ITTO20080943A1

ITTO20080943A1 - Motore alimentato a gas ottenuto da un preesistente motore diesel

Info

Publication number: ITTO20080943A1
Application number: IT000943A
Authority: IT
Inventors: Giovanni Maria Galanto
Original assignee: Socoges S R L
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2010-06-18
Also published as: WO2010070691A1

Description

Motore alimentato a gas ottenuto da un preesistente motore Diesel

Formano oggetto del presente trovato una serie di accorgimenti per la trasformazione di un motore diesel tradizionale per applicazioni stazionarie in un motore alimentato a gas.

Dalla letteratura nota in materia si evince che i motori a combustione interna alimentati con combustibili gassosi ,quali ad esempio metano o gas derivanti da gassificazione, necessitano di velocità di propagazione della fiamma all’interno della camera di combustione più basse rispetto a quelle osservate alimentando tradizionalmente il motore mediante benzina o gasolio.

Pertanto si deduce che la camera di combustione e più precisamente la scelta del disegno della stessa è senza dubbio uno dei componenti da progettare e realizzare con la massima cura ai fini di un funzionamento ottimale del motore stesso alimentato a gas.

In<1>e<2>gli autori hanno testato un motore a gas installando tre

1 Jesper Ahrenfeldt, Torben Kvist Jensen, Ulrik Henriksen and Jesper Schramm, Experiments with Wood Gas Engines, SAE Paper 2001-01-3681.

2 Olsson K. “On Combustion Chambers For Natural Gas SI Engines”. Lund Institute of Technology, 1995.

diverse camere di combustione: la prima piatta, la seconda con la bowl cilindrica e la terza con la bowl parallelepipeda. Per “bowl” si intende la cavità ricavata nello spazio compreso tra il cielo del cilindro e la parte superiore del cilindro stesso, tipica dei motori ad iniezione diretta e che costituisce appunto la camera di combustione. In tale cavità, si inietta il combustibile, generalmente mediante un iniettore (nel caso di motori Diesel tradizionali).

Tornando alle tre tipologie di camere di combustione testate dagli autori<1>e<2>, la prima (forma piatta), essendo la più semplice delle tre, non disturba il moto di swirl generato dai condotti di aspirazione e, pertanto, fornisce bassi livelli di turbolenza e quindi una maggiore durata della combustione. La camera con la bowl cilindrica, invece, aumenta sia l’intensità del moto di swirl dal momento che forza il flusso in un condotto a raggio inferiore che l’effetto dello squish che deriva dall’altezza di clearance tra la testa del cilindro e il pistone al PMS producendo un elevato livello di turbolenza e quindi una maggiore superficie di fiamma; la velocità di combustione risulta, in questo caso, maggiore rispetto al caso precedente. L’ultima camera, infine, quella con sezione quadrata della bowl, genera il livello di turbolenza maggiore, ma allo stesso tempo è la più difficile da realizzare ed oltretutto genera problemi a livello di produzione eccessiva di NOxfavoriti dall’elevato grado di turbolenza.

In<[3]>,<[4]>,<[5]>si sottolinea, come già detto, l’importanza della geometria della camera di combustione, nonché l’importanza della posizione della candela di innesco della combustione stessa. La candela deve essere posta in posizione quanto più centrale possibile, al fine di garantire che tutte le zone del cilindro siano raggiunte dal fronte di fiamma nel minor tempo possibile. Inoltre, sempre in<[4]>, si pone l’accento sull’importanza del valore del rapporto di compressione ottimale per i combustibili gassosi, il quale si attesterebbe attorno ad un valore di 11,5 per i gas derivanti da gassificazione. Tale valore è giustificato dall’esigenza da una parte di assicurare un’elevata efficienza del motore, dall’altra di evitare l’insorgere della detonazione.

Le caratteristiche fin qui emerse dagli studi e dalle pubblicazioni citate singolarmente non forniscono una soluzione chiara al problema dell’adattamento e ottimizzazione di un motore Diesel per applicazioni stazionarie in un motore alimentato a gas (povero e non).

Insieme alla scelta della forma della camera di combustione più idonea al funzionamento di un motore per applicazioni stazionarie alimentato a gas, a partire dalla modifica di un

3 P. G. Tewari, J. P. Subrahmanyam and M. K. Gajendra Babu, Experimental Investigations on the Performance Characteristics of a Producer Gas Fuelled Spark Ignition Engine, SAE Paper 2001-01-1189.

