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Analisi sperimentale di una combustione diesel non convenzionale

La riduzione del particolato (PM) e degli ossidi di azoto (NOX) nelle emissioni allo scarico dei motori diesel è ampiamente studiata negli ultimi anni per via dei limiti sempre più stringenti sulle emissioni inquinanti. Le tecnologie di post-trattamento dei gas di scarico si sono dimostrate efficaci nel controllo delle emissioni di particolato e NOX, ma problemi legati a durata, costo, e penalizzazione dei consumi di combustibile ne limitano la diffusione. Risulta quindi necessario studiare strategie di combustione avanzate, in grado di ridurre simultaneamente le emissioni allo scarico di particolato carbonioso (soot) e NOX e, al contempo, ridurre l’utilizzo e i costi dei sistemi ausiliari di post-trattamento sopra citati [2].

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La Termotecnica, aprile 2017

Pubblicato
da Alessia De Giosa




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Tecnica 52 LA TERMOTECNICA APRILE 2017 Propulsori & Ambiente INTRODUZIONE
La riduzione del particolato (PM) e degli ossidi di azoto (NO X) nelle emis- sioni allo scarico dei motori diesel ampiamente studiata negli ultimi anni
[1] per via dei limiti sempre pi stringenti sulle emissioni inquinanti. Le
tecnologie di post-trattamento dei gas di scarico si sono dimostrate efficaci
nel controllo delle emissioni di particolato e NO X, ma problemi legati a durata, costo, e penalizzazione dei consumi di combustibile ne limitano
la diffusione. Risulta quindi necessario studiare strategie di combustione
avanzate, in grado di ridurre simultaneamente le emissioni allo scarico
di particolato carbonioso (soot) e NO X e, al contempo, ridurre l'utilizzo e i costi dei sistemi ausiliari di post-trattamento sopra citati [2]. Una stra-
tegia di combustione promettente la Premixed Charge Compression
Ignition (PCCI), che pu essere realizzata ricircolando elevate quantit di
gas di scarico (Exhaust Gas Recirculation, abbrev. EGR) e anticipando o
ritardando la fasatura d'iniezione del combustibile [2-6]. In queste con-
dizioni, il processo di combustione e, di conseguenza, il meccanismo di
formazione degli inquinanti sono significativamente diversi rispetto alla
combustione diesel tradizionale.
Questo lavoro si incentra su una combustione PCCI con iniezione anti-
cipata: l'effetto combinato dell'iniezione di combustibile in un ambiente
pi freddo e meno denso e dell'elevato grado di EGR (con conseguente
riduzione della concentrazione di ossigeno nella carica aspirata) rallenta
i processi chimici di pre-accesione e aumenta il ritardo di accensione.
Questo permette un miglior miscelamento della carica rispetto alla com-
bustione diesel tradizionale [3], evitando la formazione di sacche di
miscela ricca, che rappresentano la causa principale della formazione di
soot [7]. Inoltre, l'utilizzo di elevati gradi di ERG riduce le temperature di
combustione e, quindi, la formazione di NO X [2,7]. A causa del ridottissi- mo contenuto di ossigeno, alle basse temperature di combustione ed alla
fasatura di iniezione anticipata, la formazione di prodotti di incompleta
combustione, come monossido di carbonio (CO) e idrocarburi incom-
busti (HC), pu essere significativa, come anche l'aumento del consumo
di combustibile [7] ed il peggioramento del rumore di combustione [5].
