ENTE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L’ENERGIA E L’AMBIENTE
Relazione sulle attività
svolte nell’ambito del contratto
tra ASM ed ENEA
per la sperimentazione al banco
di miscele di metano-idrogeno
ENE-TEC
Redatto
Ing. Antonino Genovese,
Ing. Giovanni Pede,
Ing. Ennio Rossi
Verificato
Sottoscritto
Il Responsabile della
gestione del Contratto
Il Capo Sezione
Ing. Giovanni Pede
Dott. Maurizio
Romanazzo
1
2
INDICE
Sommario
5
Introduzione
7
Finalità della campagna di prove al banco in ENEA
8
Programmazione della campagna di prova
8
Stima della riduzione delle emissioni di CO2 e considerazioni di carattere energetico “dal pozzo alla ruota”. 9
Strumentazione utilizzata
Banco a Rulli
Misura delle emissioni e dei consumi
Strumentazione HORIBA per la misura delle emissioni tossiche e nocive
Sistema AVL per l’acquisizione e l’analisi dei segnali provenienti dalla camera di combustione
Sistema di gestione ri-mappatura centraline di iniezione/accensione
10
10
10
11
12
12
Caratterizzazione con le miscele e parametrizzazione del modello
Attività preliminari
Prove di parametrizzazione modello Tor Vergata, All.3
12
12
14
Rimappatura della centralina
Procedura adottata per la rimappatura della centralina (All. 4)
15
15
Consumi ed emissioni su ECE 15 con metano e miscele
16
Considerazioni finali e conclusioni
17
Riconoscimenti
18
Allegato 1: Stato dell’arte
19
Allegato 2: Data Sheets Strumentazione
Sistema AVL
Trasduttore di pressione
Strumentazione Race2000 delle Dimensione Sport
22
23
23
24
Allegato 3 Prove eseguite per la parametrizzazione del modello
Minimo
1500 RPM
2500 RPM
27
29
31
33
Allegato 4 Rimappatura del motore
Prove con la miscela senza modifiche di gestione
Ipotesi di base per la rimappatura
Scelta delle due mappature di riferimento
Stechiometrica
Miscela magra
35
36
36
36
36
38
Allegato 5 Caratterizzazione del mezzo nel funzionamento d’origine (a metano) e con le miscele
Misure su Iveco Daily di tipo dinamico
Prova con combustibile metano.
Prova con miscela al 10% e settaggio “stechiometrico”.
Prova con miscela al 10% e settaggio “magro”.
Prova con miscela al 15% e settaggio “stechiometrico”.
Prova con miscela al 15% e settaggio “magro”.
40
41
41
42
42
42
42
Allegato 6 Ricondizionamento del veicolo alla fine della prova
43
3
4
Sommario
Obiettivo del programma di prova era verificare e dimostrare le potenzialità dell’uso di miscele di
metano ed idrogeno in autotrazione, attraverso una sperimentazione effettuata presso il banco a rulli
dell’ENEA Casaccia.
La sperimentazione è stata condotta utilizzando un veicolo commerciale (Daily) alimentato a gas
naturale, la cui strategia di controllo elettronico è stata modificata per consentire l’uso di queste
miscele. Le prove sono state condotte utilizzando miscele di H2 in NG con n. 2 composizioni, 10 %
e 15 % (in volume).
L’attività si è articolata in due macrofasi, la prima per la caratterizzazione iniziale del mezzo (punto
zero) e la parametrizzazione del modello in accordo con i risultati delle prove al banco, la seconda
per la ri-mappatura della centralina (per adeguarne i parametri di gestione, anticipi di accensione e
durata della fase di iniezione ecc., alle diverse caratteristiche delle miscele, rispetto al metano da
solo), finalizzata al perseguimento degli obiettivi di progetto. L’attività si è conclusa con una nuova
caratterizzazione del veicolo al banco a rulli, con la certificazione dei risultati ottenuti.
Le emissioni di sostanze tossiche e nocive del motore modificato per l’uso delle miscele sono
sempre migliori di quelle riscontrate all’origine. E’ stato pure verificato un (sostanzioso) vantaggio
ottenuto in termini di riduzione dei consumi energetici (Wh/km) e di emissioni di CO2 (g/km), per
la miscela a più alto contenuto di idrogeno (2.16% in peso) ed operando con λ = 1.4.
5
6
Introduzione
I limiti di emissione sempre più stringenti, la necessità di ridurre i consumi energetici nel settore dei
trasporti su strada, responsabili del 20% sul totale delle emissioni di CO2, l’opportunità di trovare
alternative praticabili ai veicoli ad emissioni nulle, ZEV, ancora penalizzati dalla indisponibilità di
celle a combustibile disponibili a costi accettabili, hanno portato da alcuni anni ad indagare sulle
possibilità offerte dalle miscele di metano ed idrogeno, alle quali è stato dato il nome Hythane1.
L’aggiunta dell’idrogeno, caratterizzato rispetto al metano da una più bassa energia di ignizione
(0.02 mJ vs. 0.29 mJ) e da una maggiore velocità di propagazione del fronte di fiamma (2.6-3.2 m/s
vs. 0.37-0.45 m/s),
¾ aumenta la velocità di avanzamento del fronte di fiamma, aumentando così il rateo di
espansione effettivo
¾ riduce la variabilità ciclica del motore, permettendo una gestione dell’anticipo più precisa,
che aumenta ancora il lavoro ottenibile
¾ riduce gli incombusti, sfruttando meglio il combustibile
¾ stabilizza la combustione anche con miscele molto magre
Per contro, all’aumentare dell’idrogeno nella miscela, mentre l’energia per unità di peso cresce,
l’energia per unità di volume (tonalità termica della miscela) diminuisce
Per quanto sopra detto, l’aggiunta di idrogeno al metano comporta:
¾ una riduzione della potenza massima, anche con dosatura stechiometrica
¾ un miglioramento del rendimento complessivo del motore, con conseguente riduzione dei
consumi.
¾ la possibilità di lavorare con miscele molto magre, con ulteriore miglioramento del
rendimento (a prezzo di una ulteriore riduzione della potenza)
¾ la riduzione delle emissioni di CO2, per la sostituzione di atomi di carbonio con atomi di
idrogeno e per la riduzione dei consumi di combustibile come conseguenza del miglior
rendimento del motore
Le miscele hanno un tenore di H2 in metano che può essere aumentato progressivamente; le
esperienze condotte ad oggi sono state fatte con miscele a partire da una percentuale di idrogeno del
8% in volume (che corrisponde al contenuto di idrogeno di alcuni giacimenti di gas naturale), fino a
percentuali (sempre in volume) del 36% di idrogeno. Un limite al di sopra del quale non conviene
spingersi, a meno che non si vogliano mettere in conto sostanziose modifiche al veicolo, può essere
indicato nel 20% (in volume)
Questi combustibili sono oggetto di crescente interesse in Italia ed all'estero (Svezia, Stati Uniti),
per le prospettive che sembrano offrire in termini di riduzione delle emissioni veicolari e per il ruolo
che potranno avere nell'agevolare l'ingresso dell'idrogeno, un combustibile intrinsecamente pulito,
nel mercato dei combustibili per autotrazione; sono state quindi svolte numerose campagne di prova
per dimostrarne le potenzialità in termini di riduzione delle emissioni e dei consumi rispetto al
metano, All.1.
