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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