4 Shashikantha, Parikh P.P., Spark Ignition Producer Gas Engine and Dedicated Compressed Natural Gas Engine- Technology Development and Experimental Performance Optimisation, SAE Paper 1999-01-3515.

5 Francisco V. Tinaut, Andrés Melgar, Alfonso Horrillo, Ana Dìez de la Rosa, Method for predicting the performance of an internal combustion engine fuelled by producer gas and other low heating value gases, Fuel Processing Technology 87 (2006) 135 – 142.

preesistente motore tradizionale alimentato a benzina o gasolio, entrano in gioco altri fattori di indubbia importanza i quali emergeranno delle descrizione dettagliata che si fornirà in seguito.

Scopo del presente trovato, quindi, è la trasformazione di un motore diesel tradizionale per applicazioni stazionarie in un motore alimentato a gas mediante una serie di accorgimenti tra i quali il più importante è la modifica della forma della camera di combustione.

La grande disponibilità di motori diesel per applicazioni stazionarie di tutte le taglie ha indirizzato la ricerca per lo sviluppo di propulsori a gas (povero e non) nella direzione dell’adattamento di tali unità, in modo da minimizzare i costi annessi alla progettazione ex-novo dei componenti.

In particolare, dei suddetti motori Diesel tradizionali rimangono inalterati basamento, albero motore e cilindri, mentre le caratteristiche che subiscono modifiche, invece, sono:

- Rapporto di compressione: il rapporto di compressione viene abbassato da un valore di circa 17:1 (tipico dei motori Diesel) fino ad un valore ottimale compreso nel range 9,5 – 11,5:1. - Moto della carica: i motori Diesel sono costruiti in modo da avere elevati valori di moto di swirl (moto di rotazione dei gas intorno all’asse di simmetria della bowl) per consentire l’ottimale mescolamento tra combustibile iniettato e aria. Mentre nel caso dei motori alimentati a gas (analogamente ai motori benzina), l’obiettivo principale è far avvicinare la miscela fresca alla candela ed evitare la formazione di zone mascherate al fronte di fiamma, il tutto comunque in regime di elevata turbolenza.

- Camera di combustione: per ottenere le caratteristiche di moto appena descritte si utilizza una camera con conformazione a “W”, avente un volume del “bowl” all’interno del pistone superiore rispetto al caso Diesel per permettere una riduzione del rapporto di compressione. Anche il diametro della camera è incrementato per diminuire la velocità di swirl.

- Accensione: l’accensione della miscela è affidata ad una candela al posto del tradizionale iniettore di combustibile nel caso di motore Diesel. A causa della scarsa qualità del gas impiegato come combustibile e la presenza di inerti in miscela, la velocità di propagazione della fiamma è molto più bassa che nel caso di altri combustibili più pregiati. Ciò implica che per far fronte al maggior tempo di combustione è necessario prevedere un adeguato anticipo di accensione. - Diagramma valvole: il diagramma di apertura e chiusura delle valvole influenza molto il rendimento del motore. Per un motore a gas occorre evitare il riflusso del gas di scarico nel condotto di aspirazione durante l’incrocio, in quanto potrebbe verificarsi un’esplosione a monte del motore. Un incremento di prestazioni si ottiene inoltre modificando il diagramma di alzata delle valvole ottenendo moti di alzata più rapidi, i quali consentono di avere una sezione di passaggio media maggiore incrementando così il coefficiente di riempimento.

- Rapporto di diluizione: tali motori alimentati a gas funzionano solitamente con un rapporto di miscela maggiore di quello stechiometrico, solitamente compreso tra 1 e 3.

- Condotti di aspirazione e scarico: per migliorare il rendimento del motore alimentato a gas è necessario anche aumentare il diametro dei condotti, diminuire la lunghezza del collettore di aspirazione, aumentare la lunghezza del collettore di scarico e dotarlo di una certa conicità.