Tra gli ultimi progetti felicemente portati a termine, il Malmö-Hythane Project., con il quale si sono
ottenuti, sinteticamente, una riduzione del 5-7% dei consumi energetici e del 10-20 %
dell’emissione di gas effetto serra, insieme ad una riduzione delle emissioni di NOx e di CO sempre
maggiore del 10%. La conversione ad Hythane 8 (8% in volume) degli autobus testati non ha
comportato modifiche ai veicoli, ma solo alla mappatura dei motori, mentre per l’uso di miscele al
25% (circa), pure testate, occorrono interventi più sostanziosi.
1
In Italia, le prime esperienze in tal senso risalgono al 1996, e furono svolte dal Dipartimento di Energetica
dell’Università di Pisa e dalla Divisione Tecnologie Energetiche Avanzate dell’ENEA, “Sperimentazione con miscele
metano-idrogeno di un motore alimentato ad iniezione”, G.Pede, V. Sglavo, ENEA, Convegno ATA, Cassino, Giugno
1996
7
I risultati delle sperimentazioni sono quindi incoraggianti, perché si è verificato un concetto di
“leva” nella riduzione delle emissioni, rispetto all’uso dell’idrogeno tal quale, intendendo con ciò
che se una stessa quantità di idrogeno viene bruciata in miscela con il metano, l’effetto ottenuto in
termini di riduzione delle emissioni complessive risulta maggiore che usando idrogeno puro
Ad esempio, rifornendo con idrogeno puro il 5% dei veicoli che vanno a metano (dopo le necessarie
modifiche, naturalmente), e quindi introducendo il 5% di idrogeno (in energia) sul mercato dl
metano per autotrazione, si ridurranno del 100% le emissioni di CO2 per il 5% dei veicoli, e
corrispondentemente del 5% le emissioni di CO2 totali; invece, aggiungendo la stessa quantità di
idrogeno in miscela del 5% (sempre in termini energetici) con il metano su un tutti i veicoli a
metano (sempre il 5% in termini energetici, quindi) le prove fatte in Svezia ci dicono che le
emissioni si riducono del 10%, e corrispondentemente del 10% le emissioni di CO2, con un fattore
di leva che è perciò pari a due.
Oltre che dal punto di vista delle emissioni, i vantaggi dell’uso delle miscele rispetto all’idrogeno da
solo sono intuibili tanto dal punto di vista dell’accettabilità economica per l’utente, poichè tali
miscele offrono costi (per litro di benzina equivalente) ridotti rispetto all'idrogeno, quanto dal punto
di vista dell'accettabilità psicologica, per una utenza che conosce da tempo miscele di idrogeno con
altri gas, p.e. il gas di gasogeno (blau gas), al 40-50% composto da idrogeno.
Le miscele metano-idrogeno, usate nei motori a combustione interna, possono infine costituire un
sistema flessibile per consentire la crescita graduale del sistema idrogeno, che è innanzitutto un
problema di produzione e di distribuzione
Finalità della campagna di prove al banco in ENEA
Nell’ambito del programma di ricerca europeo BONG-HY, cominciate ad inizio Gennaio 2006 e
che si sono chiuse con il Convegno a Brescia del 16 Novembre 2006, sotto il coordinamento e la
gestione tecnico-scientifica del Comune di Brescia e di ASM SpA, si è definito un programma di
prova al banco a rulli di un Daily a metano modificato per l’uso miscele metano-idrogeno. L’attività
sperimentale è stata svolta presso i laboratori dell’ENEA Casaccia, in collaborazione con le
Università Cattolica di Brescia e quelle di Roma “Tor Vergata” e “La Sapienza”.
Di seguito si riportano sinteticamente gli obiettivi della sperimentazione in ENEA:
¾ verificare la fattibilità dell’alimentazione con miscele metano/idrogeno (al 10% ed al 15%,
in volume) senza modifiche “pesanti” al motore
¾ verificare quanto riportato dalla letteratura sulla riduzione dei consumi energetici (grazie al
miglioramento del rendimento del motore) e sulla riduzione delle emissioni
¾ in particolare, verificare l’esistenza dell’effetto leva sopra ricordato, cioè la possibilità di
una riduzione aggiuntiva delle emissioni di CO2 (attraverso la riduzione dei consumi),
mantenendo invariate le altre emissioni (e, se possibile, riducendole)
¾ il tutto in condizioni più pesanti del ciclo di omologazione, quindi a carico maggiorato e
considerando solo la parte urbana del ciclo
¾ costruire e validare un modello del motore per una migliore comprensione dei fenomeni e
per l’ottimizzazione della ri-mappatura della centralina (Università di Roma Tor Vergata)
Programmazione della campagna di prova
Le prove al banco a rulli sono state effettuate in quattro fasi, la prima e l’ultima fase rivolte a
caratterizzare consumi ed emissioni in condizioni standard (non da omologazione, ma più pesanti,
come di seguito specificato) e dopo le modifiche, quelle intermedie alla modifiche del motore.
Nella seconda fase, le prove al banco sono state eseguite solo in regime stazionario, allo scopo di
parametrizzare il modello del motore studiato dallUniversità di Tor Vergata misurando l’andamento
della pressione in camera di combustione (oltre alle pressioni e/o le portate in aspirazione) All.3.
8
Nella terza fase si è effettuata la messa a punto del motore per il funzionamento con le miscele al
10% ed al 15% di idrogeno, attraverso prove in stazionario per smagrimenti crescenti, passando
dallo stechiometrico a λ = 1.4, e scelta di due messe a punto diverse, di minima CO2 e di minima
riduzione delle prestazioni complessive, All.4.
Stima della riduzione delle emissioni di CO2 e considerazioni di carattere energetico
“dal pozzo alla ruota”.
Per valutare la sensibilità della strumentazione necessaria all’effettuazione delle prove, abbiamo
dovuto calcolare preliminarmente la riduzione delle emissioni di carbonio dovuta alla sola
sostituzione di atomi di carbonio con atomi di idrogeno, cui si và ad aggiungere quella legata al
miglioramento del rendimento.
Riportiamo di seguito la stima fatta per la miscela al 15% di idrogeno, cui corrispondono i seguenti
dati di base per il calcolo:
Contenuto energetico
CH4
50,00
CH4/H2 15% 51.51
Variazioni %
(in massa)
MJ/kg
MJ/kg
+ 3%
(in volume)
35.71 MJ/m3
31.96 MJ/m3
-11%
Da questi dati si possono trarre le seguenti considerazioni:
¾ Per eseguire la stessa missione, l’energia che il motore deve erogare è la stessa, sia che vada
a metano che a miscela, e perciò, a parità di rendimento totale, con la miscela al 15% il
motore ha bisogno di un minore massa di carburante (-3%) in ingresso, rispetto al metano,
grazie al 3% in più di potere calorifico (per l’appunto in massa) della miscela.
¾ La miscela al 15% di idrogeno in volume ha, in massa, il 2.16% di idrogeno, cioè contiene il
2.16% di metano in meno; quindi la miscela bruciando emette il 2.16% di anidride carbonica
in meno rispetto alla combustione di una uguale massa di metano puro
In definitiva, si consuma, a parità di missione, una minore massa (-3%) di combustibile, che
contiene meno metano ed emette perciò meno CO2 (-2.16%):
complessivamente si emette quindi il 5% circa di CO2 in meno (a parità di rendimento).
La misura delle emissioni di CO2 deve perciò essere effettuata con strumentazione avente
sensibilità adeguata ad apprezzare variazioni, in massa, della CO2 di almeno un ordine di grandezza
inferiore all’1%, precisione che può essere assicurata solo da una misura di peso del combustibile
utilizzato.
