ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES COMBUSTIBILI CONVENZIONALI Carlos Sousa AGENEAL, Local Energy...

ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES

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COMBUSTIBILI CONVENZIONALI

Carlos Sousa

AGENEAL, Local Energy Management Agency

of Almada



MOTORI DIESEL E BENZINA

• Ciclistica a 4 tempi

• Componenti principali

• Sistemi ausiliari



MOTORE DIESEL A 4 TEMPI

ASPIRAZIONE

L’aria entra nella camera di combustione



COMPRESSIONE

Con tutte le valvole chiuse, il pistone va sù, comprimendo l’aria nel cilindro

Incremento della temperatura dell’aria e della pressione




INIEZIONE

Il combustibile è iniettato nel cilindro ad alta pressione, dopo la compressione dell’aria




ESPANSIONE

Il combustibile si infiamma quando viene a contatto con l’aria calda

Il motore è così creato.




VAPORE DI SCARICO

Dopo la combustione, i gas combusti lasciano il cilindro attraverso la/le valvola/e di scarico




ASPIRAZIONE COMPRESSIONE ESPANSIONE VAPORE DI SCARICO

INIEZIONE

COMBUSTÃO




• Rapporto di compressione =

resV

Vmax



COMPONENTI PRINCIPALI DEL MOTORE



• Pistone – Trasmette il movimento all’albero

• Albero di connessione – Trasmette il

movimento all’albero a gomiti

• Albero a gomiti – Trasforma il movimento

alternato in movimento circolare

COMPONENTI PRINCIPALI DEL MOTORE



• Distribuzione (apertura/chiusura delle valvole)

• Sistema di raffreddamento (previene il surriscaldamento dei

componenti)

• Lubrificazione (riduzione di piombo, lavaggio dei componenti, ecc.)

• Combustibile (aspirazione di carburante )

PRINCIPALI SISTEMI AUSILIARI



Doppio albero a camme in testa,DOHC

Albero a camme laterali

DISTRIBUZIONE



DISTRIBUZIONE



Finalità:

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO

1. Raffreddare i componenti del motore:

Mantenere il motore ad una temperatura accettabile (es.

evitare che i componenti si surriscaldino)

mantenere le proprietà fisico-chimiche del lubrificante

(facilmente alterabile a temperature troppo elevate )

2. Riscaldare l’abitacolo per la climatizzazione del veicolo

3. Migliorare la partenza a freddo



• Pompa acqua

• Termostato

• Radiatore

• Ventilatore

• Sistema di

riscaldamento

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO



L’olio del motore non serve solo a lubrificare ma è anche dotato di:

•Proprietà altamente detergenti e disperdenti

•Caratteristiche altamente antiossidanti

•Buona capacità di raffreddamento (contribuisce al raffreddamento del motore)

•Buona capacità di neutralizzazione degli acidi

•Ottima resistenza agli sbalzi di temperatura (caldo e freddo)

SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE



SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE



SISTEMA DI COMBUSTIONE

Finalità:

• Una volta immesso il combustibile nel motore, esso si miscela con l’aria calda all’interno del cilindro, evapora, si infiamma e brucia



1. Iniezione indiretta

2. INIEZIONE DIRETTA

• Iniezione diretta nei cilindri

• Pressioni d’iniezione più elevate

• Tecnologia più costosa e sofisticata

• Iniettori multipli

SISTEMA DI COMBUSTIONE



Diretta Indiretta

Perdite Minore dispersione termicaMaggiore dispersione termica

tra le camere

Performance Maggiore Minore

Velocità Velocità del motore moderata Velocità del motore più elevata

CombustibileNecessita di carburanti di

qualità superiore

Funziona con carburanti di più scarsa qualità (viscosità,

numero di cetano)

IniezioneMultijet

(Pressioni d’iniezione più elevate)

Single-jet (Pressioni d’iniezione più

modeste )

INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA A CONFRONTO



Vantaggi Svantaggi

Minor consumo di carburante

Prezzo

Potenza Rumorosità

Partenza fredda Vibrazioni

INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA

A CONFRONTO



INIEZIONE DIRETTA



Squish e swirl

INIEZIONE DIRETTA



SISTEMI DI INIEZIONE

• Pompa radiale e in linea

• Iniettore-pompa

• Common Rail




Pompa in linea

600...700 bar 1 000 bar all’estremità dell’iniettore




Pompa radiale

1 000 / 1 500 bar all’estremità dell’iniettore




Vantaggi

• Nessun tubo di carburante ad alta pressione

• Pressioni d’iniezione più elevate

• Minor consumo di carburante

• Potenza e coppia migliori a basse velocità del motore

Iniettore Pompa

2000 bar



Pressão máx. 1350 – 1500 barSISTEMI DI INIEZIONE

Common-Rail

1 800 2 000 bar

Vantaggi

• Migliore controllo iniezione

• Riduzione di rumorosità e vibrazioni

• Buon consumo di carburante

• Coppia e potenza buone

• Riduzione di emissioni inquinanti



MOTORI A BENZINA

Il motore a benzina permette di utilizzare:

• Una miscela di aria e carburante

• Aria, con carburante immesso direttamente nel cilindro – Motori ad Iniezione Diretta

Source: Total



TURBOCOMPRESSIONE

Finalità: Aumentare il rapporto potenza/peso

Un compressore aumenta la densità dell’aria prima di essere immessa nei cilindri

Svantaggi (relativi ai motori atmosferici - “non-turbo”):

• Complessità e costi maggiori

• Maggiori alterazioni fisiche e termiche del motore

Vantaggi:

• Migliori coppia e potenza

• Migliore consumo di carburante



TURBOCOMPRESSIONE



Geometria variabile

• Maggiore coppia su l’intera gamma

delle velocità del motore

• Migliore consumo di carburante

• Maggiore potenza

TURBOCOMPRESSIONE



TURBOCOMPRESSIONE SCAMBIATORE DI CALORE

Finalità: Aumentare il rapporto potenza/peso

Lo scambiatore di calore raffredda l’aria dopo la compressione e prima della sua ammissione nei cilindri:

• Maggiore massa d’aria nei cilindri

• Più carburante

• Maggiore coppia

•Più potenza



FORMAZIONE E CONTROLLO DEGLI INQUINANTI

La combustione dei motori Diesel è caratterizzata da un’alta concentrazione di particelle inquinanti derivanti da combustibile (scarsa atomizzazione/vaporizzazione del carburante).

Maggiori inquinanti:

• Sostanza particellare (PM)

• Idrocarburi incombusti, HC

• Monossido di carbonio, CO

• Ossidi d’azoto, NOx




Controllo delle emissioni:

• Ricircolazione dei gas di scarico, EGR

• Filtri del Particolato

• Catalizzatori



CatalizzattoriControllo delle emissioni

Diesel:

• Ricircolazione dei gas di scarico, EGR (previene la formazione di NOx)

• Filtri del Particolato, attivi e passivi (PM)

• Catalizzatori per ossidazione (HC e CO)

• Riduzione catalitica selettiva, SCR (NOx in N2 e H2O)

Benzina:

• Catalizzatori trivalenti

• Catalizzatori per ossidazione (CO e HC in CO2 e H2O)

• Catalizzatori per la Riduzione (NO in N2 e O2)



Qualità del combustibile, diesel:

• Il diesel è cetano derivato (C10H22)

• Il Numero di Cetano: Indica la capacità maggiore o minore del combustibile di auto accensione ( diminuire il ritardo per l’auto accensione)

• 15: Modesta capacità di auto accensione: isocetano

• 100: Elevata capacità di auto accensione: cetano

• Numero di cetano minimo richiesto: 51

• Tenore in zolfo: Meno di 50 ppm Carburante a basso tenore di zolfo

• Elimina le emissioni di anidride solforosa (SO2)

• Riduce le emisssioni PM

• Meno di 10 ppm: Carburante senza zolfo (Dal 2009)



HC CO NOx PM

Diesel

Benzina




STANDARD EUROPEI DELLE EMISSIONI

Standard Anno CO HC HC + NOx NOx PM

Euro 1 1992 2.72 - 0.97 - 0.14

Euro 2 - IDI 1996 1.00 - 0.70 - 0.08

Euro 2 - DI 1999 1.00 - 0.90 - 0.10

Euro 3 2001 0.64 - 0.56 0.50 0.05

Euro 4 2005 0.50 - 0.30 0.25 0.025

Veicolo Diesel per trasporto persone 2,5t (valori in g/km)



RENDIMENTO ENERGETICO

COPPIA

Energia generata in un giro del motore, determinato dalla combustione del carburante [kg.m o N.m].

1 kg.m=9.8 N.m

Maggiore è la coppia, più efficiente è il motore per il regime del motore dato.

POTENZA

Energia generata per unità di tempo [W o CV].

1kW = 1,36 CV

1 CV = 0,736 kW




Curva della coppia

• Mostra la distribuzione della coppia durante l’intera gamma di velocità del motore, a pieno carico (con massimo afflusso di carburante).

• Dovrebbe essere quanto più piatta per garantire una buona risposta del motore a tutte le velocità.

