sperimentazione di un motore diesel alimentato con

06.014
SPERIMENTAZIONE DI UN MOTORE DIESEL ALIMENTATO CON MISCELE
DI GASOLIO E COMBUSTIBILI DI ORIGINE VEGETALE
M. Antonelli, C. Morlino, A. Simi, R. Lensi, L. Martorano,
Dipartimento di Energetica "L. Poggi",Università di Pisa
SOMMARIO
L’utilizzo di biomasse agricole è una delle risorse per la produzione distribuita di piccole quantità di energia, atte a soddisfare i
bisogni di piccole-medie aziende in luoghi distanti dalle reti di distribuzione dell’elettricità.
In particolare, gli oli vegetali provenienti da eccedenze di produzione possono essere utilizzati in motori ad accensione per
compressione grazie al buon valore del loro numero di cetano. L'utilizzo di alcool invece presenta molti problemi a causa sia
del basso numero di cetano che dello scarso potere lubrificante; il suo uso può essere possibile senza grandi modifiche al
motore soltanto miscelandolo in piccole percentuali al gasolio.
La viscosità degli oli vegetali è al contrario assai superiore a quella del gasolio per autotrazione, così che la polverizzazione
può essere insufficiente, con effetti dannosi sulle prestazioni del motore.
In questo articolo sono descritti gli effetti sulle curve di coppia, potenza e consumo specifico dell’utilizzo di olio di girasole
crudo, miscelato con normale gasolio per autotrazione anche in combinazione con alcool etilico, in un piccolo motore ad
accensione per compressione.
Il motore utilizzato è un piccolo motore ad accensione per compressione monocilindrico di comune produzione commerciale
ed è stato testato nella sala prova motori del Dipartimento di Energetica dell'Università di Pisa.
Il motore è stato strumentato con un trasduttore piezoelettrico di pressione collocato in camera di combustione per il rilievo del
ciclo indicato. Attraverso questa strumentazione è stato possibile compiere una analisi di massima della combustione per
mezzo dell'esame del rilascio termico.
INTRODUZIONE
Questo lavoro di ricerca sullo sfruttamento delle biomasse
di origine agricola verte sulla valutazione di massima della
combustione di un piccolo motore ad accensione per
compressione alimentato con miscele di gasolio e
combustibili di origine vegetale. In particolare, nel lavoro
sono riportati i risultati della sperimentazione condotta su
miscele di gasolio per autotrazione con olio di girasole e
alcool etilico.
Questo lavoro si inserisce in uno studio più ampio legato
allo sfruttamento delle biomasse di origine agricola nel
campo dei combustibili per autotrazione e per la
generazione di energia distribuita sul territorio e che
prenderà in considerazione anche i biocombustibili indicati
come “biocombustibili di seconda generazione”, i quali
derivano dalla trasformazione del materiale ligneo –
cellulosico residuale delle colture agricole per usi
alimentari.
Il processo di produzione dei biocombustibili di seconda
generazione prevede la trasformazione della biomassa in
biogas per mezzo di procedimenti quali la pirolisi, la
gassificazione oppure la digestione anaerobica e la
successiva trasformazione del biogas in combustibile
tramite processi di vario tipo. Il prodotto che si ottiene è
quindi un prodotto di sintesi, le cui caratteristiche risultano
essere meno sensibili alla tipologia di biomassa di partenza
rispetto ad un biocombustibile di prima generazione [1],[2].
In letteratura possono essere reperiti molti dati in relazione
all’utilizzo di biodiesel nei motori ad accensione per
compressione [3] evidenziando la sostanziale compatibilità
dell’uso di questo combustibile con il processo di
combustione.
L’utilizzo di biodiesel miscelato con il convenzionale gasolio
per autotrazione è regolamentato dalla norma europea EN590
nella percentuale massima del 5% allo scopo di incrementare
il potere lubrificante del gasolio odierno. L’adozione di ridotti
tenori di zolfo ha infatti diminuito il potere lubrificante di
questo combustibile, necessario per la lubrificazione del
sistema di iniezione [4] – [6].
