Motori ad Accensione Comandata a metano

[Mauro80]

La probabile uscita nel 2007 di un motore Fiat 1.4 16V turbo (leader europeo nella vendita di motori a metano, qualcosa di cui possiamo essere fieri ) mi ha posto come al solito diverse domande su questa soluzione che io giudico molto interessante.
Non sono un motorista, sono un ing chimico per cui di motori ne so veramente poco, ma dalle remore che ho dell'esame di macchine posso scrivere che il rendimento termodinamico di un morore aumenta con beta , il rapporto di compressione secondo un andamento rapprensetato nelle figure.
http://www.imageweb.info/viewimage.p...2/IpY88690.png
http://img148.imageshack.us/my.php?image=sabathemp8.png
dove
k è l'indice della politropica,
a=(T3'/T2)
b=(T3/T3')
sapendo che i cicli Otto e Diesel sono particolari cicli Sabathé

Benche ,a parità di beta il ciclo Otto ideale, abbia un rend termodinamico maggiore, sappiamo bene che i motori Diesel sul mercato hanno eta mediamente superiori perchè il comburente può essere compresse di più rispetto alle miscele aria benzina 95Ottani che altrimenti detonerebbero.

Il problema della detonazione si potrebbe risolvere usando il metano che ha un NO maggiore di 120.
Il lavoro fruibile all'albero però è dato anche da altri fattori, non solo dal'eta termodinamico, in effetti

Le = Q*eta th* eta indicato * eta meccanico

L'eta indicato conisidera il comportamneto non ideale del fluido ad alte P (da ing chimico posso dorvi che tanto maggiore è la pressione tanto maggiore è il discostamento da fluido ideale per cui immagino che diminuisca con beta)

L'eta meccanico considera le perdite fluidodinamiche e dovrebbe, sottolineo dovrebbe, diminuire con beta (problemi di tenuta), ma qui servirebbe la spiegazione un ing meccanico.

Le domande sono

1)Non è possibile costruire unità Otto alimetate a metano sovralimentate con turbocompressore, ad alti beta in maniera d'avere motori piccoli con alte potenze specifiche (grazie al turbo) e alti rendimenti (grazie all'alto Beta)?
ad sempio motori 4 cilindri 600cc turbo a metano e beta alto?

2)Oppure vi sono grossi problemi meccanici a costruire macchine ad alti beta, per cui il problema non è nella chimica,ma nella meccanica?

3)Vi è poi anche il problema di fare un auto che lavori sia a benzina che a metano dovendo quindi variare beta in base al combustibile?





(fonte MAcchine di Giuseppe Cantore)

[Athlon]

Praticamente TUTTe le automobili turbo a doppia alimentazione benzina/metano hanno potenze diverse a seconda del carburante utilizzato , per la precisione a METANO hano una potenza MAGGIORE perche' viene aumentata la pressione di sovralimentazione grazie al maggior numero di ottani del Metano.


gli esempi piu' eclatanti sono i tanti proprietari di Delta HF turbo che usano il metano per avere maggiori prestazioni.

[Mauro80]

Quelle sono auto modificate, motori progettati per funzionare a benzina, per cui non so quanto sia rischioso far lavorare un motore ad una pressione maggiore a quella per cui è stato progettato.
Sui consumi sai dirmi qualcosa?

Sarei interessato al rendimento del motore piuttosto che alle potenze

Il metano ha un potere calorifico inferiore di 44500Kj/Kg mentre la benzina di 48000 Kj/Kg per cui abdrebbero confrontati quanti Km si fanno con 1Kg di metano rispetto a 1,32 l di benzina (la densità della benza è 0,7)

[Satviolence]

Originariamente inviato da Mauro80

Le domande sono

1)Non è possibile costruire unità Otto alimetate a metano sovralimentate con turbocompressore, ad alti beta in maniera d'avere motori piccoli con alte potenze specifiche (grazie al turbo) e alti rendimenti (grazie all'alto Beta)?
ad sempio motori 4 cilindri 600cc turbo a metano e beta alto?

