametilnonano: resistente
all’ossidazione NO = 15
Misurazione dell’ accendibilità
Numero di Cetano
Il Numero di Cetano si definisce in base alla composizione della miscela
di cetano e eptametilnonano, il cui ritardo di accensione risulta
equivalente a quello del gasolio in esame, quando il confronto è eseguito
su di un motore CFR Diesel normalizzato, secondo una metodologia
codificata.
Il numero di Cetano del combustibile in prova sarà dato da:
NC = Cetano [%] + 0.15 eptametilnonano [%]
Misurazione dell’accendibilità
Metodologia di misurazione
1. Con il combustibile in esame, variare r fino a portare l’accensione al PMS(con un ritardo di 13° dall’iniezione)
2. Trovare due miscele di riferimento che accendano per r leggermente
superiore e inferiore a quello in prova (ΔNC<5)
3. Trovare NC del combustibile in prova per interpolazione.
Misurazione dell’accendibilità
Motore CFR
Alesaggio [mm] 82,6
Corsa [mm] 114,3
Cilindrata [cm3] 613
Rapp. Compressione [-] 8 – 24
Regime [g/min] 900
Anticipo Iniezione 13°
Pressione d’iniezione [MPa] 10,3
Temp. acqua [°C] 100
Temp. aria alim. [°C] 65,6
Le caratteristiche del monocilindro di prova e le sue condizioni di
funzionamento sono stabilite dalla norma ASTM – D 61365
Misurazione dell’accendibilità
Indice Diesel
L’indice Diesel cerca di prevedere l’accendibilità del gasolio in funzione
della percentuale di idrocarburi normalparaffinici presenti.
La percentuale di idrocarburi normalparaffinici è individuata da due
proprietà semplici e facilmente misurabili:
punto di anilina: la più bassa T [°F] per cui un volume di gasolio è
completamente miscibile in un ugual volume di anilina (misura del
contenuto di composti paraffinici)
densità, espressa in gradi API (American Petroleum Institute):
Densità API = 141.5/ρrel – 131.5
Indice Diesel = densità API x Punto di Anilina[°F] / 100
Misurazione dell’accendibilità
Indice Diesel
Corrispondenza dei valori di Indice
Diesel e di Numero di Cetano
Valida per solo per gasoli di tipo
paraffinico ottenuti per distillazione
Proprietà dei combustibili
Volatilità
La volatilità può essere calcolata
a partire da:
• curva di distillazione
• tensione di vapore
Nei motori Diesel influenza
l’evoluzione dello spray in camera
Nei motori Otto permette la
miscelazione del combustibile con
l’aria
Proprietà dei combustibili
Viscosità
Proprietà importante per un gasolio:
parametro fisico che influenza il processo di rottura e polverizzazione
del getto di combustibile all’uscita dell’iniettore
garantisce la lubrificazione e la tenuta degli accoppiamenti meccanici
dell’apparato di iniezione
influenza la potenza assorbita dalle pompe di circolazione e iniezione
del gasolio
Proprietà dei combustibili
Filtrabilità
Proprietà che misura la tendenza di un gasolio a separare cristalli di
paraffina a bassa temperatura, provocando l’otturazione dei filtri.
E’ misurata da due indici:
punto di intorbidimento: temperatura alla quale, durante il
raffreddamento di un campione di gasolio, cominciano ad apparire
cristalli di paraffina dispersi nella fase liquida
punto di scorrimento: temperatura alla quale il gasolio riprende a
scorrere, dopo essere stato portato a una temperatura sufficientemente
bassa da bloccare lo scorrimento delle molecole.
A volte viene indicato il CFPP (Cold Filter Plugging Point): temperatura che
provoca il bloccaggio del filtro.
Proprietà dei combustibili
Tenore di gomme
Proprietà che misura la tendenza di una benzina a lasciare depositi non
volatili (gomme) durante la sua evaporazione.
Le gomme sono il risultato di ossidazione di composti olefinici presenti
nella benzina.
Si accumulano nei punti del sistema di aspirazione dove la
vaporizzazione è più forte: punti caldi del condotto, stelo e fungo della
valvola, getti del carburatore.
Proprietà dei combustibili
Tenore di zolfo
Il petrolio grezzo contiene un tenore di zolfo variabile con la sua origine.
Nei distillati il tenore di zolfo aumenta con il peso molecolare medio della
sua frazione: si passa da 0.1% per le benzine a 4% nelle frazioni più
pesanti.
Durante il processo di combustione lo zolfo si trasforma in anidride
solforosa, che provoca:
• inquinamento dell’ambiente
• formazione di depositi in camera di combustione
• avvelenamento dei catalizzatori