Combustibili Per MCI

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


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



reazione di ossidazione:

rapporto stechiometrico:



rapporto di equivalenza:

indice di eccesso d’aria:

< 1: miscela magra

> 1: miscela ricca



Andamento delle frazioni

molari dei costituenti dei

gas di scarico in funzione

di Φ


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


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


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


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


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


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.


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.


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


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


Richiesta Ottanica

Richiesta Ottanica di un motore (motore+veicolo): numero di Ottano minimo

del carburante per evitare la detonazione


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.


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


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


Indice Diesel

Corrispondenza dei valori di Indice

Diesel e di Numero di Cetano

Valida per solo per gasoli di tipo

paraffinico ottenuti per distillazione


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


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


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.


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.


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

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