• RPM x N.m (oppure kg.m)




Curva di potenza

• Mosta la distribuzione di potenza durante l’intera gamma di velocità del motore, a pieno carico (con massimo afflusso di carburante).

• RPM x kW (oppure CV)




• CO2 emissioni per litro: Benzina leggermente meno del Diesel

• CO2 emissioni per km: il Diesel usa meno carburante... …emette meno CO2

• Il rendimento energetico varia in funzione della compressione

• II rapporto aria/combustibile è variabile nei motori Diesel.

• Il rapporto aria/combustibile è costante nei motori a Benzina (stechiometrico: 14.7 / 1), a prescindere da carico e velocità.

• Nei motori a gasolio il rapporto aria/combustibile può abbassarsi fino a 100 / 1. Offrono quindi, rispetto ai motori a benzina, un rendimento di combustibile a carico parziale tanto più importante.




Rapporto di compressione

Teo

rico

rend

imen

to d

el m

otor

e

Motori Diesel

Motori a

benzina

resV

Vmax




Lavoro utile

Procedura ideale

Perdite stechiometriche

Perdite di combustione

Variazioni di velocità

Per

dite

Perdite di carico

Perdite

87%

Motore a benzina, guida in zona urbana



DIESEL – BENZINA A CONFRONTO

Diesel Benzina

Immissione Aria Aria e carburante

Combustione

Auto accensione, dovuta all’alta pressione e alla temperatura all’interno del cilindro

Accensione a scintilla

CarburanteDeve evaporare facilmente e auto avviarsi (Numero di cetano elevato)

Non deve auto avviarsi(Numero di ottano elevato)

Rapporto di compressione

Il più alto possibile (15 su 24)

Limitato dalle caratteristiche del combustibile (9 su 12)

Rendimento ~35% Meno di 30%

TurbocompressioneQuando è possibile. Aumenta il rendimento e migliora la combustione

Soluzione non comune, pur riscontrando sempre più consenso.



DIESEL – BENZINA A CONFRONTO

Diesel Benzina

Consumo di carburante Minore Maggiore

Prezzo del carburante

In genere più economico. ma varia in funzione delle tasse applicate da ogni paese.

Più elevato

Peso Più pesante Più leggero e più compatto

Avviamento Quasi immediato Immediato

Rumorosità e vibrazioni Alte Modeste

Regime del motoreLimitato dalle caratteristiche del ciclo e del carburante

Alto



INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA – UNA CURIOSITÀ

Nel 1976, la Volkswagen coniò la sigla “GTI”, senza tuttavia registrarla.

Quasi tutti i costruttori automobilistici l’hanno usata!!

Poi, nel 1991, la Volkswagen coniò la sigla “TDI” e la registrò. Il risultato fu che…



INDUSTRIA AUTOMOBILISTICA – UNA CURIOSITÀ

TDI – VAG Group TiD - Saab

JTD - Alfa, Fiat, Lancia D- 4D - Toyota

d - BMW D5- Volvo

CRD - Chrysler, Jeep HDI - Peugeot, Citroën

TDdi - Ford Di-D – Mitsubishi

TDCi - Ford dTi - Renault

CDTi - Honda dCi - Renault

CRDi - Hyundai CDT – Rover

DvTdi – Mazda DTI – Opel

DiTD – Mazda

CDI – Mercedes

DDTi – Nissan



Riassumendo….

Vantaggi del motore Diesel:

• Miglior rendimento energetico: usa meno carburante/energia (funziona con rapporti di compressione più alti)

Vantaggi del motore a Benzina:

• Migliore accensione a freddo

• Meno rumorosità e vibrazioni

• Più elasticità (velocità del motore più alte)

• Più leggero

• Maggiore potenza rispetto a un motore Diesel delle stesse dimensioni



Riassumendo….

Investire nel motore e la tecnologia Diesel significa:

• Migliorare l’atomizzazione del carburante (più alte pressioni d’iniezione)

• Migliorare il flusso all’interno del cilindro

• ottimizzare l’iniezine per ridurre rumorosità e vibrazioni

• Massimizzare potenza e coppia senza che ne risenta il consumo di carburante (ottimizzare la turbocompressione)

• Ottimizzare l’iniezione di combustibile per ridurre il consumo di carburante (es.: tecnologie per l’iniezione nei motori)



Le compagnie petrolifere lavorano per:

• Aumentare il numero di cetano

• Abbassare il tenore in zolfo

Riassumendo….



Grazie al Prof. Tiago Farias,

docente presso l’Università

Tecnica di Lisbona



Grazie per l’attenzione!

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