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commUNICA_26-02-2014.. - CdL Ingegneria Meccanica

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Università degli Studi di
Napoli Federico II
Corso di Studi in
Ingegneria Meccanica
Facoltà di Ingegneria
CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA PER L’ENERGIA E L’AMBIENTE
(Classe delle Lauree Magistrali in Ingegneria Meccanica – LM33)
Tesi di Laurea
ANALISI PARAMETRICA MEDIANTE DESIGN OF EXPERIMENTS (DOE)
DELLE PRINCIPALI VARIABILI MOTORISTICHE INFLUENZANTI LA
COMBUSTIONE “DUAL FUEL” METANO-DIESEL
Relatori:
Ch.mo Prof. Ing. Fabio Bozza
Candidato:
Alessandro Di Rubbo
Dip. di Ingegneria Industriale
matr. M65/228
Correlatore:
Ing. Carlo Beatrice
Istituto Motori - CNR
SOMMARIO DELLA TESI
Il seguente lavoro di tesi riassume i principali risultati ottenuti nel corso di una campagna di sperimentazione su un
motore a combustione interna ad accensione per compressione, opportunamente modificato per operare in modalità “Dual
– Fuel” metano - diesel. Il motore Diesel Dual Fuel è, dal punto di vista della combustione, un ibrido tra quello
Diesel e quello Otto, dato che presenta caratteristiche di entrambi. La soluzione di utilizzare il metano in un
motore ad accensione è quello di iniettare una portata ridotta di gasolio necessaria ad innescare l'accensione della
miscela di aria e metano che si propaga con fronte di fiamma. Il metano viene iniettato nel collettore di aspirazione
e viene premiscelato con l’aria durante la fase di aspirazione e di compressione. L’accensione della miscela è
determinata dalle temperature che si raggiungono in camera di combustione in seguito all’autoignizione del gasolio, ma
anche dal rilascio di radicali da parte del gasolio che innescano la reazione della miscela aria-metano. Nel reparto motori
diesel e combustibili innovativi dell’istituto motori di Napoli, per l’approfondimento dei processi di combustione in
motori alimentati in Dual Fuel è stato allestito un banco di prova apportando delle modifiche su di un motore
monocilindrico da ricerca CFR (Cooperative FuelResearch Engine) a rapporto volumetrico di compressione variabile.
Tale motore dispone di una precamera ad elevata turbolenza, facilmente accessibile attraverso la strumentazione
diagnostica, che ben si presta a questo tipo di ricerca. I motori CFR sono macchine che risalgono agli anni ’50, utilizzati
per la determinazione sperimentale delle caratteristiche dei combustibili e l’analisi dei processi di combustione. Tali
motori da ricerca sono infatti impiegati per la valutazione delle proprietà antidetonanti (numero di ottano NO) delle
benzine e di autoaccensione (numero di cetano CN) dei gasoli con metodi normalizzati. In particolare la misura del
ritardo all’accensione si ottiene determinando il numero di cetano secondo la norma ASTMD613. Dalle numerose
ricerche sulla combustione Dual Fuel sono state riscontrate problematiche legate alle elevate emissioni di inquinanti allo
scarico per bassi carichi, al surriscaldamento degli iniettori in camera di combustione, al noise, agli elevati gradienti di
pressione, alla detonazione e al ritardo all'accensione. Inoltre, sempre da questi studi, sono stati individuati i parametri
causa di questi innumerevoli problemi. Sulla base di queste ricerche abbiamo effettuato un'analisi parametrica mediante
"Design of Experiments" per caratterizzare e valutare gli effetti che l'interazione dei principali parametri motoristici
influenzanti la combustione Dual Fuel ha sulle prestazioni e sulle emissioni. La Design of Experimets consiste in una
serie di prove mirate, che consente di massimizzare la quantità di informazioni acquisite da un determinato studio,
riducendo al minimo la quantità di dati da raccogliere. Il comportamento del motore è stato valutato analizzando le
emissioni, il consumo specifico e i diversi rendimenti. Le emissioni, monitorate tramite gli strumenti di misura, descritti
nei capitoli precedenti, sono: HC_diesel: idrocarburi incombusti derivanti dalla portata di gasolio; HC_CH4: idrocarburi
incombusti derivanti dalla portata di metano; NOx: ossidi d'azoto; CO: monossido di carbonio; CO₂ : anidride
carbonica. Si ritiene utile osservare che in questi confronti in modalità Dual Fuel non si è riportata la concentrazione di
particolato presente nei gas combusti dal momento che esso è risultato sempre al limite inferiore di misurabilità dello
strumento. Inoltre, al fine di poter ottenere una maggiore completezza operativa sono stati valutati anche: ISFC:
Indicated Specific Fuel Consumption; ηcomb: rendimento di combustione; ηthermo: rendimento termodinamico; ηfuel:
rendimento indicato; dP/dϑ: gradiente di pressione; COVimep: Coefficient Of Variation.
La letteratura riporta dati sull’utilizzo del metano nei motori diesel, ma l’interazione combustibile-motore richiede un
aggiornamento continuo, soprattutto in relazione all’evoluzione della tecnologia motoristica.
La sperimentazione ha contribuito a fornire indicazioni sugli effetti, ed i relativi fattori di contribuzione dei parametri
operativi sulle emissioni e sulle prestazioni di un motore CFR “Dual Fuel”.
La qualità dei risultati raggiunti con la progettazione degli esperimenti mediante la “Design of Experiments” suggerisce
anche la possibilità di poter integrare questa metodologia in procedure di calibrazione motoristiche automatizzate per
applicazioni “Dual – Fuel”; in questo modo, la robustezza e l’efficienza sulla calibrazione del motore possono essere
facilmente migliorate, al fine di sfruttare al meglio le potenzialità offerte dai carburanti alternativi.
Parallelamente all’obiettivo della tesi, è stata ricavato un database sperimentale, fondamentale per le attività di
simulazione e modellistica del processo di combustione dual-fuel.
Anno Accademico 2012/2013
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