Lean-burn operation for natural gas/air mixtures: the dual-fuel engines

摘要

La ricerca nel campo dei motori a combustione interna è sempre più rivolta ad identificare una soluzione alternativa all’utilizzo dei combustibili derivati dal petrolio, per ragioni di carattere ambientale, politico ed economico. Il gas naturale (NG) è un combustibile ideale per motori a combustione interna, essendo caratterizzato da basso impatto ambientale e consumi ridotti rispetto ai combustibili convenzionali (benzina e gasolio). Inoltre esso è particolarmente adatto ad essere utilizzato in motori ad elevato rapporto di compressione volumetrico, ed è caratterizzato da un ampio campo di infiammabilità. Quest’ultimo aspetto promuove la combustione magra di miscele di aria e NG, ottenendo un ulteriore incremento di rendimento ed un’ulteriore diminuzione dei consumi. I motori dual-fuel NG/diesel permettono di estendere il limite magro d’infiammabilità rispetto ai motori ad accensione comandata alimentati a NG, ed allo stesso tempo consentono di ridurre il trade-off NOX-PM di cui soffrono i motori diesel. Tale tecnologia consiste nell’introduzione del NG come combustibile principale in un motore diesel. Una certa quantità di gasolio viene ancora iniettata, ed agisce come sorgente d’accensione per la miscela di aria e NG. La facilità di conversione rende la tecnologia dual-fuel particolarmente allettante come retrofit di motori diesel già esistenti che in futuro si troverebbero a non soddisfare i sempre più stringenti limiti sulle emissioni inquinanti. Nel presente lavoro, la combustione dual-fuel, con la sua inerente complessità, viene analizzata seguendo un approccio misto numerico-sperimentale. L’attività sperimentale ha come obiettivo l’analisi dei vantaggi e dei problemi connessi con la conversione di un motore diesel heavy-duty al funzionamento dual-fuel, sulla base delle prestazioni e delle emissioni inquinanti. L’attività numerica è caratterizza da un approccio misto 1-D/3-D, ed è stata inizialmente condotta per la corretta comprensione del complesso meccanismo di combustione in modalità dual-fuel. L’analisi multi-dimensionale (3-D) dettagliata del sistema cilindro–pistone è stata successivamente effettuata per la corretta rappresentazione dei fenomeni termo-fluidodinamici evolventi in camera di combustione. Una tale strategia permette la completa descrizione del comportamento dell’intero sistema motore e della combustione dual-fuel nel dettaglio.