Il problema dei benzina è che ne regoli il funzionamento strozzandoli di più o di meno con la valvola a farfalla, variando il riempimento del cilindro e quindi il rendimento del motore. Per questo non credo che i miglioramenti sarebbero significativi. Un altro svantaggio del motore che proponi è che avrebbe una curva di coppia sfavorevole per le applicazioni di autotrazione.
Un motore in questione credo che avrebbe pure delle temperature di picco molto alte, e questo favorisce la produzione di NOx.
Comunque il principio di fare motori più piccoli e potenti è attualmente seguito nei motori diesel.

3)Vi è poi anche il problema di fare un auto che lavori sia a benzina che a metano dovendo quindi variare beta in base al combustibile?

Le auto benzina-metano o benzina-gpl (anche il gpl ha un alto numero di ottano) lavorano con il rapporto di compressione che va bene per il combustibile con minore resistenza alla detonazione, cioè la benzina. Comunque, volendo fare un motore solo a metano o gpl sarebbe possibile ottenere rendimenti e potenze più alte che con la benzina, nonostante il minore potere calorifico. La Saab mi pare che aveva provato a fare un motore con rapporto di compressione variabile, ma la complicazione era eccessiva e si avevano vantaggi marginali.

Comunque devo fare una correzione a quanto ai detto: i motori a benzina aspirano una miscela aria-benzina, quelli diesel aspirano solo aria. Il gasolio viene iniettato alla fine della compressione (più o meno) e si avvia spontaneamente la fase di combustione. Alla benzina è richiesto di resistere alla detonazione perchè deve subire indenne la fase di compressione (questa caratteristica è misurata dal numero di ottano) fino allo scoccare della scintilla, mentre al gasolio è richiesto di accendersi facilmente appena viene iniettato in un ambiente ad alte temperature e pressioni (questa caratteristica è misurata dal numero di cetano): l'opposto della benzina quindi.

[Mauro80]

Originariamente inviato da Satviolence

Il problema dei benzina è che ne regoli il funzionamento strozzandoli di più o di meno con la valvola a farfalla, variando il riempimento del cilindro e quindi il rendimento del motore.
Per questo non credo che i miglioramenti sarebbero significativi.

L'eta varierebbe comunque ai carichi parziali, giustamente, ma a parità di potenze espresse, o se vuoi a parità di apertura della valvola, il rendimento th aumenterebbe?

Originariamente inviato da Satviolence

Un altro svantaggio del motore che proponi è che avrebbe una curva di coppia sfavorevole per le applicazioni di autotrazione.

Questo non lo sapevo, un motore con alti beta ha forse una curva di coppia non piatta?

Originariamente inviato da Satviolence

Un motore in questione credo che avrebbe pure delle temperature di picco molto alte, e questo favorisce la produzione di NOx.

Problema risolubile giocando sui rapporti stechiometrici, il metano ha una curva di infiammabilità più ampia rispetto alla benzina e comunque è molto più problematico nei DIESEL

Originariamente inviato da Satviolence

Comunque il principio di fare motori più piccoli e potenti è attualmente seguito nei motori diesel.

Perchè non nei benzina? oltretutto producono meno particolato ed evitano quindi l'installazione dei costosi filtri antiparticolato.

Originariamente inviato da Satviolence

Le auto benzina-metano o benzina-gpl (anche il gpl ha un alto numero di ottano) lavorano con il rapporto di compressione che va bene per il combustibile con minore resistenza alla detonazione, cioè la benzina. Comunque, volendo fare un motore solo a metano o gpl sarebbe possibile ottenere rendimenti e potenze più alte che con la benzina, nonostante il minore potere calorifico. La Saab mi pare che aveva provato a fare un motore con rapporto di compressione variabile, ma la complicazione era eccessiva e si avevano vantaggi marginali.

Questo è interessante, in base al combustibile usato, Saab ha pensato di ritardare l'accensione della candela in maniera da comprimere maggiormente la miscela aria-combustibile?