L’analisi effettuata ci consente inoltre alcune interessanti considerazioni di carattere energetico,
relative all’”effetto leva” che si è illustrato precedentemente.
Abbiamo infatti che ogni miglioramento aggiuntivo rispetto al 5% sopra calcolato, ottenuto grazie
al miglior rendimento del motore, costituisce perciò l’effetto leva assicurato dalle miscele.
Il miglior rendimento del motore và però “scontato” dal costo energetico della produzione di
idrogeno dal metano (ove non disponibile altrimenti). L’analisi energetica “dal pozzo alla ruota” và
quindi integrata con i dati relativi alla produzione (in situ) di idrogeno dal metano, 84% di
efficienza (EU mix2), applicati alla quantità di idrogeno aggiunta in miscela, nel nostro caso il
2.16% in peso. A conti fatti, il rendimento di produzione della miscela è inferiore dello 0.5% a
quello del metano. Considerando un rendimento medio del motore del 20% (sul ciclo), le perdite
aggiuntive dovute alla produzione (da metano) dell’idrogeno per la miscela sono 0.005/0.2, cioè il
2.5%, per cui l’eventuale miglioramento del rendimento del motore, nell’analisi del pozzo alla ruota
và ridotto in ugual misura.
2
“Well-to-Wheels analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context”, EUCAR / JRC / CONCAWE,
2006
9
Strumentazione utilizzata
Banco a Rulli
E stato utilizzato il banco a rulli del Centro Ricerche Casaccia, con il quale è possibile effettuare
prove finalizzate allo studio delle prestazioni, consumi ed emissioni, di autoveicoli aventi qualsiasi
motorizzazione.
Il Daily ASM al banco
Monitor di gestione e controllo
Misura delle emissioni e dei consumi
Mentre per la misura gli inquinanti (NOx, HC, CO) è stata adoperata la strumentazione Horiba di
seguito descritta, relativamente alle emissioni di CO2 ed ai consumi di combustibile la sensibilità
richiesta per la misura ha imposto l’uso di una bilancia di precisione (1 g, fondo scala 150 kg) per la
pesatura delle bombole di combustibile, effettuata prima e dopo l’esecuzione della prova al banco.
Allo scopo di ridurre ulteriormente l’errore, la prova su ciclo è stata effettuata per un tempo
sufficiente a consumare almeno mezza bombola (da 50 litri, a 200 bar), e quindi circa 3 kg di
combustibile gassoso. Dalla misura del consumo, nota la composizione del gas, è stato poi
immediato risalire alla stima (per eccesso) delle emissioni di CO2, posto che il carbonio contenuto
nelle emissioni di CO ed HC è trascurabile rispetto a quello contenuto nella CO2.
10
Strumentazione HORIBA per la misura delle emissioni tossiche e nocive
La misura delle emissioni è stata effettuata utilizzando lo strumento Horiba OBS 1000 in grado di
effettuare misure on-board.
Tale sistema è in grado di misurare in modo continuo l’emissione di CO, CO2, HC, NOx prodotta
da veicoli in movimento, sia nella concentrazione istantanea che nella massa istantanea, potendole
rapportare sia alla distanza percorsa che al consumo di combustibile.
Il sistema integrato comprende:
-
un analizzatore con tecnologia NDIR, il MEXA-1170HNDIR, misura in tempo reale le
concentrazioni di HC, CO2 ed HC, senza bisogno di eliminazione dell’umidità dei gas.
un sistema di misura con tecnologia ZrO2, il MESA-720NOx, misura la concentrazione
istantanea dell’NOx ed il rapporto aria-combustibile (AFR).
sensori di flusso opportunamente calibrati (con riconoscimento EPA riguardo alla precisione)
misurano il flusso totale dei gas emessi, ottenendo così un profilo completo per la
caratterizzazione dinamica delle emissione veicolari.
Esiste inoltre la possibilità di integrare altre misure esterne (ad esempio decoder di bordo, sistemi
GPS, misuratori di flusso di carburante, misuratori di potenza generata) per ottenere altre variabili
di interesse da associare alle grandezze emissive (per ottenere ad esempio gr/kWh).
Il tronchetto di misura del sistema Horiba
Il prelievo è eseguito mediante una sonda riscaldata e tutta la camera di misura è a sua volta
riscaldata per evitare la condensazione del vapore acqueo. La misura è corretta via SW per tener
conto delle interferenze prodotte dal vapore acqueo in camera di misura. Le emissioni sono ricavata
a partire dalla misura di portata dei gas emessi dal veicolo utilizzando un tronchetto di misura posto
sullo scarico. Un pitot calibrato esegue la rilevazione dei gas emessi da cui si ricava la massa dei
singoli inquinanti.
11
Esempio di risultati di misura con HORIBA OBS 1000
Sistema AVL per l’acquisizione e l’analisi dei segnali provenienti dalla camera di
combustione
Il sistema di misura è costituito da:
-
-
Trasduttore di pressione ed adattatore candela. Il trasduttore proposto presenta caratteristiche
compatibili con le candele montate sul motore predetto
Amplificatore bicanale dotato di compensazione della deriva automatica, per l’acquisizione dei
segnali provenienti dal trasduttore di pressione.
Modulo per la costruzione della base angolare a mezzo di trasduttori induttivi. Il modulo
consente la creazione di un segnale di CDM, prelevando il segnale induttivo da ruote dentate.
Partendo dal segnale di CDM, il modulo costruisce e fornisce la velocità angolare sotto forma
analogica.
Acquisitore: oscilloscopio digitale Yokogawa DL 716
Sistema di gestione ri-mappatura centraline di iniezione/accensione
Si tratta di un sistema completo per la gestione delle mappe di iniezione, anticipo, ecc, della
centralina elettronica sottospecificata, composto dall’hardware necessario per interfacciarsi con la
EPROM originale della centralina e dal software per la ri-scrittura della stessa e la gestione del
programma. Per ulteriori dettagli, vedi All.2
Caratterizzazione con le miscele e parametrizzazione del modello
Attività preliminari
Per l’avvio delle prove è stato innanzitutto necessario mettere a punto la strumentazione AVL ed
Horiba (vedi capitolo successivo) utilizzata per la misura dei parametri di funzionamento del mezzo
in condizioni di esercizio (pressioni indicata, consumi ed emissioni), nonché la strumentazione Dim
Sport, acquisita per la rimappatura della centralina del motore.
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Strumentazione Horiba per la misura delle emissioni
Strumentazione AVL, Yokogawa, Dim Sport, per la gestione della centralina
Allestimento e prove preliminari della strumentazione di misura sono state condotte utilizzando il
gas contenuto nelle bombole in dotazione al mezzo, mentre per la messa a punto del motore con le
miscele e per le caratterizzazioni/certificazioni si sono utilizzate bombole di metano e di miscele di
composizione nota. La misura del consumo di metano e delle emissioni di CO2 fornita dalla
strumentazione Horiba è stata verificata mediante doppia pesata della bombola di metano e di
quelle delle miscele, con discreto accordo tra i due valori. Le misure di consumo e di emissioni di
CO2 riportate nella certificazione finale sono quelle ottenute mediante doppia pesatura delle
bombole.
13
Pacco bombole miscela (al 15% idrogeno) e bombole sfuse metano/miscele
I collegamenti della bombola esterna al motore sono stati realizzati immediatamente a monte del
riduttore di pressione, escludendo l’impianto precedente, vedi figura in basso. Il collegamento
originale verrà ripristinato prima della messa su strada del mezzo, con l’effettuazione di una prova
di tenuta dell’impianto, vedi All.6 al presente rapporto.
