alternative fuels and vehicles combustibili convenzionali carlos sousa ageneal, local energy...
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ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES
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COMBUSTIBILI CONVENZIONALI
Carlos Sousa
AGENEAL, Local Energy Management Agency
of Almada
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MOTORI DIESEL E BENZINA
• Ciclistica a 4 tempi
• Componenti principali
• Sistemi ausiliari
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MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
ASPIRAZIONE
L’aria entra nella camera di combustione
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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
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INIEZIONE
Il combustibile è iniettato nel cilindro ad alta pressione, dopo la compressione dell’aria
MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
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ESPANSIONE
Il combustibile si infiamma quando viene a contatto con l’aria calda
Il motore è così creato.
MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
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VAPORE DI SCARICO
Dopo la combustione, i gas combusti lasciano il cilindro attraverso la/le valvola/e di scarico
MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
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ASPIRAZIONE COMPRESSIONE ESPANSIONE VAPORE DI SCARICO
INIEZIONE
COMBUSTÃO
MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
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• Rapporto di compressione =
resV
Vmax
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COMPONENTI PRINCIPALI DEL MOTORE
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• 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
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• 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
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Doppio albero a camme in testa,DOHC
Albero a camme laterali
DISTRIBUZIONE
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DISTRIBUZIONE
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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
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• Pompa acqua
• Termostato
• Radiatore
• Ventilatore
• Sistema di
riscaldamento
SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO
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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
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SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE
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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
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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
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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
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Vantaggi Svantaggi
Minor consumo di carburante
Prezzo
Potenza Rumorosità
Partenza fredda Vibrazioni
INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA
A CONFRONTO
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INIEZIONE DIRETTA
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Squish e swirl
INIEZIONE DIRETTA
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SISTEMI DI INIEZIONE
• Pompa radiale e in linea
• Iniettore-pompa
• Common Rail
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SISTEMI DI INIEZIONE
Pompa in linea
600...700 bar 1 000 bar all’estremità dell’iniettore
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SISTEMI DI INIEZIONE
Pompa radiale
1 000 / 1 500 bar all’estremità dell’iniettore
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SISTEMI DI INIEZIONE
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
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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
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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
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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
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TURBOCOMPRESSIONE
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TURBOCOMPRESSIONE
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Geometria variabile
• Maggiore coppia su l’intera gamma
delle velocità del motore
• Migliore consumo di carburante
• Maggiore potenza
TURBOCOMPRESSIONE
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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
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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
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FORMAZIONE E CONTROLLO DEGLI INQUINANTI
Controllo delle emissioni:
• Ricircolazione dei gas di scarico, EGR
• Filtri del Particolato
• Catalizzatori
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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)
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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)
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HC CO NOx PM
Diesel
Benzina
FORMAZIONE E CONTROLLO DEGLI INQUINANTI
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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)
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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
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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)
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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)
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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.
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RENDIMENTO ENERGETICO
Rapporto di compressione
Teo
rico
rend
imen
to d
el m
otor
e
Motori Diesel
Motori a
benzina
resV
Vmax
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RENDIMENTO ENERGETICO
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
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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.
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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
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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…
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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
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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
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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)
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Le compagnie petrolifere lavorano per:
• Aumentare il numero di cetano
• Abbassare il tenore in zolfo
Riassumendo….
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Grazie al Prof. Tiago Farias,
docente presso l’Università
Tecnica di Lisbona
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Grazie per l’attenzione!