L’utilizzo di olio vegetale crudo pone al contrario maggiori
problemi causati dalla presenza di glicerina, dalla tendenza
all’ossidazione e all’intorbidimento. Pertanto, il suo utilizzo
come combustibile in elevate percentuali può essere causa di
danneggiamento per il motore, a causa della formazione di
residui carboniosi in camera di combustione e di depositi nel
sistema di iniezione.
In questo lavoro viene analizzato l’impiego di olio vegetale
crudo in miscela con gasolio in percentuali ridotte (max 25%).
Inoltre, è stato sperimentato anche l’impiego di etanolo in
bassissima percentuale (max 5%). La bassa percentuale di
miscelazione è motivata dal basso numero di cetano, dalla
bassa viscosità e dalla sua scarsa miscibilità con il gasolio [7].
In letteratura sono presenti esperienze con percentuali di
etanolo fino al 20%, che evidenziano una riduzione nelle
emissioni di particolato ed NOx, ma anche un aumento di
quelle di idrocarburi incombusti [7] – [10].
Studi futuri prenderanno in considerazione anche la
sperimentazione di biocombustibile ottenuto per sintesi (BTL
– Biomass To Liquid), che può essere ricavato da scarti
dell’industria alimentare e delle colture agricole.
Questo aspetto rende il biogasolio di sintesi assai più attraente
dei biocarburanti tradizionali, per l’ottenimento dei quali è
necessario sottrarre parte dei terreni agricoli alle coltivazioni
per uso alimentare. L’utilizzo di biocarburanti di seconda
generazione non risulta invece concorrente con le colture
alimentari e permette di trasformare in combustibili gli
scarti, che costituiscono residui talvolta costosi da smaltire.
Questi dati sono stati successivamente confrontati con quelli
raccolti alimentando il motore con le varie miscele di gasolio e
combustibili di origine vegetale.
PROCEDURA SPERIMENTALE UTILIZZATA
Il rilievo sperimentale delle curve caratteristiche, del ciclo
indicato e del rilascio termico è stato svolto presso il
laboratorio del Dipartimento di Energetica.
La pressione in camera di combustione è stata rilevata
tramite un trasduttore piezoelettrico Kistler ed il relativo
amplificatore di carica, mentre la posizione angolare
dell’albero motore è stata rilevata con un encoder avente
risoluzione angolare pari a ½ grado. Per l’acquisizione dei
dati di pressione in camera di combustione in funzione
dell’angolo di manovella è stata impiegata una scheda di
acquisizione National Instruments ed un programma
sviluppato presso il Dipartimento in ambiente LabVIEW.
Al fine di minimizzare l’effetto della dispersione ciclica
[11] è stato scelto di effettuare la media su 50 cicli motore.
Il numero di cicli su cui effettuare la media è stato
determinato attraverso prove di sensibilità dei dati rispetto a
questo parametro.
Il motore utilizzato per lo studio è un motore
monocilindrico diesel a quattro tempi, iniezione diretta,
fornito dalla soc. Lombardini. La sua cilindrata è pari a 505
cm3, per una potenza di circa 7 kW a 3000 giri/min.
Come detto sopra, i rilievi sperimentali effettuati con questa
attrezzatura hanno consentito di effettuare l’analisi di
massima della combustione con il metodo del rilascio
termico.
Questa analisi può essere condotta attraverso il metodo di
chiusura del bilancio energetico del motore oppure
attraverso il metodo semplificato delle pressioni in moto
[11]. Come osservato in precedenti lavori svolti in
Dipartimento [12]-[14], la differenza tra i risultati forniti dai
due metodi è stata ritenuta sufficientemente ridotta (fig. 1)
da poter applicare il metodo semplificato per questo lavoro
di comparazione tra diversi combustibili utilizzati in uno
stesso motore.
Figura 1 - Confronto tra il rilascio termico rilevato con
il metodo di chiusura (linea a tratti e linea a punti) e con
il metodo delle pressioni in moto (linea continua)
ANALISI DEI RISULTATI
Inizialmente la procedura di analisi fin qui descritta è stata
applicata al motore alimentato con il normale gasolio per
autotrazione a vari regimi di funzionamento compresi tra
1500 e 3000 giri/min.