Queste ed altre caratteristiche innovative risulteranno dalla seguente descrizione dettagliata la quale farà riferimento alle

• la fig. 1 comprende una vista in 3D ed in sezione del pistone

• la fig. 2 è una vista in sezione trasversale del cilindro con in evidenza la posizione delle valvole di aspirazione e scarico e

<• la fig. 3 mostra il modello 3D del condotto di aspirazione;>• la fig. 4 mostra una vista in 3D della geometria del condotto

• la fig. 5 mostra i risultati sperimentali relativi alla massa aspirata dai singoli cilindri nel caso di condotto di aspirazione<mostrato in fig. 4;>

• la fig. 6 mostra alcune viste 3D della geometria modificata del condotto di aspirazione relativo al motore diesel<tradizionale alimentato a gas;>

• la fig. 7 mostra il confronto tra le masse aspirate dai singolicilindri nel caso di condotto tradizionale (fig. 4) e di condotto<modificato (fig.6);>

• la fig. 8 mostra lo schema dell’impianto alimentazione-<accensione;>

• la fig. 9 mostra lo schema dell’ordine di accensione deicilindri.

Nell’ottica di una conversione dell’alimentazione di un motore Diesel tradizionale per applicazioni stazionarie verso un’alimentazione a gas, si parte dall’analisi sia dal punto di vista della componentistica che dal punto di vista sperimentale delle prestazioni di un motore Diesel preesistente.

Ad esempio, nel caso in esame e comunque non in maniera limitativa, si farà riferimento ad un propulsore di 12 litri di cilindrata, 6 cilindri in linea con alimentazione forzata mediante turbocompressore a gas di scarico con intercooler. Ad unità di questo genere si possono applicare le modalità di adattamento sia accennate in precedenza che ulteriormente approfondite in seguito.

Nella logica della trasformazione del motore una delle modifiche sostanziali è quella di eliminare l’iniettore, tipico del motore Diesel, sostituendolo con una candela facendo elaborare al motore, in questo modo, un ciclo Otto e non più Diesel. Tale soluzione consente di svincolarsi completamente dal combustibile liquido, ma richiede modifiche sostanziali al motore stesso. Tuttavia, ai fini dello sfruttamento di tale motore modificato all’interno di un possibile programma di generazione locale di energia, tale approccio risulta essere senza dubbio il migliore.

9 lavoro a numero di giri costante, selezionabile tra 1500 e1800 rpm, a seconda che la generazione di corrente sia

9 erogazione di potenza rispettivamente pari a 187 e 220 kW di

9 motore munito di sole due valvole per cilindro con

<9 albero a camme alloggiato all’interno del basamento;>

9 valvola di aspirazione con diametro di 53mm;

9 valvola di scarico con diametro di 51 mm.

Come primo step per l’adattamento della camera di combustione è stata effettuata la riproduzione in CAD della stessa (fig. 1) sulla base delle misure originarie del motore diesel e di rilevazioni dirette effettuate dopo le lavorazioni effettuate per ridurre il rapporto di compressione. In particolare, le dimensioni caratteristiche della bowl cilindrica, identificata con 1, sono state portate ad un diametro d = 88 mm e ad un’altezza h = 35.4 mm, al fine di ridurre il rapporto di compressione fino ad un valore pari a 9,55. Noti la cilindrata ed il rapporto di compressione si è ricavato poi il volume di spazio morto. Indicando con “C” la cilindrata del singolo cilindro, con “Vc” il volume della camera di combustione, con “Vm” il volume dello spazio morto e con il rapporto di compressione, vale la relazione:

Dal risultato ottenuto, noto l’alesaggio “a” del pistone, si ricava la distanza del pistone dalla testata al punto morto superiore:

Il volume della camera di combustione è quindi costituito da quello del bowl e da una porzione molto piccola di cilindro, corrispondente allo spazio tra la testa del pistone e il piano delle valvole. Dalla fig. 2 si evince che la candela (identificata con 2) non è perfettamente centrata e risulta alloggiata in quella che nel motore diesel tradizionale è la sede dell’iniettore; la testata del motore, invece, è piatta. Sempre dalla figura 2 si individua la posizione della valvola di aspirazione 3 e la valvola di scarico 4. Per quanto riguarda il sistema alimentazione-accensione mostrato in fig. 8, un’altra modifica sostanziale è quella che riguarda il carburatore per ottenere la miscela gassosa combustibile. Nel caso di tali motori, adattati per essere alimentati a gas, detto componente è solitamente costituito da un tubo di Venturi, indicato nello schema con 5, posto tra l’uscita del gas a disposizione da alimentare al motore e l’ingresso del motore stesso. Il moto all’interno di questo componente è assicurato dalla depressione generata a valle dal motore o dal turbocompressore. Nella sezione di gola sono ricavati dei fori radiali da cui viene aspirata l’aria atmosferica ed il rapporto di diluizione viene variato agendo sulla portata di aria aspirata mediante una valvola 5’. Un carburatore siffatto provvede alla regolazione della portata di gas immessa in quella di aria in modo da controllare il rapporto di diluizione ed è posizionato a monte del gruppo turbocompressore per poter sfruttare l’effetto Venturi con il gas a pressione relativamente bassa. La suddetta valvola parzializzatrice, che regola il carico del motore, è posta a valle di tutto il sistema di alimentazione ed è controllata da un sistema elettronico. Il sistema di alimentazione-accensione nel suo complesso è comunque accoppiato ad un sistema di regolazione elettronica con attuazione mediante servomotori, considerata la particolare funzione richiesta al motore, ovvero di operare a numero di giri costante rispondendo repentinamente alle variazioni di carico.

Ulteriore caratteristica del motore è quella di essere costituito da un albero motore monoblocco con sfasamento tra i cilindri di 120°, laddove il particolare ordine di accensione dei cilindri e la durata della fase di aspirazione, pari a circa 230° di manovella, sono tali da comportare una sovrapposizione tra le fasi di aspirazione dei cilindri, così come si può evincere dalla fig. 9. I condotti (6) che collegano la camera di combustione al collettore di aspirazione e a quello di scarico, sono pressoché identici per le due valvole, presentando un andamento a spirale così come mostrato dalla fig. 3, partendo da una sezione rettangolare ai lati della testata per poi avvolgersi intorno alla sede valvola. Una conformazione di questo genere favorisce la formazione di moti vorticosi all’interno della camera di combustione, in particolar modo di quelli di swirl. Per contro questa soluzione comporta perdite di carico superiori rispetto ad un condotto dalla forma meno articolata, tuttavia tale inconveniente è meno sentito nel caso dei motori ad aspirazione forzata, essendo la driving force del riempimento di notevole entità.

In fig. 4 è mostrato il modello CAD del condotto di aspirazione 7 riferito al motore Diesel da adattare: esso geometricamente è composto da un grosso cilindro con le estremità chiuse, avente la funzione di polmone, su cui sono ricavate le aperture per l’ingresso e l’uscita dell’aria. Sempre dalla fig.4 si evince che i canali che portano l’aria ai cilindri presentano una sezione rettangolare che si va a raccordare con il cilindro centrale tangenzialmente, assumendo un andamento a chiocciola, mentre il condotto di ingresso è di sezione quadrata, è collegato al polmone radialmente ed è direttamente affacciato sul condotto relativo al cilindro 5. I parametri geometrici più significativi di tale condotto sono riassunti dalla seguente tabella:

Tab.1 – Parametri geometrici condotto di aspirazione

Dopo aver concluso la fase di modellizzazione di tale condotto, è stato effettuato uno studio di simulazione relativo al funzionamento dei cilindri del motore con l’obiettivo di ricavare l’andamento della pressione dinamica sul condotto di aspirazione e di ricavare le modifiche necessarie per un ottimale adattamento di tale condotto ad un’alimentazione a gas. Quindi, partendo dalle condizioni al contorno note (pressione media nel condotto di aspirazione e nel collettore di scarico) la simulazione del funzionamento del cilindro (realizzata senza tener conto della combustione) ha fornito in output l’andamento della pressione dinamica all’interfaccia tra cilindro e condotto di aspirazione (tale interfaccia è rappresentata dalla superficie di collegamento tra collettore e testata). Dopo una prima fase di discretizzazione del volume con diversi tipi di mesh ad elementi via via crescenti si è passati ad una seconda fase in cui si è analizzato l’andamento del mass-flow nei vari cilindri al variare della mesh, con l’obiettivo di individuare la mesh più idonea per ottenere dati plausibili. Scelta la mesh appropriata si sono analizzati i risultati della simulazione in termini di comportamento del condotto. In termini di massa aspirata si è ottenuto il grafico mostrato in fig.