Vano motore con collegamento a bombola metano esterna
Prove di parametrizzazione modello Tor Vergata, All.3
Sono state effettuate prove in stazionario a numero di giri costante ed a carico costante, per un
numero complessivo di 9 punti, rappresentativi delle condizioni di carico minimo, medio ed alto, ad
800 RPM, 1500 RPM. 2500 RPM, 3500 RPM (vedi allegato 5). Durante queste prove è stato
misurato l’andamento della pressione istantanea nel cilindro durante tutto il ciclo, per poter
ricostruire il ciclo indicato del motore. I dati così ottenuti sono serviti alla parametrizzazione del
modello svolta da Tor Vergata.
14
Rimappatura della centralina
Grazie alla disponibilità della strumentazione Race 2000 Dim Sport, che utilizza un emulatore
Met16 in sostituzione della eprom originale della centralina, per ogni condizione di funzionamento
disponiamo dell’indicazione degli anticipi di accensione e dei punti di funzionamento sulla mappa
di iniezione.
E’ possibile, ovviamente, modificare questi parametri, insieme ad altre funzioni come ad esempio
l’arricchimento in accelerazione, ed è questo che è stato fatto, individuando nuove mappature, per le
quattro diverse condizioni di funzionamento di seguito indicate:
1. Miscela al 15%, combustione stechiometrica
2. Miscela al 10%, combustione stechiometrica
3. Miscela al 15%, combustione magra
4. Miscela al 10%, combustione magra
Nuove mappature che verificassero quanto riportato in letteratura sulla riduzione dei consumi
energetici (grazie al miglioramento del rendimento del motore) e sulla riduzione delle emissioni
locali e globali.
Procedura adottata per la rimappatura della centralina (All. 4)
Il parametro emissivo che è stato considerato come vincolante per la messa a punto della
mappatura nello stechiometrico è lo NOx, in quanto con l’aumento della velocità laminare di
combustione si ha un aumento delle temperature massime e quindi una maggiore formazione di
NOx.. Al contrario, CO ed HC sono sempre minori (a parità di lambda) poiché il combustibile
contiene una minore quantità di carbonio e grazie ad una migliore combustione.
Per le miscele magre sono stati considerati insieme agli NOx gli idrocarburi incombusti, che
in questo caso possono aumentare sia perché la velocità laminare di combustione diminuisce
notevolmente, comportando una incompleta ossidazione degli HC, sia per un eccessivo
raffreddamento dei gas durante la fase di espansione, che “congela” la combustione in prossimità
delle pareti della camera e degli interstizi dovuti alla geometria del pistone, alle fasce, etc.
Le prime prove del motore con le miscele, effettuate senza alcuna modifica alla mappatura,
hanno confermato il previsto aumento degli NOx, a causa di una aumentata velocità di
combustione, cui si è posto rimedio con la modifica dell’anticipo.
650
900
800
600
700
NOx ppm
500
500
400
450
300
400
NOX
Coppia
200
Coppia Nm
550
600
350
100
0
300
-8
-6
-4
-2
0
Delta anticipo
2
4
6
Nel grafico si può verificare come una riduzione dell’anticipo (cioè ritardare l’accensione rispetto al
metano da solo) di 3 gradi corrisponda ad una diminuzione di NO considerevole, senza pregiudicare
la coppia.
Nonostante la correzione dell’anticipo, il funzionamento con la miscela metano-idrogeno sul ciclo
ECE è risultato ancora insoddisfacente in termini di emissioni, per un valore eccessivo, superiore
rispetto al metano, degli ossidi di azoto.
Si è pertanto operato un arricchimento della miscela combustibile - aria nelle fasi di accelerazione,
con aumento del relativo parametro in centralina, riuscendo così a riportare le emissioni di ossidi di
azoto a valori inferiori rispetto al metano.
15
Per le miscele aria-combustibile magre, lo smagrimento progressivo della miscela (lasciando
tutto invariato fino ad ottenere valori di NO uguali a quelli ottenibili con il solo metano, 100 ppm) è
stato limitato a lambda = 1.45, in quanto si hanno forti perdite di potenza, vedi figura:
Messa a punto miscela magra
700
NOX (ppm)
Coppia (Nm)
2000
600
NOx ppm
400
1000
300
Coppia Nm
500
1500
200
500
100
0
0.95
1.05
1.15
Lambda
1.25
1.35
0
1.45
Fissato allora lambda 1.45 (valore che diminuisce di molto gli NO) si è effettuata una serie di prove
variando l’anticipo all’accensione del motore nella ricerca di una ottimizzazione che portasse ad un
aumento delle prestazioni. Gli NOx, però, crescevano esponenzialmente all’aumento di questo
parametro mentre il guadagno in termini di potenza non era così elevato. Si è ritenuto quindi era più
conveniente scegliere uno smagrimento minore senza variazione dell’anticipo, piuttosto che valori
più elevati con anticipo ottimale.
Consumi ed emissioni su ECE 15 con metano e miscele
Si riassumono di seguito con l’aiuto di diagrammi, i risultati delle prove con le mappature
definitive, per il metano e le due miscele provate, per entrambe le strategie di controllo della
combustione, magra e stechiometrica.
E m is s io n s , g /k m
1 ,2 0
1 ,0 0
g/km
0 ,8 0
0 ,6 0
0 ,4 0
0 ,2 0
0 ,0 0
NG
HCNG 10 λ= 1
CO
HCNG 10
λ = 1 ,4
HC
HCNG 15 λ= 1
HCNG 15
λ = 1 ,4
NO X
Emissioni regolamentate per il metano e per le quattro condizioni di prova
con le miscele
16
Fuel and CO2 reduction, %
20,00
%
15,00
10,00
5,00
0,00
HCNG10 λ=1 HCNG10 λ=1,4 HCNG15 λ=1 HCNG15 λ=1,4
Fuel reduction
CO2 reduction
Riduzioni del consumo di combustibile e delle emissioni di gas “serra” per le
quattro condizioni di prova con le miscele (vedi paragrafo precedente)
Energy saving, %
12,0
10,0
%
8,0
6,0
4,0
2,0
0,0
HCNG10 λ=1
HCNG10 λ=1,4
HCNG15 λ=1
HCNG15 λ=1,4
Riduzioni del consumo energetico per le quattro condizioni di prova con le
miscele
Considerazioni finali e conclusioni
L’analisi dei risultati delle prove ci permette alcune considerazioni che, sebbene provvisorie per la
oggettiva limitatezza della campagna di prova svolta, ci sembrano incoraggianti per lo sviluppo
delle attività. Come sempre, gli obiettivi di riduzione dei consumi e delle emissioni sono tra di loro
conflittuali, e quindi l’ottimo dei risultati si ottiene con approcci diversi al problema, e cioè l’uso di
miscele magre nel primo caso (riduzione dei consumi), quello di miscele stechiometriche nel
secondo (riduzione delle emissioni). Questi due approcci corrispondono in effetti alle diverse
filosofie progettuali adottate dalla Volvo (i cui motori equipaggiano i due autobus del “Malmo
Hythane bus project”) e dall’IVECO (che costruisce il Daily usato per nostra sperimentazione) per
la realizzazione delle loro motorizzazioni a gas naturale.