La combustione di tipo PCCI, con una singola iniezione anticipata, stata
applicata ad un motore quattro cilindri 3.0 litri Euro VI per autotrazione
commerciale, fornito da FPT Industrial, sovralimentato con turbina a
geometria variabile ed equipaggiato con sistema di iniezione ad alta
pressione common-rail (Tabella 1). Il sistema di ERG di tipo short-route:
il flusso di EGR determinato dalla differenza di pressione tra i condotti
di scarico e aspirazione, regolata dalla valvola EGR e da una valvola a
farfalla allo scarico (denominata 'flap' per brevit), posizionata a valle
della turbina. La configurazione analizzata riguarda una versione gi
commercializzata del motore, progettato per funzionare in combustione
diesel tradizionale. Di conseguenza, il funzionamento in modalit PCCI
pu essere attuato solo per carichi molto bassi e per velocit di rotazione di S. d'Ambrosio, D. Iemmolo, A. Mancarella, R. Vitolo Analisi sperimentale di una combustione
diesel non convenzionale -
Ottimizzazione
mediante l'applicazione di tecniche statistiche Una combustione ad elevato grado di premiscelazione stata implementata in un motore diesel Euro VI, per diminuire contemporaneamente le
emissioni di NO X e PM. Tecniche statistiche hanno permesso di ridurre il numero dei test mantenendo un elevato grado di predittvit dell'interazione dei parametri del motore su emissioni, consumi e rumore. Sono state ridotte le emissioni di NO X del 90% e di PM del 99%, a scapito di un aumento del consumo di combustibile e delle emissioni di HC e CO. EXPERIMENTAL ANALYSIS OF NON-CONVENTIONAL DIESEL COMBUSTION MODE AND OPTIMIZATIONS BY MEANS OF STATISTICAL TECHNIQUES
A premixed-charged compression ignition combustion has been implemented in a Euro VI heavy-duty engine to simultaneously reduce NOx and PM
emissions. Statistical techniques allowed efficiently planning and diminishing number of tests, but still maintaining a high prediction of the interactions
among engine parameters and emissions, consumption, noise. The optimization led to a reduction of up to 90% in NOx and 99% in soot emissions,
with penalties in fuel consumption and HC and CO emissions. Stefano d'Ambrosio, Daniele Iemmolo, Alessandro Mancarella, Roberto Vitolo
ICE Advanced Laboratory ' Dipartimento Energia ' Politecnico di Torino TABELLA 1 - Principali caratteristiche del motore Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2017 53 Propulsori & Ambiente medio-basse. L'attivit sperimentale stata effettuata sul banco prova
dinamico dell'ICEAL (Internal Combustion Engines Advanced Laboratory)
al Politecnico di Torino. PIANIFICAZIONE STATISTICA DEGLI ESPERIMENTI (DOE)
L'elevata complessit dei fenomeni fisici coinvolti nel funzionamento di
motori diesel comporta un crescente interesse applicativo riguardo la
pianificazione statistica degli esperimenti (Design of Experiments, DoE),
la modellazione statistica dei fenomeni fisici e le tecniche di ottimizzazio-
ne, al fine di semplificare le operazioni di calibrazione e migliorandone
l'affidabilit [8].
Il DoE rappresenta una tecnica efficiente che riduce significativamente il
numero delle prove sperimentali. Gli esperimenti sono espressi in termini
di 'fattori', ovvero le variabili indipendenti di input il cui valore regolato
dalla centralina per ogni punto testato, al fine di valutare gli effetti sui
parametri dipendenti, noti come 'risposte' [9]. Dopo la selezione dei
fattori pi influenti, basata sulla conoscenza fisica del sistema indagato,
deve essere identificata una combinazione opportuna di 'livelli', ovvero
di valori specifici da assegnare ai fattori [10]. I risultati empirici ottenuti
con il DoE possono essere analizzati e fornire dati necessari alla crea-
zione di modelli statistici che mettano in relazione gli output con i fattori
di input [11]. I modelli regressivi, vengono poi usati al fine di identificare una calibrazione ottimale. Questa analisi stata applicata a differenti
condizioni di velocit e coppia in regime stazionario, in modo da defi-
nire una calibrazione ottimale di anticipo di iniezione (Start of Injection