Originariamente inviato da Satviolence

Comunque devo fare una correzione a quanto ai detto: i motori a benzina aspirano una miscela aria-benzina, quelli diesel aspirano solo aria. Il gasolio viene iniettato alla fine della compressione (più o meno) e si avvia spontaneamente la fase di combustione. Alla benzina è richiesto di resistere alla detonazione perchè deve subire indenne la fase di compressione (questa caratteristica è misurata dal numero di ottano) fino allo scoccare della scintilla, mentre al gasolio è richiesto di accendersi facilmente appena viene iniettato in un ambiente ad alte temperature e pressioni (questa caratteristica è misurata dal numero di cetano): l'opposto della benzina quindi.

mea culpa, sono stato impreciso,ho già corretto

[Satviolence]

Originariamente inviato da Mauro80

L'eta varierebbe comunque ai carichi parziali, giustamente, ma a parità di potenze espresse, o se vuoi a parità di apertura della valvola, il rendimento th aumenterebbe?

Si, il rendimento aumenta senz'altro, ma non di molto. Basta vedere il grafico rendimento/rapporto di compressione: i miglioramenti li hai sopratutto sui bassi rapporti di compressione, in quelli più alti la cosa inizia ad essere meno rilevante. Il problema dei motori a benzina IMHO è la valvola a farfalla, ed è per questo che c'è si stanno studiando sistemi a carica stratificata e iniezione diretta.

Questo non lo sapevo, un motore con alti beta ha forse una curva di coppia non piatta?

No no... mi riferivo ai 600 cm^3 e al turbo! E' il motore di una Smart praticamente!

Problema risolubile giocando sui rapporti stechiometrici, il metano ha una curva di infiammabilità più ampia rispetto alla benzina e comunque è molto più problematico nei DIESEL

Ok, ho capito. Ma allora nei motori otto a metano si potrebbe variare la potenza variando la dosatura combustibile + valvola a farfalla!

Perchè non nei benzina? oltretutto producono meno particolato ed evitano quindi l'installazione dei costosi filtri antiparticolato.

Si, anche nei benza e il motore Fiat che hai citato ne è un esempio (o anche il 1.4 TSI della VolksWagen), ma sono casi più rari. I motori a benzina comunque non producono particolato. Ho parlato dei diesel perchè l'uso del turbo è moooolto maggiore e molto più conveniente, praticamente necessario.

Questo è interessante, in base al combustibile usato, Saab ha pensato di ritardare l'accensione della candela in maniera da comprimere maggiormente la miscela aria-combustibile?

A parte che non si può giocare così liberamente sull'anticipo di accensione... comunque no... la Saab ha fatto così: il blocco cilindri non è fisso sul basamento ma è incernierato sulla parte frontale. Ruotando il blocco cilindri varia la posizione di fine corsa del pistone e quindi il rapporto di compressione.

[Mauro80]

Originariamente inviato da Satviolence

Si, il rendimento aumenta senz'altro, ma non di molto. Basta vedere il grafico rendimento/rapporto di compressione: i miglioramenti li hai sopratutto sui bassi rapporti di compressione, in quelli più alti la cosa inizia ad essere meno rilevante. Il problema dei motori a benzina IMHO è la valvola a farfalla, ed è per questo che c'è si stanno studiando sistemi a carica stratificata e iniezione diretta.

Perdona l'ignoranza, in cosa consiste la carica stratificata?

Originariamente inviato da Satviolence

No no... mi riferivo ai 600 cm^3 e al turbo! E' il motore di una Smart praticamente!

Perchè un motore di piccola cilindrata turbo dovrebbe avere una cattiva erogazione di coppia?

Originariamente inviato da Satviolence

Ok, ho capito. Ma allora nei motori otto a metano si potrebbe variare la potenza variando la dosatura combustibile + valvola a farfalla!