Nel nostro caso, trattandosi di un motore dell’IVECO, progettato quindi per lo stechiometrico, l’adozione di una
strategia di combustione magra ha dato in effetti risultati insoddisfacenti dal punto di vista del comportamento del
veicolo (non essendosi potute effettuare modifiche dell’hardware del motore, come ad esempio l’aumento del
rapporto di compressione e/o la sovralimentazione del motore); questo a causa della riduzione della potenza
17
specifica del motore, che peggiora ulteriormente la situazione determinata dal minor contenuto energetico per unità
di volume (-11% per la miscela al 15% di idrogeno).
Per entrambe le strategie di combustione adottate, però, il mezzo è stato in grado di seguire il ciclo,
il funzionamento del motore regolare, i risultati in linea con le aspettative tanto in termini di
riduzione dei consumi ed emissioni di CO2, consistenti ed in linea con le esperienze estere, che in
termini di riduzione delle emissioni regolamentate, molto significative con lo stechiometrico.
In definitiva, anche in base a quanto riportato dagli svedesi (che tra l’altro non hanno riscontrato
perdite di potenza con le miscele) sembra di poter dire che partendo da motorizzazioni esistenti le
strategie da adottare per la modifica debbano essere coerenti con la filosofia di base del costruttore,
e quindi nel nostro caso con quella dell’IVECO.
Di conseguenza, si considereranno i risultati ottenuti con lo stechiometrico come quelli
rappresentativi di un possibile sviluppo del progetto che preveda una dimostrazione sul campo di
automezzi provvisti di motorizzazioni IVECO.
In questo caso, il comportamento del motore dal punto di vista dei consumi energetici migliora con
le miscele al 15%, in misura più che proporzionale all’incremento del contenuto di idrogeno.
Nell’ipotesi che l’idrogeno utilizzato non debba essere prodotto ad hoc a partire dal metano o sia
prodotto da fonti rinnovabili, la riduzione dei consumi è del 5%. Altrimenti, l’analisi “dal pozzo alla
ruota” ci dice (vedi prima) che la riduzione dei consumi del 5% và scontata del 2.5% , rimanendo
comunque positiva. Si osservi comunque che con λ = 1.4 si farebbe molto meglio, arrivando al
7.5% netto anche in caso di idrogeno prodotto per reforming del metano (in stazione di servizio).
Circa le emissioni di CO2, risulta confermato il fattore di leva uguale a 2 riscontrato dagli svedesi,
la riduzione ottenuta è il doppio di quella legata alla sola sostituzione di atomi di carbonio nel
combustibile con atomi di idrogeno.
Per le emissioni regolamentate, invece, tra la miscela al 10% e quella al 15% non c’è una differenza
sostanziale.
Riconoscimenti
Per tutte le attività di preparazione delle prove, approvvigionamenti, ordini e piano di sicurezza:
P.I. Giovanni Bernardini
Per la messa a punto della strumentazione di misura e di quella di gestione della ECU del motore:
P.I. Claudio Chiesa
Per la gestione della strumentazione di misura e la guida del mezzo:
P.I. Francesco Conigli
Per la gestione di altre attività:
P.I. Francesco Sacco
Un ringraziamento particolare và poi all’Ing. Fernando Ortenzi dell’Università “La Sapienza” per la
competenza, l’impegno e la passione dimostrata in tutte le fasi dell’attività.
18
Allegato 1: Stato dell’arte
19
First experiences of methane-hydrogen mixture, with vehicles, were carried on in the framework of
a programme financed by DOE and NREL, in Colorado, the "Denver Hythane Project”, from 1991
to 1993, whose results are shown in the table below:
Table 1 Denver Hythane Project
NMHC
(g/mile)
0.59
0.04
0.01
0.01
Gasoline
ULEV
Natural gas
Hythane
CO
NOx
(g/mile) (g/mile)
14.1
1.7
2.96
0.7
2.2
0.2
0.9
0.2
In the same years, limited activities were carried on by the University of Pisa and ENEA, with
interesting results:
700
600
500
400
A = 90°
A = 50°
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
In a next phase, according to an exhaustive review by R. Sierens and E. Rosseel, by University of
Gent, Belgium that relates to laboratory testings in the second half of 90’, many other experiences
are recorded:
« Hoekstra et al. (1994, 1995) examined a V8 Chevrolet 350 engine at one particular speed (12.7 kW, 1700
rpm) with different hydrogen enriched compressed natural gas mixtures, to simulate a light-duty truck…….
They found extremely low NOx values at λ =1.6 (φ = 0.625) for the 28 and 36 percent H2 blends
4.50
4.00
3.50
3.00
2.50
NOx,gr/HPh
2.00
0.93
1.50
0.85
1.00
0.50
0.00
0.78
rapporto equivalente
0.70
0%
0.63
20%
36%
H2 in volume
20
Swain et al. (1993) and Yusuf et al. (1997) made tests with a 20 percent hydrogen–80 percent natural gas
blend on two engines (2L Nissan and 1.6L Toyota) under light load conditions...For blended fuel, a 10 to 14
percent improvement in the brake thermal efficiencies over methane was found.
Larsen and Wallace (1997) and Cattelan and Wallace (1994) tested a turbocharged 3.1L V6 engine under
mid and high load conditions with a 15 percent H2 hythane blend and found similar trends (for the exhaust
concentrations in ppm) as the light load tests by Swain et al. (1993) and Yusuf et al. (1997). Raman et al.
(1994) described lean burn and stoichiometric combustion tests with a three-way catalyst. For the lean burn
(5.7L GM V8) engine it was again shown that hydrogen extends the lean limit of natural gas, thereby
enabling lower NOx emissions without excessive THC. When the BMEP advantage of hythane is sacrified by
retarding the spark advance until methane and hythane produce equal BMEP, the NOx concentrations drop
significantly. Bell and Gupta (1997) described tests with lean mixtures of natural gas blended with 5, 10, and
15 percent hydrogen on a 4 cylinder 2.5L GM engine at 2200 rpm and 50 percent WOT….Again the subject
of the research was to extend the lean operating limit of the engine and to investigate the performance and
emissions characteristics of the SI engine at these conditions. At the natural gas lean operating limit λ =1.56
(φ = 0.64) hydrogen addition allowed an increase in power (up to 47 percent again with 15 percent H2) due
to an increase in the average flame speed maintaining a sufficient heat release rate for good combustion
quality……Brake thermal efficiencies (15 percent H2) were higher than for the other fuelling cases at
corresponding equivalence ratios..»
During the last years, also a number of fleet testings were carried on. The recent Hythane® ((24.8%
vol. Hydrogen, Frank Lynch, Hydrogen Components, Inc., HCI), bus demonstration project at
Sunline transit in California used a 7% hydrogen by energy formula and the NOx emissions were
reduced by 50%. Based on success with Hythane® buses, and the cost-effectiveness of Hythane®
compared to available fuel cell technology, a number of projects are currently carried on all around
the world, like the Beijing Hythane Bus Projet, whose demonstration phase will be to adapt 30
natural gas engines for Hythane operation. In Sweden, operation with Hythane® and natural gas
had been compared for a heavy-duty natural gas engine and the study had revealed a small increase
in efficiency. Subsequently, a couple of buses had been tested on the road with blend with a 8%
hydrogen content (by volume). Tests during full load and constant load demonstrated a 20-30%
reduction in HC-emissions and higher power with mixture. Transients bring to 50% less emissions
both for HC and CO but a 50% increase of NOx. From the energy point of view, there is a 14% fuel
reduction.
