Presso il dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Roma “Tor Vergata” lo studio dei motori per propulsione è anche finalizzato allo sviluppo di soluzioni ad-hoc per il funzionamento con miscele ultra-magre di gas naturale.
L’uso del gas naturale come combustibile alternativo per l’alimentazione di motori per autotrazione leggera e pesante ha subito un notevole aumento negli ultimi anni. Alla base di questa crescente diffusione, da una parte la scoperta di nuove riserve e quindi una aumentata disponibilità, dall’altra le caratteristiche fisico-chimiche del metano - il componente fondamentale di questa miscela di gas - che ne fanno un combustibile ideale per i motori a combustione interna. Il metano infatti è caratterizzato da un elevato potere antidetonante naturale, un’ottima miscibilità con l’aria e un ampio intervallo di accendibilità (brucia in proporzioni variabili di dosatura con l’aria comburente). In confronto con i tradizionali combustibili liquidi (benzina, gasolio) tali caratteristiche consentono di mantenere al minimo le emissioni di particolato, offrono la possibilità di elevare il rapporto di compressione del motore senza rischi di detonazione e di ottenere stabilità di funzionamento anche in condizioni di alimentazione magra (con eccesso di aria rispetto al valore stechiometrico). Queste qualità sono fondamentali per diminuire considerevolmente i consumi e per abbattere le emissioni inquinanti.
L’insieme di questi vantaggi può essere però pienamente sfruttato solo ricorrendo ad una progettazione ad-hoc del motore che possa sfruttare la peculiarità del combustibile. Il motore ideale a gas naturale è infatti caratterizzato da un elevato rapporto di compressione e da condizioni di miscela ultra-magra, eventualmente stratificata. Il processo di combustione viene reso stabile da un opportuno disegno del sistema di alimentazione (a iniezione diretta o indiretta), dalla presenza di elevata turbolenza nella camera di combustione e da un efficace processo di accensione della miscela. Per ottenere i vantaggi descritti è necessario sviluppare metodologie di progettazione mista teorico-sperimentale, che utilizzino la simulazione termo-fluidodinamica 3D per studiare le condizioni ottimali di design della camera di combustione, del sistema di alimentazione e dei condotti di aspirazione e scarico nonché predire i valori di efficienza ed emissioni nelle diverse condizioni di funzionamento.
Le particolari condizioni che si realizzano richiedono lo sviluppo di specifiche tecniche di simulazione dei processi di accensione e propagazione del processo di combustione nonché dei processi di formazione delle specie inquinati. Il risultato di questi sforzi è rappresentato dalla capacità di simulare i processi reali con un’elevata precisione e, quindi, la possibilità di definire il disegno e le condizioni di funzionamento ottimali.
Un esempio di rappresentazione 3D utile per questa ottimizzazione è illustrato nella figura dove sono descritte alcune fasi dell’evoluzione del processo di accensione e propagazione della fiamma in un motore a carica stratificata.
Rappresentazione 3D delle fasi di preparazione, innesco e combustione della miscela aria-metano in un motore a carica stratificata
Fonte: Elaborazione Università di Roma “Tor Vergata” - Dipartimento di Ingegneria Industriale
I ricercatori dell’Università “Tor Vergata” affrontano lo studio di questo processo con un insieme di attività che vanno dallo studio dei processi fondamentali, alla loro modellazione con codici di simulazione termo-fluidodinamica, alla verifica dei risultati delle simulazioni mediante confronto con dati sperimentali. Queste attività - che coinvolgono anche giovani studenti laureandi e laureati dei corsi di studio in Ingegneria Meccanica ed Energetica - si realizzano in collaborazione con enti di ricerca e realtà industriali nazionali (Cnr - Istituto Motori, Università del Salento) e internazionali (Argonne National Laboratory, University of Alabama, British Columbia University, West Virginia University) in un continuo processo di collaborazione e scambio di competenze. Il comune obiettivo di queste attività è la ricerca di soluzioni efficienti e innovative che contribuiscano a definire un futuro dei trasporti più pulito e sostenibile e si sviluppano in parallelo allo studio dei sistemi più avanzati di trasporto, con una presenza crescente delle soluzioni elettriche e il possibile utilizzo dell’idrogeno.
In particolare, attraverso gli studi effettuati è stato possibile evidenziare notevoli miglioramenti delle prestazioni per motori alimentati in condizioni di dosatura ultra-magra grazie all’impiego di strategie per la stratificazione della carica attorno alla candela. La possibilità di accendere la miscela in condizioni di carica localmente ricca consente di incrementare la rapidità di propagazione della fiamma durante le fasi iniziali del processo di combustione, con conseguenti notevoli benefici in termini di stabilità e prestazioni. Come risultato ultimo quindi, tale strategia offre la possibilità di operare il motore con miscele globalmente più magre ed eventualmente aumentare il rapporto di compressione volumetrico senza incorrere nella detonazione, con evidenti vantaggi in termini di consumi specifici ed emissioni di gas serra. Inoltre, data la maggior diluizione del combustibile, è ulteriormente possibile ridurre le emissioni specifiche di NOx.
L’attività di ricerca, condotta attraverso un approccio integrato teorico-sperimentale, ha messo in luce come vi siano ancora margini per il miglioramento di tali strategie, attraverso un re-design del sistema di alimentazione/accensione, che, guidato dai tool di simulazione numerica possa poi essere installato per la verifica ed il test sul banco di prova in laboratorio.
Un interessante sviluppo delle attività di ricerca è inoltre rivolto ai motori Dual-Fuel nei quali il gas naturale viene utilizzato come ulteriore combustibile in motori Diesel. Questa soluzione ha diverse applicazioni tra le quali interessante è la possibile trasformazione di motori originariamente alimentati con il solo gasolio al fine di poter usufruire, congiuntamente, dei vantaggi del gas naturale – precedentemente descritti – e delle elevate efficienze caratteristiche del ciclo Diesel. In questi motori è prevista l’alimentazione del gas naturale, come combustibile primario, e l’iniezione di una quantità ridotta di gasolio con la funzione di provocare l’accensione della miscela primaria.
Lo sviluppo di questa soluzione, svolto nell’ambito di una collaborazione internazionale, ha dimostrato la possibilità di raggiungere livelli di emissioni fortemente ridotti per quanto riguarda NOx e particolato (in linea con gli ultimi standard in termini di emissioni inquinanti anche senza l’adozione di un sistema di post-trattamento). Rimangono, tuttavia, problemi di stabilità e efficienza di combustione ai bassi carichi del motore che richiedono ulteriori sviluppi al fine di usufruire appieno dei benefici derivanti dall’adozione di tale strategia. Rimane pertanto confermata la necessita di investire sull’innovazione e la ricerca per tali soluzioni, per poter migliorare la sostenibilità dei sistemi di propulsione basati sull’utilizzo di motori a combustione interna in attesa della diffusione delle soluzioni di trasporto elettrico.
L’articolo riprende in parte quello pubblicato a marzo 2018 sul Sole 24 ore.