Figura 2 - Cicli indicati con alimentazione a gasolio
Figura 3 - Confronto tra le curve di rilascio termico a vari
regimi di rotazione con alimentazione a gasolio
Dal grafico di figura 3, si nota che l’andamento delle curve di
rilascio rispecchia quello descritto ampiamente in letteratura
[4]-[6] relativamente alla combustione dei motori ad
accensione per compressione. In questi, l’avvio della
combustione è accompagnato dall’evaporazione delle gocce di
combustibile e mostra una pendenza della curva di rilascio
termico limitata. Il successivo repentino aumento della
pendenza corrisponde alla combustione a volume quasi
costante. Infine, l’ultima fase della combustione, a pressione
quasi costante in cui bruciano le frazioni più pesanti del
combustibile, è mostrata dalla diminuzione della pendenza
della curva di rilascio termico.
Passando all’alimentazione con miscele di gasolio e
combustibili di origine vegetale, si ottengono curve di rilascio
termico simili a quelli ottenuti con l’alimentazione a gasolio,
nelle quali si possono però individuare differenze riconducibili
alle diverse caratteristiche del combustibile utilizzato.
In particolare, la figura 4 presenta l’andamento del rilascio
termico della miscela di gasolio e olio di girasole al 25% in
volume. L’andamento della curva di rilascio si sovrappone
nelle fasi iniziali a quella dell’alimentazione a gasolio. La
differenza del calore totale rilasciato dipende soltanto dal
minore potere calorifico del combustibile e la presenza
dell’olio di girasole non modifica significativamente il rilascio
termico.
Le curve di rilascio termico riportate in figura 5 si riferiscono
alla combustione della miscela composta da gasolio ed alcool
al 5% in volume. Si nota che la presenza dell’alcool provoca
un leggero ritardo nella prima fase della combustione a causa
del più basso potere numero di cetano e del più elevato calore
latente di vaporizzazione. Tale effetto diviene tanto più
evidente quanto più alto è il numero di giri del motore. Lo
sviluppo immediatamente successivo del rilascio termico non
viene invece alterato. Il calore rilasciato in totale è invece
inferiore, sia per il minore potere calorifico della miscela,
sia per la minore mandata della pompa. Questo è
conseguenza della minore viscosità del combustibile, che
provoca un maggiore trafilamento tra cilindretto e
pistoncino del pompante durante l’iniezione, con
conseguente riduzione della quantità immessa nel cilindro.
In questa prima fase della sperimentazione non si è
modificata la taratura del sistema di iniezione.
e il 5% di alcool. Il rilascio termico mostra un andamento
simile a quello della combustione della miscela gasolio-alcool.
1500 giri/min
1500 giri/min
2500 giri/min
2500giri/min
Figura 6 - Rilascio termico comparato gasolio - miscela al
25% di olio e 5% di alcool
Figura 4 - Rilascio termico comparato gasolio - miscela
al 25% di olio
1500 giri/min
Nelle figure 7 e 8 vengono riportati gli andamenti della coppia
e del consumo specifico in funzione della velocità di
rotazione. La presenza dei combustibili di origine vegetale
nelle percentuali considerate non altera significativamente
l’andamento di queste due grandezze. Si osserva
sostanzialmente una leggera riduzione del valore della coppia
motrice, imputabile al minor potere calorifico delle miscele
considerate, che è maggiormente avvertibile ai regimi medioalti mentre rimane praticamente inalterata ai bassi. L’unica
eccezione è rappresentata dalla miscela contenente soltanto
olio di girasole la quale comporta una diminuzione quasi
uniforme della coppia motrice a tutti i regimi di rotazione.
2500 giri/min
Figura 7 - Curve di coppia a vari regimi di rotazione con i
vari combustibili
Figura 5 - Rilascio termico comparato gasolio - miscela
al 5% di alcool
La figura 6 mostra le curve di rilascio termico ottenute con
una miscela contenente il 25% in volume di olio di girasole
Pertanto, ai più elevati numeri di giri, si hanno maggiori
trafilamenti nella pompa di iniezione e, di conseguenza, il
calore sviluppato con alimentazione a gasolio risulterà
maggiore di quello sviluppato dalla miscela gasolio-olioalcool.