21
Allegato 2: Data Sheets Strumentazione
22
Sistema AVL
Trasduttore di pressione
Range di misura dinamico
0…200 bar
Sensibilità nominale
15 pC/bar
Linearità
<= +/- 0.3% FSO
Temperatura di funzionamento
Fino a 400 °C
Filettatura di montaggio
M5 X 0.5
Amplificatore bicanale
Range di misura
Da 100 pC a 16000 pC
Setting
1,2,5,10, 20, 50 bar/V
Transducer Sensitivity
1.00 pC/bar….99.9 pC/bar
Errore di linearità
< +/- 0.01 % FS
Frequenza di taglio superiore
200 kHz
Output voltage
-10 V……+ 10 V
Modulo per la costruzione della base angolare a mezzo di trasduttori induttivi.
Velocità angolare del motore
6 x 106 / numero di impulsi (denti)
Angolo di marcatura
Selezionabile: 0.1 deg.ca., 0.2 deg.ca., 0.5 deg.ca., o 1
deg.ca., corrispondente a 1800/900/600/180 impulsi
Trigger
Sincronizzato con l’angolo di marcatura
Tensione di ingresso
9.5 V…….36 V
23
Strumentazione Race2000 delle Dimensione Sport
La strumentazione per la rimappatura delle centraline acquistata è costituita da 3 componenti:
• un software per la gestione e modifica delle mappe preseti nella eprom;
• un emulatore di eprom che consente in tempo reale la modifica dei parametri motoristici;
• un programmatore di eprom per la scrittura finale della nuova eprom.
Di seguito si riportano la schermata generale del software di gestione delle mappe e le mappe di
interesse per il lavoro in questione (mappa anticipo e iniezione dell’Iveco Daily CNG).
Screenshot del Software per la rimappatura Race2000, in evidenza i parametri modificabili per il Daily Cng
24
Mappa di anticipo al variare del numero di giri e del carico motore del Daily Cng
Mappa di iniezione al variare del numero di giri e del carico motore del Daily Cng
L’emulatore Met16 è lo strumento che in sostituzione della eprom originale della centralina motore,
consente di poter modificare rapidamente e a veicolo in moto i valori delle mappe, mentre più in
25
basso si riporta il programmatore di eprom EMP-21 realizzato dalla Needhams per la scrittura finale
della eprom.
Emulatore Eprom MET16
Programmatore eprom EMP-21
26
Allegato 3 Prove eseguite per la parametrizzazione del modello
27
Di seguito si riportano i valori misurati con la strumentazione AVL per la misura del ciclo indicato
del motore Daily 2.8 Cng in esame.
Le prove eseguite sono tutte in condizioni stazionarie e sono stati misurati 3 valori del carico per
ogni RPM + una misura al minimo. I valori del numero di giri quindi considerati sono:
800; 1500;2500;3500.
Anche se il regime di potenza massima del motore è più in alto rispetto ai 3500 RPM, non si ritiene
necessario analizzare tale regime, come non si ritiene necessario considerare la piena ammissione
del motore in quanto largamente fuori dall’ utilizzo nel ciclo ECE 15.
Il carico motore % è un indice della potenza erogata dal motore ed è uno dei parametri, insieme al
numero di giri, che tutte le centraline utilizzano per il controllo del motore. Esistono varie
definizione standardizzate per il calcolo di tale parametro, riportate nello standard SAE J1979, ma
non essendo tale veicolo compatibile con lo standard suddetto, non è possibile né acquisirlo da
presa diagnostica, né utilizzare la definizione esatta del carico riportata nella norma. In termini
generali il carico è un rapporto tra la portata effettiva aspirata e la massima portata aspirabile a quel
numero di giri, oppure è la pressione nel condotto di aspirazione; entrambe le definizioni comunque
portano ad una linearità più o meno marcata tra carico e potenza erogata.
In questa sede comunque le prove a differenti carichi verranno effettuate variando la posizione del
pedale dell’acceleratore, il che porta di fatto ad una variazione del carico. Tale valore del pedale
dell’acceleratore verrà determinata utilizzando i valori della mappa Carico Specifico - quantità aria
presente nella eprom della centralina motore e che il software per la sua modifica, che consente sia
di individuare dai punti della mappa letti nell’istante considerato che di modificarli.
Si riportano di seguito i diagrammi relativi ad una parte delle misure effettuate
28
Minimo
RPM: 800
Andamento della pressione nel cilindro al variare dell’angolo di manovella al minimo
Mappa Carico Specifico - Quantità aria al minimo, con in rosso i valori letti dalla centralina nella prova in esame
29
Mappa Anticipo e durata iniezione con i valori letti dalla centralina al minimo
30
1500 RPM
Thottle:44-50 %
Rpm: 1488
Andamento della pressione nel cilindro al variare dell’angolo di manovella a 1500 RPM e 44-50% di apertura farfalla
Mappa Carico Specifico - Quantità aria e valori letti dalla centralina nella prova in esame
31
Mappa anticipo e valori letti dalla centralina nella prova in esame
Mappa iniezione e valori letti dalla centralina nella prova in esame
32
2500 RPM
Throttle: 50-56 %
Rpm: 2618
Andamento della pressione nel cilindro al variare dell’angolo di manovella a 1500 RPM e 44-50% di apertura farfalla
Mappa Carico Specifico - Quantità aria e valori letti dalla centralina nella prova in esame
33
Mappa anticipo e valori letti dalla centralina nella prova in esame
Mappa iniezione e valori letti dalla centralina nella prova in esame
34
Allegato 4 Rimappatura del motore
35
Prove con la miscela senza modifiche di gestione
Dopo la caratterizzazione nel funzionamento a metano, l’attività sperimentale sul motore è iniziata
con l’effettuazione di una serie di prove preliminari:
1) Prova di semplice messa in moto con la miscela: l’esito è stato positivo in quanto il motore
si è avviato al primo tentativo. Nel funzionamento in folle il motore ha risposto
perfettamente all’acceleratore; non sono state avvertite differenze di rilievo rispetto al
funzionamento a metano se non per una leggera variazione della tonalità del rumore che
sembrava un po’ più “metallico”.
2) Prove stazionarie di confronto tra funzionamento a metano e funzionamento a miscela senza
ottimizzazione. E’ stata riscontrata una riduzione del tenore di CO2 allo scarico ed una
perdita di potenza.
3) Prove di confronto tra metano e miscela senza ottimizzazione su ciclo ECE. I risultati
indicano una riduzione di circa il 7% del consumo e degli inquinanti eccetto che per l’NOX.
Quest’ultimo, misurato in un secondo tempo per indisponibilità dello strumento, ha mostrato
valori di circa 1,6 g/km, certamente superiori a quello del solo metano, ragione per cui
l’utilizzo della miscela senza alcuna ottimizzazione è stato abbandonato.
E’ risultata quindi evidente la necessità di effettuare la ri-mappatura della centralina, con le
modalità di seguito descritte
Ipotesi di base per la rimappatura
Sono stati considerati entrambe le modalità di funzionamento del motore termico:
• Stechiometrico (lambda =1);
• Miscela magra (lambda >1)
Per la strategia di controllo stechiometrica, il parametro emissivo che è stato considerato
come vincolante per la messa a punto della mappatura è stato l’ NOx, in quanto con l’aumento della
velocità laminare di combustione si ha un aumento delle temperature massime e quindi una
maggiore formazione di NOx. Infatti, la formazione di NOx in un motore ad accensione comandata
dipende fortemente dalla quantità di ossigeno presente nella camera di combustione (direttamente
correlata con l’indice di eccesso d’aria lambda) e dalla temperatura dei prodotti della combustione.
