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Combustibili alternativi su motori di grandi dimensioni

Il valore della sovralimentazione per l'uso di combustibili alternativi su motori di grandi dimensioni

I motori diesel alimentati con distillati e combustibili residuali ai processi di raffinazione del petrolio sono tuttora predominanti nelle applicazioni marine, mentre in campo stazionario sono stati da tempo sostituiti con motori alimentati con combustibili a minor impatto ambientale, di derivazione biologica sia liquidi che gassosi e, soprattutto in ambito motori veloci, gas naturale e biogas.

- Effetti delle proprietà del combustibile sui parametri di disegno del turbocompressore
- Proprietà di combustione dei combustibili alternativi
- Concetto di sovralimentazione per un motore veloce a velocità variabile alimentato a idrogeno

Le stringenti necessità di contrastare il cambiamento climatico hanno portato sia numerose organizzazioni internazionali che legislazioni locali, a formulare piani ed imporre regolamentazioni traguardate alla riduzione delle emissioni di gas serra.

L'industria motoristica ha come traguardo l'abbattimento completo delle emissioni di gas serra mediante l'impiego di combustibili a emissioni di carbonio ridotte o nulle, oltre ai già disponibili sostituti sintetici e biogeni del gasolio fossile.

Metano, già oggi largamente utilizzato, e in chiave futuro prossimo Idrogeno e ammoniaca, totalmente privi di carbonio e quindi a con proprietà energetiche particolarmente adatte al loro utilizzo nei motori a combustione interna, sebbene la loro produzione debba essere ad emissioni CO2 nulle o neutrali, eliminando il trasferimento delle emissioni dalla nave all'industria.

Effetti delle proprietà del combustibile sui parametri di disegno del turbocompressore

Ogni combustibile ha specifiche caratteristiche chimico-fisiche, tali da richiedere interventi di messa a punto sul motore, in particolare su sistema di iniezione, controllo dell'accensione, sistemi di scarico, sovralimentazione, trattamento post-combustione del gas.

Nella progettazione e dimensionamento del sistema di sovralimentazione va considerata la quantità di aria necessaria per una combustione completa, valutando come il settaggio del motore abbia un impatto determinante sul rapporto di compressione, la massa di aria disponibile e l'efficienza della turbosoffiante.

Proprietà chimiche dei combustibili alternativi

Nella progettazione dei motori l'influenza del combustibile è normalmente caratterizzata da due parametri quantitativi:

- Massa d'aria stechiometrica (Lmin), la quantità di aria necessaria ad ottenere una combustione completa di una certa quantità di combustibile

- Potere calorifico inferiore (LHV), la minima energia contenuta in una determinata quantità di combustibile

I valori di riferimento di questi parametri differiscono tra loro in modo significativo, in particolare per l'idrogeno, a seconda del combustibile in esame. Tuttavia, entrambi i parametri sono definiti come relazione con la massa del combustibile, che rappresenta solo una frazione limitata della massa interna alla camera di combustione.

Proprietà di combustione dei combustibili alternativi

Le informazioni relative ai combustibili alternativi riguardano generalmente le loro proprietà chimiche e fisiche. Nonostante le proprietà di combustione non siano direttamente legate ai requisiti di sovralimentazione, i relativi concetti di combustione determinano i limiti operativi per l'eccesso d'aria e quindi le condizioni al contorno del sistema di sovralimentazione.

Le proprietà più significative per la scelta del profilo di combustione più adatto nei limiti del campo di funzionamento con un eccesso d'aria fattibile, sono rappresentate dalla quantità di energia minima necessaria all'accensione e la temperatura di autoaccensione.

Il confronto mostra come LNG, LPG e metanolo non differiscano sensibilmente dai combustibili liquidi convenzionali, ad eccezione della temperatura di accensione. Il basso valore di MDO spiega la sua attitudine a funzionare su motori a compressione pura, Diesel, mentre i rimanenti combustibili richiedono una fiamma pilota generata da combustibili simili a MDO o, in alternativa, il loro impiego richiede motori con rapporti di compressione geometrici più elevati.

Ammoniaca e idrogeno hanno caratteristiche significativamente diverse dagli altri idrocarburi in esame per quanto riguarda le proprietà di accensione e il rilascio di energia, una opposto all'altra. L'ammoniaca è estremamente difficile da accendere, mentre l'idrogeno accende facilmente e rilascia energia molto rapidamente.

I limiti opposti di combustione dell'ammoniaca e del metano dipendono dal minor numero di molecole di aria necessarie alla combustione dell'ammoniaca, dal momento che il solo idrogeno contribuisce alla conversione energetica, non l'azoto in essa contenuto.

La combustione dell'ammoniaca è quindi relativamente lenta e difficile da mantenere, mentre la combustione dell'idrogeno è più rapida rispetto ai comuni idrocarburi, come indica la velocità di fiamma. Conseguentemente, la combustione dell'idrogeno in particolare con bassi eccessi di aria è prona all'autoaccensione.

Accelleron continua a condurre simulazioni su diversi casi, con lo scopo di rilevare come le condizioni a contorno del sistema di sovralimentazione impattino sulla turbosoffiante.

In allegato, è possibile scaricare il pdf completo dell'articolo, che include anche il paragrafo "Concetto di sovralimentazione per un motore veloce a velocità variabile alimentato a idrogeno".

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Articoli tecnico scientifici o articoli contenenti case history
Fonte: La Termotecnica settembre 2023
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