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

MOTORE DIESEL A 4 TEMPI COMPRESSIONE Con tutte le valvole chiuse, il pistone va sù, comprimendo l’aria nel cilindro Incremento della temperatura dell’aria e della pressione

MOTORE DIESEL A 4 TEMPI INIEZIONE Il combustibile è iniettato nel cilindro ad alta pressione, dopo la compressione dell’aria

MOTORE DIESEL A 4 TEMPI ESPANSIONE Il combustibile si infiamma quando viene a contatto con l’aria calda Il motore è così creato.

MOTORE DIESEL A 4 TEMPI VAPORE DI SCARICO Dopo la combustione, i gas combusti lasciano il cilindro attraverso la/le valvola/e di scarico

MOTORE DIESEL A 4 TEMPI COMBUSTÃO ASPIRAZIONE COMPRESSIONE INIEZIONE ESPANSIONE VAPORE DI SCARICO

Rapporto di compressione =

COMPONENTI PRINCIPALI DEL MOTORE

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

PRINCIPALI SISTEMI AUSILIARI 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 )

Albero a camme laterali DISTRIBUZIONE Doppio albero a camme in testa, DOHC Albero a camme laterali

DISTRIBUZIONE

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO Finalità: 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 ) Riscaldare l’abitacolo per la climatizzazione del veicolo Migliorare la partenza a freddo

SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO Pompa acqua Termostato Radiatore Ventilatore Sistema di riscaldamento

SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE 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 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

Iniezione indiretta INIEZIONE DIRETTA SISTEMA DI COMBUSTIONE Iniezione diretta nei cilindri Pressioni d’iniezione più elevate Tecnologia più costosa e sofisticata Iniettori multipli

INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA A CONFRONTO Perdite Minore dispersione termica Maggiore dispersione termica tra le camere Performance Maggiore Minore Velocità Velocità del motore moderata Velocità del motore più elevata Combustibile Necessita di carburanti di qualità superiore Funziona con carburanti di più scarsa qualità (viscosità, numero di cetano) Iniezione Multijet (Pressioni d’iniezione più elevate) Single-jet (Pressioni d’iniezione più modeste )

Minor consumo di carburante INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA A CONFRONTO Vantaggi Svantaggi Minor consumo di carburante Prezzo Potenza Rumorosità Partenza fredda Vibrazioni

INIEZIONE DIRETTA

INIEZIONE DIRETTA Squish e swirl

SISTEMI DI INIEZIONE Pompa radiale e in linea Iniettore-pompa Common Rail

SISTEMI DI INIEZIONE Pompa in linea 600...700 bar  1 000 bar all’estremità dell’iniettore

SISTEMI DI INIEZIONE Pompa radiale 1 000 / 1 500 bar all’estremità dell’iniettore

SISTEMI DI INIEZIONE Iniettore Pompa  2000 bar 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

SISTEMI DI INIEZIONE Common-Rail Vantaggi Pressão máx. 1350 – 1500 bar 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

TURBOCOMPRESSIONE

TURBOCOMPRESSIONE Geometria variabile Maggiore coppia su l’intera gamma delle velocità del motore Migliore consumo di carburante Maggiore potenza

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

FORMAZIONE E CONTROLLO DEGLI INQUINANTI Controllo delle emissioni: Ricircolazione dei gas di scarico, EGR Filtri del Particolato Catalizzatori

Catalizzattori Controllo delle emissioni Diesel: Benzina: 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)

FORMAZIONE E CONTROLLO DEGLI INQUINANTI HC CO NOx PM Diesel Benzina

STANDARD EUROPEI DELLE EMISSIONI Veicolo Diesel per trasporto persone  2,5t (valori in g/km) 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 0.90 0.10 Euro 3 2001 0.64 0.56 0.50 0.05 Euro 4 2005 0.30 0.25 0.025

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

RENDIMENTO ENERGETICO 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)

RENDIMENTO ENERGETICO 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)

RENDIMENTO ENERGETICO 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.

RENDIMENTO ENERGETICO Rapporto di compressione Teorico rendimento del motore Motori Diesel Motori a benzina

RENDIMENTO ENERGETICO Lavoro utile Procedura ideale Perdite stechiometriche Perdite di combustione Variazioni di velocità Perdite Perdite di carico 87% Motore a benzina, guida in zona urbana

DIESEL – BENZINA A CONFRONTO Immissione Aria Aria e carburante Combustione Auto accensione, dovuta all’alta pressione e alla temperatura all’interno del cilindro Accensione a scintilla Carburante Deve 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% Turbocompressione Quando è possibile. Aumenta il rendimento e migliora la combustione Soluzione non comune, pur riscontrando sempre più consenso.

DIESEL – BENZINA A CONFRONTO 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 motore Limitato 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)

Riassumendo…. Le compagnie petrolifere lavorano per: Aumentare il numero di cetano Abbassare il tenore in zolfo

Grazie al Prof. Tiago Farias, docente presso l’Università Tecnica di Lisbona

Grazie per l’attenzione!