Al contrario, CO ed HC sono sempre minori (a parità di lambda) che per il metano poiché il
combustibile contiene una minore quantità di carbonio e grazie ad una migliore combustione.
Anche per le miscele magre il parametro di controllo sono stati gli NOx, in quanto passando
verso lambda maggiori di 1 il catalizzatore installato sul veicolo perde la sua efficienza e proprio
per miscele leggermente magre si hanno i picchi di NOx. Si è dovuto però tener conto anche del
fatto che, per miscele molto magre, la velocità laminare di combustione diminuisce notevolmente
con una incompleta ossidazione degli HC in camera di combustione, controllando che i valori
misurati per questo inquinante rimanessero minori rispetto al metano. Si ricorda che le principali
cause di produzione di incombusti allo scarico di un motore ad accensione comandata sono gli
interstizi all’interno della camera di combustione (piccoli volumi in cui il fronte di fiamma è
incapace ad entrare), lo strato di olio depositato sulle pareti del cilindro (l’olio adsorbe combustibile
durante la fase di compressione e lo rilascia nella fase di espansione, a combustione terminata), ma
anche una bassa velocità di combustione che non ha il tempo di ossidare tutto il combustibile prima
che la valvola di scarico apra.
Scelta delle due mappature di riferimento
Stechiometrica
Le prime prove del motore con le miscele, effettuate senza alcuna modifica alla mappatura, hanno
confermato il previsto aumento degli NOx, a causa di una aumentata velocità di combustione, cui si
36
è posto rimedio con la modifica dell’anticipo. Nel grafico in basso sono riportate la coppia del
motore, a 1500 RPM ed espressa in Nm, e le emissioni di ossidi di azoto espresse in ppm.
650
900
800
600
700
NOx ppm
500
500
400
450
300
400
NOX
Coppia
200
Coppia Nm
550
600
350
100
0
300
-8
-6
-4
-2
0
Delta anticipo
2
4
6
Si può verificare come una riduzione dell’anticipo (un ritardo, rispetto al metano da solo) già di 3°
gradi corrisponda ad una diminuzione di NO considerevole, senza pregiudicare la coppia. E’ stato
ritenuto che una buona condizione di funzionamento si otteneva fissando l’anticipo uniformemente
in 4°. Valori più elevati sono stati esclusi per non incorrere in mancate accensioni o in combustioni
nei condotti di scarico che tra l’altro avrebbero danneggiato i sensori posti allo scarico.
Nonostante la correzione dell’anticipo, sul ciclo ECE, il funzionamento con la miscela metanoidrogeno è risultato ancora insoddisfacente in termini di emissioni, per un valore eccessivo,
superiore rispetto al metano, degli ossidi di azoto.
Si è pertanto operato un arricchimento (del 25%) della miscela combustibile - aria nelle fasi di
accelerazione, con aumento del relativo parametro in centralina, riportando le emissioni di ossidi di
azoto a valori inferiori rispetto al metano. Nel grafico di seguito riportato, i picchi di ossidi di azoto
sono nettamente diminuiti dopo la suddetta modifica, come confermato da i valori cumulativi in
g/km riferiti all’intero ciclo.
60
NOx After
NOx before
Speed After
Speed Before
1000
50
40
NOx ppm
800
30
600
20
400
10
200
Vehicle Speed Km/h
1200
0
0
-10
0
10
20
30
40
50
Time s.
60
70
80
90
Un risultato accessorio di queste prove su ciclo è stata la verifica delle diverse performances
raggiunte da due diversi guidatori. Il confronto è stato fatto tra il pilota ordinario, ottimo guidatore,
ed un altro meno bravo. Il risultato è stato che su 3 cicli (circa 3 km), il secondo ha prodotto circa il
37
doppio di CO, il 7% in più di NOX, il 2% in più di consumo. Si noti che questa circostanza ha
suggerito la ripetizione delle prove sul metano che, per la loro durata maggiore (circa 40 cicli) erano
state effettuate da un gruppo di guidatori che si alternavano. Per la maggiore affidabilità dei risultati
quindi i risultati finali sono relativi a prove tutte eseguite dallo stesso guidatore.
Miscela magra
I test sono eseguiti a parità di parzializzazione dell’acceleratore (a parità di portata in aspirazione),
quindi il confronto dei valori in volume è equivalente al confronto in massa.
1. Prima prova: smagrimento della miscela lasciando tutto invariato fino ad ottenere valori
di NO uguali a quelli ottenibili con il solo metano (100 ppm). Non si è andati oltre
lambda 1.45 in quanto si hanno forti perdite di potenza. Coerentemente con i dati
rinvenuto da altri ricercatori è stato trovato l’andamento a campana dell’NOC, con
massimo per 1,1. L’altra curva dà l’andamento della coppia motrice
Messa a punto miscela magra
700
NOX (ppm)
Coppia (Nm)
2000
400
1000
300
Coppia Nm
500
1500
NOx ppm
600
200
500
100
0
0.95
1.05
1.15
Lambda
1.25
1.35
0
1.45
I vari gradi di smagrimento sono stati ottenuti mediante il distacco della sonda lambda.
A seguito di ciò avveniva che la logica della centralina non si accorgesse
immediatamente dell’avaria, ma per qualche minuto interpretasse il segnale nullo
proveniente dalla sonda come un difetto di combustione e cercasse di ovviare
all’inconveniente con un aumento di combustibile iniettato. Solo dopo circa 5 minuti la
centralina rilevava l’avaria segnalandola sul cruscotto ed interrompendo le correzioni. A
questo punto era possibile effettuare lo smagrimento della miscela aria combustibile. Lo
smagrimento è stato effettuato mediante riduzione percentuale della quantità di
carburante iniettato. La riduzione è stata della stessa percentuale su tutta la gamma giri
carico della mappa memorizzata.
2. Seconda prova: fissato lambda 1.45 (valore che diminuisce di molto gli NO fino a circa
50 ppm, ma la perdita di potenza è oltre il 40%.) si è effettuata una serie di prove
variando l’anticipo all’accensione per recuperare prestazioni in potenza. Si è visto che
gli NOx crescevano esponenzialmente all’aumento di questo parametro mentre il
guadagno in termini di potenza non era così elevato. Si è visto poi che, dal punto di vista
delle potenze, era più conveniente utilizzare valori più bassi di lambda senza variazione
dell’anticipo, piuttosto che valori più elevati con anticipo ottimale. Si è scelto quindi un
valore di lambda di 1.4 invece che di 1.45 come valore da adottare per la
caratterizzazione del funzionamento con miscele magre senza variazione dell’anticipo.
38
Miscela magra con lambda = 1,45
600
330
325
500
NOX (ppm)
Coppia (Nm)
320
315
300
310
305
200
Coppia Nm
Nox ppm
400
300
100
295
0
290
0
5
10
Delta anticipo gradi
15
20
Cons.spc g/kWh miscela magra
g/kWh
400
300
200
100
0
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
lambda
3. Prove con miscela al 10%. Per questo tenore di idrogeno sono state estese la maggior
parte delle considerazioni fatte per il 15% . Sono state apportate solo alcune leggere
correzioni suggerite dall’osservazione del comportamento durante le prove.
Il settaggio “magro” è stato conservato a λ=1,4. Per il settaggio “stechiometrico” è stata
effettuata una riduzione della variazione di anticipo. Si è adottata una diminuzione di 3°.