5, in cui è possibile notare come, prevedibilmente, il cilindro 5 (quello affacciato direttamente sul condotto di aspirazione) presenta una massa aspirata nettamente maggiore agli altri cilindri. Altro risultato degno di nota è relativo alla diversa massa aspirata dai cilindri n. 4 e n. 6, i quali pur trovandosi alla stessa distanza dal condotto di aspirazione, presentano masse aspirate diverse, maggiore per il cilindro n. 4. Questo comportamento è spiegabile con la sovrapposizione delle fasi di aspirazione dei cilindri n. 2 e n. 4: parte della massa richiamata dal cilindro n. 4 viene attratta dal cilindro n. 2, mentre tale fenomeno non si verifica invece nel caso del cilindro n. 6 che, trovandosi all’estremità del condotto, non risente dell’influenza delle altre fasi di aspirazione (nel caso particolare di quella del cilindro n.

3).

Alla luce di tali risultati, si è proceduta alla modifica del condotto di aspirazione in termini di spostamento della flangia di aspirazione 8 al centro del condotto così come mostrato dal modello 3D risultante dopo la trasformazione in fig. 6. Analogamente al condotto originario tale condotto è stato dapprima discretizzato con mesh analoga al caso precedentemente descritto e, impostando le medesime condizioni al contorno e gli stessi parametri della simulazione precedente, sono stati ricavati gli stessi dati in output relativi al condotto standard ovvero l’andamento dei mass-flow nei vari cilindri. Il confronto tra le masse complessivamente aspirate dai cilindri nel caso di condotto standard e di condotto modificato sono riassunte nel grafico di fig. 7, nel quale sull’asse delle x per ogni cilindro la colonna a sinistra si riferisce al mass-flow del condotto modificato, mentre quella a destra si riferisce al condotto standard. Risultano evidente i benefici derivanti da tale scelta, in quanto a fronte di una decisa perdita di massa sui cilindri 5 e 6, tutti gli altri cilindri ottengono benefici netti dalla modifica apportata. Oltretutto tale modifica risulta essere anche di semplice realizzazione ed implementazione, richiedendo solo l’allungamento del tubo che collega la farfalla al condotto di aspirazione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Motore a combustione interna alimentato a gas, derivante dalla modifica di un preesistente motore Diesel per applicazioni stazionarie caratterizzato dal fatto che la trasformazione prevede l’intervento sulle seguenti componenti: dimensione e/o forma della camera di combustione (1), sistema di accensione-alimentazione, geometria del collettore di aspirazione (7).
2) Motore a combustione interna alimentato a gas secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che le dimensioni della suddetta camera di combustione (1) in termini di diametro ed altezza sono incrementate in modo da ottenere sia un abbassamento del rapporto di compressione, elevato nel caso Diesel, fino a valori variabili tra 9,5:1 e 11,5:1, sia un decremento della velocità di swirl all’interno della stessa camera.
3) Motore a combustione interna alimentato a gas secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la modifica del sistema di accensione-alimentazione prevede la sostituzione dell’iniettore originariamente presente nel motore Diesel, con una candela (2) ad accensione comandata, favorendo in tal modo il passaggio da un funzionamento a ciclo Diesel ad un altro a ciclo Otto.
4) Motore a combustione interna alimentato a gas secondo la rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che una ulteriore modifica del sistema di accensione-alimentazione consiste nell’impiego come carburatore di un tubo Venturi (5) posto tra l’uscita del gas da alimentare al motore e l’ingresso del motore stesso per ottenere la miscela gassosa combustibile.
5) Motore a combustione interna alimentato a gas secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che nella sezione di gola di detto tubo Venturi sono ricavati dei fori radiali da cui si aspira l’aria atmosferica, in modo da variare il rapporto di diluizione agendo su una apposita valvola parzializzatrice che regola il carico del motore, controllata da un sistema elettronico.
6) Motore a combustione interna alimentato a gas secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che i condotti (6) che collegano la camera di combustione al collettore di aspirazione e a quello di scarico, sono pressoché identici per le due valvole, presentando un andamento a spirale, partendo da una sezione rettangolare ai lati della testata per poi avvolgersi intorno alla sede valvola.
7) Motore a combustione interna alimentato a gas secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il collettore di aspirazione originario (7) è modificato nel collettore di aspirazione (9), laddove la flangia di aspirazione (8) risulta essere posizionata al centro del condotto di aspirazione (9) e non più in prossimità del cilindro n. 5 (7).