CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE
Sabato Iannaccone
Istituto Motori - Napoli
INGAS
Integrating GAS Powertrain. Low emissions, CO2 optimised
and efficient CNG engines for passenger cars (PC)
and light duty vehicles (LDV)
26 e 27 Maggio, 2014
Conferenza
Dipartimento
DIITET
Convegno
del del
Dipartimento
di Ingegneria,
26 ee 27
maggioper
2014
ICT
Tecnologie
l’Energia e i Trasporti
INGAS: informazioni generali
FP7 TRANSPORT 2008–2012
Collaborative Projects - Large scale integrating projects
Total budget/Funding 21,644 MEUR/12,284 MEUR
Partners
CRF, AVL, FEV, EON-RHUR, Daimler AG, General Motors
Powertrain Sweden AB, General Motors Powertrain GermanyGmbH, GDF SUEZ, IFP, CNR-IM, TU-GRAZ, ECOCAT, Continental
Automotive GmbH, SIEMENS, PoliTo, CHALMERS, Haldor Topsøe
A/S, RWTH, MEMS, CVUT-JBRC, XPERION, VENTREX, BAM,
WRUT, DELPHI, USTUTT, POLIMI, ICSC-PAS
Coordinator: CRF
Referente scientifico CNR: Sabato Iannaccone
Finanziamento CNR: 200.000 Euro
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
SCHEMA GENERALE DI INGAS
Il gas naturale per la mobilità a basso impatto ambientale
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Sub Project A1 “CNG technologies for passenger cars”
- Motore a GN 1.4 l PFI stechiometrico con controllo elettronico delle valvole;
- Studio del Processo di combustione in presenza di H2 ed EGR;
- Modellistica per definire la configurazione del motore;
- Sistema after-treatment dei gas di scarico con componenti invecchiati
rappresentativi di una percorrenza di 160.000 km;
- Veicolo dimostratore rappresentativo del segmento C con 5 serbatoi Type IV
integrati nella parte posteriore del pianale, per una capacità complessiva di 130 l,
per il target di 500 km di autonomia e un peso complessivo del veicolo di 1444 kg
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Sub Project A2 “Turbo DI CNG engine”
Motore a GN di 1.8 l, CR= 12:1 a iniezione diretta (20 bar nel cilindro) per
applicazione stechiometrica e lean burn.
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Sub Project A3 “Boosted lean burn gas engine”
Sviluppo di un veicolo a GN LD con motore 1.9 l con un sistema di
sovralimentazione doppio stadio per funzionamento ultra-lean (lambda
tra 1.35 e 1.6)
- Funzionamento LB per ridurre il consumo di combustibile (10-15%)
rispetto allo stechiometrico;
- Emissioni di NOx ridotte dell’85%, ma livelli di HC eccessivamente
elevati
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Sub Project B0 “Fuels for advanced CNG engines”
Definizione delle miscele di gas di determinate qualità per gli altri subprojects. Analisi e soluzioni per sistemi di stoccaggio, combustione e
post-trattamento per veicoli a GN.
Identificazione di cinque composizioni limite di gas (L1 to L5) rilevanti per
lo sviluppo del motore.
L1: gas con basso potere calorifico (comune in Francia, Germania,
Romania, Ungheria o Polonia);
L2: un gas naturale tipico;
L3 un gas naturale tipico, ma con un basso Numero di Metano che
potrebbe dare luogo a problemi di detonazione;
L4 ed L5: gas contenenti il 20% di idrogeno miscelato con un GN
standard (L4) e con un gas con un basso potere calorifico (L5), per
valutare l’effetto di infragilimento delle bombole in acciaio normalmente
adoperate per il GNC
Sviluppo di un sensori per la qualità del gas
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Sub Project B1 “Gas storage for passenger car CNG engine”
Sviluppo di sistemi ibridi avanzati per lo stoccaggio e riempimento, inclusi
componenti specifici e sensori di gas per un target di oltre 500 km di
autonomia.
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Sub Project B2 “Aftertreatment for passenger car CNG engine”
Sviluppo di un sistema di post-trattamento dei gas di scarico con particolare
riferimento all’efficienza di conversione del CH4 ed NOx in condizioni magre.
Il target di progetto (temperatura di light-off per il metano inferiore a 350° è
stato praticamente raggiunto).



Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Effetto dell’impiego di H2 e ricircolo dei gas di scarico su
combustione, emissioni e prestazioni rispetto al GN
Engine main characteristics
Sub Project A1 - IM
Naturally aspirated 4-cylinder in line, stoichiometric
spark ignited
Bore x stroke
80.5 mm x 78.4 mm
Total displacement
1596 cm3
Volumetric
compression ratio
10.5:1
Rated power
76 kW @ 5750 rpm
Rated torque
144 Nm @ 4000 rpm
NG feeding system
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
Electronic timed multipoint injection
Effetto dell’idrogeno sulla combustione
Ignition Delay (HR10-S A), [ms]
Ignition Delay (HR10-S A), [ms]
140
140
Experimental points
Experimental points
3.1
NG
Experimental points
3.1
NG/H2 20%
120
2.5
100
2.5
100
2.5
100
1.8
80
1.8
60
1.1
1.1
80
1.8
80
60
1.1
40
20
1000
Torque, [Nm]
120
60
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
40
40
0.5
0.5
20
1000
5000
1500
2000
2500
S peed, [rpm]
3000
3500
4000
4500
20
1000
5000
Main Combustion Duration, [ms]
Main Combustion Duration, [ms]
NG
100
2.4
100
80
60
40
3500
4000
4500
S peed, [rpm]
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
5000
3500
4000
4500
5000
Experimental points
3
NG/H2 40%
NG/H2 20%
120
2.4
100
2.4
801.8
1.8
60
1.1
60
1.1
1.1
40
40
1.8
80
0.5
3000
3000
3
Torque, [Nm]
Torque, [Nm]
120
2500
2500
Main Combustion Duration, [ms]
Experimental points
120
2000
2000
140
3
1500
1500
S peed, [rpm]
140
Experimental points
20
1000
0.5
S peed, [rpm]
140
Torque, [Nm]
3.1
NG/H2 40%
120
Torque, [Nm]
Torque, [Nm]
Ignition Delay (HR10-S A), [ms]
140
20
1000
0.5
1500
2000
2500
3000
3500
S peed, [rpm]
4000
4500
5000
20
1000
0.5
1500
2000
2500
3000
3500
S peed, [rpm]
4000
4500
5000
Effetto dell’idrogeno sugli idrocarburi incombusti
THC, upstream catalyst, [g/kWh]
THC, upstream catalyst, [g/kWh]
140
THC, upstream catalyst, [g/kWh]
140
140
Experimental Points
Experimental Points
11
NG
120
120
100
100
Experimental Points
11
NG/H2 20%
60
80
Torque, [Nm]
Torque, [Nm]
Torque, [Nm]
8.4
80
5.9
60
3.3
40
40
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
20
1000
5000
1500
2000
2500
NGup, [%]
3000
3500
4000
4500
5.9
60
3.3
3.3
20
1000
5000
2500
120
100
100
120
Torque, [Nm]
Torque, [Nm]
60
80
1.2
60
0.7
40
40
4000
4500
S peed, [rpm]
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
5000
4500
5000
2.2
NG/H2 40%
1.7
100
1.7
801.2
1.2
60
0.7
0.7
40
0.2
3500
4000
Experimental Points
1.7
80
3500
2.2
NG/H2 20%
120
3000
NGup, [%]
Experimental Points
3000
2000
140
2.2
2500
1500
NGup, [%]
NG
2000
0.8
S peed, [rpm]
140
Experimental Points
Torque, [Nm]
805.9
S peed, [rpm]
140
1500
8.4
0.8
S peed, [rpm]
20
1000
8.4
100
40
0.8
20
1000
11
NG/H2 40%
120
20
1000
0.2
1500
2000
2500
3000
3500
S peed, [rpm]
4000
4500
5000
20
1000
0.2
1500
2000
2500
3000
3500
S peed, [rpm]
4000
4500
5000
80
70
60
NG
H2 15%
H2 40%
50
40
TWC THC oxidation, [%]
TWC THC oxidation, [%]
Sistema EGR realizzato
in Istituto Motori
90
70
60
2000 rpm
TP=26.8°
50
5.0
4.0
NG
H2 15%
H2 40%
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
2000 rpm
TP=26.8°
4.5
THC down TWC, [g/kWh]
2000 rpm
TP=14.4°
4.5
THC down TWC, [g/kWh]
80
THC emissions downstream the
40
catalyst
at
different
load
and
EGR
0 5 10 15 20 25 30
0 5 10
15 20
25 30
[%] 0 to 30%)
EGR, [%]
rateEGR,
(from
5.0
4.0
NG
H2 15%
H2 40%
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0.0
0
5
10 15 20 25 30
EGR, [%]
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014
H2 15%
H2 40%
90
0
5
10 15 20 25 30
EGR, [%]
OUTPUT from Sub Project A1 (CRF & CNR-IM)
The advances from research activities will enable to conceive new
flexible CNG engine platforms able not only to run with different NG
Composition, including NG/H2 blends.
Moving to the engine technologies, the concept developed within the
CNG stoichiometric dedicated engine will be adopted for the
Future application on the FIAT Natural Power brand: the next
generation of the A/B segment CNG vehicles will be equipped with a
strong Downsized engine (2 cylinder – 0,9 liter displacement –
turbocharged) integrating the variable valve actuation system first
applied on CNG during the INGAS project.
This application is scheduled for end of 2012 with a production
volume potential up to 50 000 units/year.
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Conferenza del Dipartimento
Roma, 26 e 27 maggio 2014