ALTERNATIVE FUELS AND VEHICLES
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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MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
COMPRESSIONE
Con tutte le valvole chiuse, il pistone va
sù, comprimendo l’aria nel cilindro
Incremento della temperatura dell’aria e
della pressione
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MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
INIEZIONE
Il combustibile è iniettato nel cilindro ad
alta pressione, dopo la compressione
dell’aria
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MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
ESPANSIONE
Il combustibile si infiamma quando viene a
contatto con l’aria calda
Il motore è così creato.
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MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
VAPORE DI
SCARICO
Dopo la combustione, i gas
combusti lasciano il cilindro
attraverso la/le valvola/e di scarico
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MOTORE DIESEL A 4 TEMPI
COMBUSTÃO
ASPIRAZIONE COMPRESSIONE
INIEZIONE
ESPANSIONE
VAPORE DI
SCARICO
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• Rapporto di
compressione =
Vmax
Vres
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COMPONENTI PRINCIPALI DEL MOTORE
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COMPONENTI PRINCIPALI DEL MOTORE
• 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
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PRINCIPALI SISTEMI AUSILIARI
• 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 )
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DISTRIBUZIONE
Doppio albero a camme in testa,
DOHC
Albero a camme laterali
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DISTRIBUZIONE
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SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO
Finalità:
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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SISTEMI DI RAFFREDDAMENTO
• Pompa acqua
• Termostato
• Radiatore
• Ventilatore
• Sistema di
riscaldamento
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SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE
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)
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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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SISTEMA DI COMBUSTIONE
1. Iniezione indiretta
2. INIEZIONE DIRETTA
•
Iniezione diretta nei cilindri
•
Pressioni d’iniezione più elevate
•
Tecnologia più costosa e sofisticata
•
Iniettori multipli
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INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA
A CONFRONTO
Diretta
Indiretta
Minore dispersione termica
Maggiore dispersione termica
tra le camere
Maggiore
Minore
Velocità del motore moderata
Velocità del motore più elevata
Combustibile
Necessita di carburanti di
qualità superiore
Funziona con carburanti di più
scarsa qualità (viscosità,
numero di cetano)
Iniezione
Multijet
(Pressioni d’iniezione più
elevate)
Single-jet
(Pressioni d’iniezione più
modeste )
Perdite
Performance
Velocità
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INIEZIONE DIRETTA – INIEZIONE INDIRETTA
A CONFRONTO
Vantaggi
Svantaggi
Minor consumo di
carburante
Prezzo
Potenza
Rumorosità
Partenza fredda
Vibrazioni
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INIEZIONE DIRETTA
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INIEZIONE DIRETTA
Squish e swirl
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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
Iniettore Pompa
 2000 bar
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
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SISTEMI DI INIEZIONE
Pressão máx. 1350 – 1500 bar
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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TURBOCOMPRESSIONE
Geometria variabile
• Maggiore coppia su l’intera gamma
delle velocità del motore
• Migliore consumo di carburante
• Maggiore potenza
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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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Catalizzattori
Controllo 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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FORMAZIONE E CONTROLLO DEGLI INQUINANTI
HC
CO
NOx
PM
Diesel
Benzina
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STANDARD EUROPEI DELLE EMISSIONI
Veicolo Diesel per trasporto persone  2,5t (valori in g/km)
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
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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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Teorico rendimento del motore
RENDIMENTO ENERGETICO
Motori a
benzina
Motori Diesel
Rapporto di
compressione
Vmax
Vres
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RENDIMENTO ENERGETICO
Lavoro utile
Perdite
Variazioni di velocità
Perdite di combustione
Perdite stechiometriche
Perdite di carico
Procedura ideale
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
Carburante
Deve evaporare facilmente e
Non deve auto avviarsi
auto avviarsi
(Numero di ottano elevato)
(Numero di cetano elevato)
Rapporto di
compressione
Il più alto possibile (15 su
24)
Limitato dalle caratteristiche
del combustibile (9 su 12)
Rendimento
~35%
Meno di 30%
Turbocompressione
Quando 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 motore
Limitato 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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Riassumendo….
Le compagnie petrolifere lavorano per:
• Aumentare il numero di cetano
• Abbassare il tenore in zolfo
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Grazie al Prof. Tiago Farias,
docente presso l’Università
Tecnica di Lisbona
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Grazie per l’attenzione!
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