abbrev. SOI), grado di EGR e pressione di iniezione al fine di ottenere
una combustione PCCI. Per brevit, saranno presentati solo i risultati di
un punto di funzionamento del motore, corrispondente a velocit 1800
rpm e pressione media effettiva 1 bar. ANALISI SPERIMENTALE PRELIMINARE
DELLA COMBUSTIONE PCCI
Un'attivit preliminare ha permesso di identificare le variabili principali
di controllo del motore per ottenere una combustione di tipo PCCI. In una
combustione diesel convenzionale la miscela si auto-accende in condizio-
ni di miscela localmente ricca [13]. L'obiettivo della combustione PCCI
quello di innescare l'accensione della carica in un ambiente pi omoge-
neo al fine di ridurre la formazione di soot, e abbassare le temperature
di combustione cos da evitare la formazione di NO X. La realizzazione delle condizioni di combustione PCCI consiste fondamentalmente nell'au-
mentare il ritardo di accensione, cio il tempo che intercorre tra l'inizio
dell'iniezione (SOI) e l'inizio della combustione [3, 13, 14]. Durante
questo lasso di tempo il combustibile iniettato atomizza, evapora e si mi-
scela con l'aria prima di raggiungere le condizioni di auto-accensione. La FIGURA 1 - Emissioni specifiche di soot (a) in funzione delle emissioni specifiche di NOX e del grado di
EGR, emissioni specifiche di CO (b), consumi specifici di combustibile(c), pressione massima in camera di
combustione(d), baricentro di combustione (e) e rumore di combustione (f) in funzione del grado di EGR.
Ogni curva si riferisce ad un diverso anticipo di iniezione (SOI)
Tecnica 54 LA TERMOTECNICA APRILE 2017 Propulsori & Ambiente durata del ritardo di accensione dipende dalla densit della carica, dalle
concentrazioni di combustibile e ossigeno e dalle temperature all'interno
del cilindro. La concentrazione di ossigeno e la temperatura nel cilindro
sono fortemente influenzate dalla quantit di EGR. Inoltre, la fasatura del
SOI gioca un ruolo importante. Le combustioni di tipo PCCI solitamente
avvengono con una combustione molto anticipata [4-5] o ritardata [6].
Nel caso di iniezione anticipata, la bassa densit di carica e temperatura
all'inizio dell'iniezione, accresce il tempo disponibile per il mescolamento
della miscela, ma l'interazione del getto liquido di combustibile con le
pareti della camera di combustione aumenta (wall impingement secondo
la nomenclatura anglosassone). La pressione d'iniezione influenza il
processo di atomizzazione del getto, ma anche la penetrazione del getto
liquido e quindi il wall impingement. Miglioramenti potrebbero essere
ottenuti aumentando i moti della carica nel cilindro e modellando oppor-
tunamente la geometria della camera di combustione e degli iniettori [6].
Le principali variabili di controllo del motore che possono essere gestite
durante la combustione PCCI su un motore commerciale progettato per
una combustione tradizionale sono il grado di EGR e la fasatura dell'i-
niezione. Sono stati analizzati diversi livelli di pressione d'iniezione
del combustibile, ma si riscontrato che questa variabile ha un effetto
relativamente piccolo e quindi non stata considerata nella discussione
seguente. I test preliminari sono stati eseguiti sul punto di funzionamento di
riferimento, variando uno per volta i valori attribuiti ai singoli fattori [11].
Il primo passo del DoE consiste nell'identificare i valori limite dei fattori.
I limiti inferiori per il SOI e per il grado di EGR sono stati fissati in base
agli andamenti delle concentrazioni di NO X e soot allo scarico: in una combustione di tipo tradizionale queste due specie inquinanti hanno
un andamento opposto, mentre nella combustione PCCI si ottiene una
riduzione simultanea. I limiti superiori per il SOI sono stati determinati al
fine di contenere l'incremento di emissioni di HC e CO. Il limite superiore
del grado di EGR imposto dall'instabilit di combustione riscontrata per
elevati gradi di EGR. L'aumento di EGR ottenuto aprendo completamente
la valvola EGR e aumentando la contropressione allo scarico del motore
tramite l'apposito flap, il che per penalizza il consumo di combustibile.