Figura 8 - Curve di consumo specifico di combustibile a
vari regimi di rotazione con i vari combustibili
Più dettagliatamente, per spiegare la mancata riduzione di
coppia ai bassi numeri di giri per le miscele contenenti
alcool, si deve esaminare il ciclo indicato. La figura 9
riporta i cicli indicati ai regimi di 1750 giri/min e di 2500
giri/min. Al regime di massima coppia (1750 giri/min), si
nota che il ritardo nell'avvio della combustione conseguente
alla presenza dell’alcool innalza sensibilmente il picco di
pressione e lo ritarda di alcuni gradi. Questo spostamento
amplia l’area del ciclo indicato. Ciò non avviene ai regimi
più elevati, infatti a 2500 giri/min non si ha variazione del
picco di pressione e il ciclo indicato del gasolio puro ha
un’area lievemente superiore a quello della miscela.
Questo comportamento è legato alla diversa variazione
della viscosità del gasolio e della miscela gasolio-olio
vegetale-alcool al variare della temperatura.
Figura 10- Viscosità del gasolio e dell’olio di girasole
L’esame delle curve di consumo specifico conduce a
conclusioni del tutto analoghe a quelle ricavabili dalle curve di
coppia. Anche in questo caso, l’impiego di olio di girasole
comporta un incremento nel consumo specifico, dovuto
essenzialmente al minore potere calorifico dell’olio vegetale
rispetto al gasolio.
CONCLUSIONI
1750 giri/min
2500 giri/min
Figura 9- Confronto tra i cicli indicati
Come si nota dal grafico di figura 10, la viscosità dell’olio
di girasole al variare della temperatura diminuisce più
fortemente di quella del gasolio. All’aumentare del numero
di giri e quindi della potenza erogata, il calore che il motore
trasmette all’esterno sarà maggiore, con un conseguente
aumento della temperatura della struttura del motore.
L’analisi condotta tramite lo studio del rilascio termico indica
che l’aggiunta di quantità di combustibili di origine vegetale in
quantità relativamente ridotte non altera significativamente il
processo di combustione. L’impiego di olio vegetale comporta
una riduzione delle prestazioni del motore e un aumento del
consumo specifico a causa del minore potere calorifico, ma,
come mostrato dall’analisi del rilascio termico, non comporta
sensibili variazioni all’andamento della combustione.
Come prevedibile, è stato osservato che l’introduzione di alcool
nel gasolio in piccole percentuali provoca un leggero ritardo
nello sviluppo delle prime fasi della combustione a causa del
minor numero di cetano, ma non pregiudica il corretto
funzionamento del motore. Tuttavia, l’utilizzo di miscele di
gasolio ed alcool in percentuali anche leggermente superiori
(10% in volume) ha avuto come effetto la mancata accensione a
freddo del motore.
Per la risoluzione di questo inconveniente è necessario
intervenire sul motore variandone i parametri di funzionamento
come il rapporto di compressione oppure introducendo sistemi
ausiliari di preriscaldamento.
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L. Martorano, A. Franco, “Evaluations On The Heat
Transfer In The Small Two-Stroke Engines”, SAE
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SUMMARY
The use of biomass-derived fuels in reciprocating
engines is a very discussed topic today, owing to the rising
price of crude oil and to the environmental issues related to
the increasing level of CO2 in the atmosphere.
Straight vegetable oil can be used in diesel engines
thanks to their high cetane number. On the other hand,
alcohols have a high octane number and this leads them to
be more suitable fuels for spark ignition engines than for
compression ignition ones. They can be used as neat fuel in
a diesel engine only by means of heavy modifications to the
engine itself. So, their use in the existing compression
ignition engines is possible only if used in low percentages
together with diesel fuel.
In this paper the behaviour of a diesel engine fuelled
with mixtures of diesel fuel, straight sunflower oil and
ethanol is presented.
An overall evaluation of the combustion process was
carried out by means of the analysis of the heat release rate.
This analysis was performed by the use of a piezoelectric
trasductor placed in the combustion chamber of the engine
which allowed the indicated cycle to be traced.

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