Parimenti il valore dell’arricchimento in accelerazione è stato posto al 20%.
39
Allegato 5 Caratterizzazione del mezzo nel funzionamento d’origine (a metano) e
con le miscele
40
Misure su Iveco Daily di tipo dinamico
Le prove di tipo dinamico sono state eseguite sulla parte urbana del ciclo di omologazione, EUDC.
Il microciclo prevede una serie di accelerazioni e decelerazioni con soste intermedie ( vedi figura ).
Ogni microciclo ha la durata di 195 sec con una velocità media di 18.7 km/h ed una percorrenza di
1013 m. Il primo tratto si percorre in prima marcia con v=015 km/h, il secondo tratto prevede un
cambio 1° - 2° marcia a 15 km/h per arrivare a 30 km/h mentre il terzo tratto viene eseguito con due
cambi di marcia sino a 50 km/h con un cambio in scalata sino alla frenata.
Le impostazioni del banco a rulli per l’esecuzione delle prove sono state le seguenti:
Coefficiente di penetrazione aerodinamico: Cx = 0,35
Superficie frontale : 3,69 m2
Massa del veicolo: 3500 kg
La massa del veicolo impostata per l’esecuzione delle prove è superiore (del 50%) a quella prevista
dalla normativa, per cui i risultati ottenuti non sono confrontabili con le prove di omologazione.
Tale scelta è dipesa dalla opportunità di verificare i benefici ottenibili in condizioni più simili a
quelle reali di funzionamento del veicolo.
Schermata comprendente 8 microcicli
Per la corretta impostazione delle velocità richieste è stato utilizzato un software grafico di aiuto al
guidatore. Il margine di errore ammesso è stato di ± 5%.
In tutte le prove il numero degli errori di guida, espressi in numero di secondi di superamento del
limite di errore, è stato sempre sotto i 20, corrispondente, per una prova di 20 km, allo 0,5% di
errori.
Il guidatore, per la massima affidabilità del risultato, è stato sempre lo stesso.
Prova con combustibile metano.
La prova di consumo ed emissioni è stata eseguita il 20 novembre 2006 e si è svolta in due fasi,
mattina e pomeriggio, con pesatura intermedia della bombola di combustibile. La temperatura
dell’aria è stata di 14 °C.
La percorrenza totale della prova è stata di 39,244 km. Il consumo è stato di 5,25 kg, per cui il
consumo specifico è di 134 g/km.
La quantità di CO2 emessa, a calcolo, è stata di 368,5 g/km.
Gli altri inquinanti sono stati desunti dalle sole prove pomeridiane, e sono i seguenti:
41
CO = 0,21 g/km
HC = 0,21 g/km
NOx = 1,06 g/km
Prova con miscela al 10% e settaggio “stechiometrico”.
La prova è stata eseguita il giorno 6 novembre 2006 nella mattinata. La temperatura ambiente era di
16 °C.
Lo spazio percorso è stato di 19,175 km ed il consumo è stato di 2,494 kg, per cui il consumo
specifico è di 130 g/km.
La quantità di CO2 emessa, a calcolo, è stata di 352,7 g/km.
Gli inquinanti sono i seguenti:
CO = 0,18 g/km
HC = 0,022 g/km
NOx = 0,25 g/km
Prova con miscela al 10% e settaggio “magro”.
La prova è stata eseguita il giorno 6 novembre 2006 nel pomeriggio. La temperatura ambiente era
salita a 20 °C.
Lo spazio percorso è stato di 19,224 km ed il consumo è stato di 2,336 kg, per cui il consumo
specifico è di 122 g/km.
La quantità di CO2 emessa, a calcolo, è stata di 331,0 g/km.
Gli inquinanti sono i seguenti:
CO = 0,002 g/km
HC = 0,567 g/km
NOx = 0,80 g/km
Prova con miscela al 15% e settaggio “stechiometrico”.
La prova è stata eseguita il giorno 16 ottobre 2006 nel pomeriggio. La temperatura ambiente era di
24 °C.
Lo spazio percorso è stato di 19,180 km ed il consumo è stato di 2,370 kg, per cui il consumo
specifico è di 123 g/km.
La quantità di CO2 emessa, a calcolo, è stata di 329,6 g/km.
Gli inquinanti sono i seguenti:
CO = 0,31 g/km
HC = 0,12 g/km
NOx = 0,38 g/km
Prova con miscela al 15% e settaggio “magro”.
La prova è stata eseguita il giorno 16 ottobre 2006 sempre nel pomeriggio. La temperatura ambiente
è rimasta a 20 °C.
Lo spazio percorso è stato di 22,00 km ed il consumo è stato di 2,565 kg, per cui il consumo
specifico è di 117 g/km.
La quantità di CO2 emessa, a calcolo, è stata di 313,6 g/km.
Gli inquinanti sono i seguenti:
CO = 0,07 g/km
HC = 0,54 g/km
NOx = 0,99 g/km
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Allegato 6 Ricondizionamento del veicolo alla fine della prova
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Data di arrivo del mezzo: 22/6/2006, Inizio prove: 21/7/2006; km mezzo:12758; Fine prove:
14/12/2006; km mezzo: 13298;
Al termine delle prove le operazioni di ripristino della normale operatività del mezzo sono state le
seguenti:
1. Rimozione della apparecchiature di misura e controllo apposte al mezzo. In particolare si è
provveduto a disinstallare l’attrezzatura di emulazione della centralina di iniezione, si è
eliminata la candela speciale recante il sensore di pressione, si è distaccato il sistema di
alimentazione di combustibile da bombolaio esterno, si è rimosso il sistema di captazione
del campione dei fumi posto all’estremità del tubo di scarico.
2. Ripristino delle condizioni di funzionalità originarie. E’ stata rimontata la candela
convenzionale; è stata effettuata la riconnessione dell’alimentazione di combustibile
proveniente dalle bombole di bordo al sistema di alimentazione del motore.
Situazione modificata: l’alimentazione dell’idrogeno è collegata al posto del pressostato
Ripristino del pressostato nella situazione iniziale
3. E’ stato effettuato un parziali rifornimento delle bombole di bordo travasando parte del
contenuto di una bombola non utilizzata per le prove
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4. Controllo della tenuta del sistema di alimentazione del metano. Secondo il parere
preventivamente richiesto, verbalmente, al Centro Superiore Ricerche del Ministero dei
Trasporti, nella persona dell’Ing. Vincenzo Scorsone, l’intervento eseguito sul circuito alta
pressione rientra nelle operazioni di normale manutenzione, avendo comportato solamente
lo smontaggio ed il successivo rimontaggio del pressostato, vedi figure in alto, utilizzando
giunti di connessione a tenuta conica. Non è stata eseguita alcuna modifica su nessuna delle
restanti parti del circuito. Non abbisognando pertanto di una ricertificazione ufficiale della
prova di tenuta, la prova è stata eseguita in ENEA da personale qualificato. Il controllo di
tenuta è stato effettuato con le opportune schiume rivelatrici di fughe e verificando nel
tempo della conservazione della pressione nelle bombole. Dopo 4 giorni la pressione è
rimasta al valore originario di 120 bar, vedi le due foto in basso.
Manometro sulle bombole alla ricarica in ENEA (14/12)
Manometro sulle bombole dopo alcuni giorni (18/12)
5. Rimozione del mezzo dal banco a rulli. Il mezzo è stato liberato dai vincoli meccanici di
ancoraggio al banco, è stato condotto fuori dell’edificio di prova ed è stato reso disponibile
per la riconsegna.
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