Gli inquinanti in uscita dal motore sono riportati in Fig. 1, per una velocit
di rotazione pari a 1800 rpm e pressione media effettiva 1 bar, in termini
di emissioni specifiche, valutate come il rapporto tra portata massica della
specie inquinante all'interno del flusso di gas di scarico e la potenza utile
del motore. Per riservatezza, le scale sono normalizzate rispetto ai valori
ottenuti in combustione convenzionale. Il SOI espresso in termini di
angolo di manovella (Crank Angle, abbrev. CA) prima del punto morto
superiore (CA pPMS).
Con riferimento alla Fig. 1a, a parit di emissioni di NOx un incremento
dell'anticipo di iniezione produce una riduzione delle emissioni di soot
grazie all'aumento del tempo disponibile per il miscelamento della carica
prima dell'accensione. Dato un certo valore di SOI, il soot aumenta con
la diminuzione degli NO X, fino ad un certo punto in cui, per valori elevati del grado di EGR, il soot inizia a diminuire contemporaneamente agli
NO X. Se il SOI basso questa inversione non avviene neanche alla mas- sima quantit di EGR possibile, quindi non si realizza una combustione
PCCI. Per iniezioni anticipate tra i 20 e i 24CA pPMS, la diminuzione
simultanea di entrambi gli inquinanti si ottiene per gradi di EGR supe-
riori al 66%. Anticipando ulteriormente il SOI, tra 28 e 30CA pPMS, le
emissioni di soot sono quasi nulle e quindi le corrispondenti variazioni non sono significative. D'altra parte, in Fig. 1c possibile notare un au-
mento del consumo specifico di combustibile con il SOI dovuto all'anticipo
del baricentro di combustione (rif. Fig. 1e), mentre l'effetto sui consumi
dell'aumento della percentuale di EGR in generale non significativo per
le condizioni in esame. Inoltre, l'iniezione anticipata in un ambiente a
bassa densit e temperatura contribuisce all'effetto di wall impingement e
alla formazione di sacche di carica povera che determinano un aumento
della produzione di CO (Fig. 1b) e HC. L'anticipo d'iniezione causa inoltre
un aumento della pressione di picco (PFP, Fig. 1d) mentre l'aumento del
grado di EGR rallenta la combustione e riduce la corrispondente PFP e
il rumore della combustione (CN) (Fig. 1f); l'entit di queste variazioni
ridotta per elevati valori di SOI e di EGR. Inoltre, anticipare il SOI causa
uno slittamento del baricentro di combustione verso valori minori di an-
golo di manovella (Fig. 1e), mentre l'incremento del grado di EGR tende
a ritardare la combustione; sono quasi trascurabili le variazioni ottenute
al variare del SOI per combustioni molto anticipate. DOE E OTTIMIZZAZIONE DELLA COMBUSTIONE PCCI
In base all'analisi preliminare, i principali parametri di input che condi-
zionano la combustione PCCI sono la pressione di iniezione, l'anticipo
d'iniezione e la posizione del flap che regola il flusso di EGR. Dati i valori
limite individuati per ognuna di queste variabili, riportati in Tabella 2, e
avendo stabilito per ciascuna un opportuno numero di livelli, si realizza-
to un piano di esperimenti che minimizza la varianza dell'errore predetto
('V-optimal'). Il consumo specifico di combustibile (brake specific fuel
consumption, abbrev. bsfc), le emissioni specifiche (NO X, soot, HC e CO), il rumore di combustione (CN) e il baricentro di combustione (MFB50)
sono scelti come output dei modelli creati interpolando i valori sperimentali
mediante una funzione polinomiale del secondo ordine delle variabili di
controllo in input (pressione nel rail, SOI, posizione del flap). In seguito
sono state realizzate e testate varie strategie di ottimizzazione della
combustione PCCI nel punto di lavoro studiato, mirando a minimizzare
le emissioni di NO X e/o i consumi specifici, ed eventualmente ponendo dei vincoli superiori ad altri parametri in output.
Il confronto tra la combustione PCCI, ottimizzata secondo i criteri riportati
in Tabella 3, e la calibrazione base del motore con una combustione
convenzionale riportato in Fig. 2. La prima e la seconda ottimizzazione
(Opt 1 e Opt 2) sono ottenute minimizzando le emissioni di NO X, e pro- ducono una riduzione delle emissioni specifiche di NO X del 90% e una combustione senza alcuna fumosit allo scarico, grazie all'aumento del
grado di EGR oltre il 60%. Le emissioni di CO e HC aumentano di 2 e 8
volte rispettivamente, rispetto al riferimento e i consumi aumentano del
13%, a causa dell'anticipo del baricentro di combustione di circa 11CA
rispetto al valore di calibrazione standard. La terza ottimizzazione (Opt 3)
calcolata in modo da minimizzare il consumo specifico di combustibile e
risulta essere il miglior compromesso: in questo caso possibile ridurre le
emissioni di NO X del 60% e il soot di oltre l'80%, mentre la penalizzazione TABELLA 2 - Valori limite per gli input del DoE Tecnica LA TERMOTECNICA APRILE 2017 55 Propulsori & Ambiente sui consumi inferiore al 10%, l'aumento del CO contenuto a meno di
3 volte e le emissioni di HC sono uguali alle condizioni di riferimento. Il
quarto punto (Opt 4) volto a minimizzare contestualmente le emissioni
di NO X ed i consumi, limitando le emissioni di HC e soot a livelli imposti. Le emissioni di NO X ottenute sperimentalmente sono anche inferiori ai casi Opt 1 e Opt 2, il consumo leggermente maggiore di quello nell'Opt 3
e HC e CO sono considerevolmente inferiori rispetto alla Opt 1 e Opt 2
ma molto pi alti di quello della Opt 3. Le emissioni di soot si riducono
del 46%, discostandosi dall'obiettivo di una combustione senza fumosit
allo scarico. In tutte le condizioni testate il rumore di combustione consi-
derevolmente maggiore di quello nella condizione di riferimento, con un
incremento da 11.7 a 13.1 dB. CONCLUSIONI
I principali risultati per il punto di lavoro considerato, estendibili ad altri
punti a basso carico, sono riassunti di seguito: -La combustione PCCI si ottiene con un'appropriata combinazione di elevati gradi di EGR e anticipo d'iniezione. Per bassi valori di SOI non si
in grado di entrare in modalit di combustione PCCI indipendentemente
dalla percentuale di EGR. - possibile ridurre simultaneamente le emissioni allo scarico di NO X e particolato carbonioso fino al 90% e 99%, rispettivamente, rispetto ai
valori del punto calibrato in combustione tradizionale. -Riduzioni di NO X e soot sono sempre accompagnate da importanti aumenti di HC, CO, consumi specifici di combustibile e rumore di
combustione. -L'utilizzo di tecniche statistiche consente di individuare il miglior com- promesso per una calibrazione ottimale. Ulteriori miglioramenti dei risultati possono essere ottenuti considerando
una progettazione ad hoc del propulsore, specificamente pensata per il
funzionamento con una combustione di tipo PCCI. TABELLA 3 - Valori di input
per il punto di riferimento
in combustione tradizionale
(Euro VI) e quelli ottenuti
in base ai criteri di
ottimizzazione riportati in
tabella (minimizzazione e
vincoli)
FIGURA 2 - Emissioni specifiche di NO X (a), soot (b), HC (c) e CO (d), consumi specifici di combustibile (e) e rumore di combustione (f): confronto tra la calibrazione base EU VI e i punti PCCI ottimizzati Tecnica 56 LA TERMOTECNICA APRILE 2017 Propulsori & Ambiente BIBLIOGRAFIA
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2006-01-0026. Vi aspettiamo alla fiera FORLENER 12 ' 14 maggio 2017 Lario Fiere ' Erba (CO)


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