L'idrogeno ha una T adiabatica di fiamma ancora più alta,BMW ha risolto il problema degli NOx sulla sua serie 7 ad H2 (guidata dal ns Formigoni) agendo sui rapporti stechiometrici data l'ampio intervallo di infiammabilità della miescela aria-idrogeno ottenendo un atmosfera sufficientemente riducente

Originariamente inviato da Satviolence

Si, anche nei benza e il motore Fiat che hai citato ne è un esempio (o anche il 1.4 TSI della VolksWagen), ma sono casi più rari. I motori a benzina comunque non producono particolato. Ho parlato dei diesel perchè l'uso del turbo è moooolto maggiore e molto più conveniente, praticamente necessario.


A parte che non si può giocare così liberamente sull'anticipo di accensione... comunque no... la Saab ha fatto così: il blocco cilindri non è fisso sul basamento ma è incernierato sulla parte frontale. Ruotando il blocco cilindri varia la posizione di fine corsa del pistone e quindi il rapporto di compressione

Con parte frontale intendi il cilindro si unisce al basamento che alloggia bielle e albero?
Era un motore che che variava l'inclinazione dei cilindri rispetto alla verticale col terreno?
In questo modo riuscivano a ridurre il volume della camera di combustione?

[Satviolence]

Originariamente inviato da Mauro80

Perdona l'ignoranza, in cosa consiste la carica stratificata?

La benzina di suo ha già un ridotto intervallo di infiammabilità, in più per il funzionamento del catalizzatore è necessario lavorare in condizioni stechiometriche. Quindi non sarebbe proprio possibile fare come nei Diesel, cioè variare il carico sul motore agendo semplicemente sulla quantità di combustibile iniettato, a meno di non usare una carica stratificata. Con questo sistema si cerca in qualche modo di concentrare la benzina nella camera di combustione intorno alla candela (usando turbolenza e iniezione diretta), cercando di avere un rapporto stechimetrico locale, e di non avere combustibile nelle zone circostanti.

Perchè un motore di piccola cilindrata turbo dovrebbe avere una cattiva erogazione di coppia?

Il turbo di solito introduce un ritardo nella risposta e una zona di utilizzo più ristretta in modo più o meno marcato, per il fatto che si abbina una macchina volumetrica ad una turbomacchina.
Ricercare alta potenza da un motore di piccola cilindrata implica più alti regimi di rotazione, quindi bisogna usare pesantemente gli effetti inerziali della colonne gassose in ingresso e uscita per migliorare il riempimento ad alti giri, e ci sono anche risonanze da tenere in considerazione, ma sono ottimizzazioni dinamiche che funzionano bene solo in un ristretto intervallo di giri.

Con parte frontale intendi il cilindro si unisce al basamento che alloggia bielle e albero?
Era un motore che che variava l'inclinazione dei cilindri rispetto alla verticale col terreno?
In questo modo riuscivano a ridurre il volume della camera di combustione?

Esatto: si apriva a soffietto.

[Mauro80]

http://www.rossoalfa.com/voca/m2.htm#12

ho fatto una ricerca, la tecnologia Saab si chiamava SVC

[Satviolence]

Ecco, proprio quello! Non mi ricordavo che fosse pure sovralimentato. E' praticamente il motore che soddisfa le richieste che avevi fatto all'inizio, a parte che per l'alimentazione a metano.
Dice che consumava fino al 30% in meno: non male, ma la complicazione tecnica è notevole. Non so se ne val la pena, anche perchè alla fine 30% in meno rispetto ai consumi di un motore a benzina significa avere i consumi di un motore Diesel...
Sarebbe interessante secondo me un motore Otto a metano/gpl/etanolo, con alto rapporto di compressione ma fisso, regolazione del carico mista con controllo su valvola a farfalla e dosatura combustibile.

[Mauro80]

Originariamente inviato da Satviolence

Ecco, proprio quello! Non mi ricordavo che fosse pure sovralimentato. E' praticamente il motore che soddisfa le richieste che avevi fatto all'inizio, a parte che per l'alimentazione a metano.
Dice che consumava fino al 30% in meno: non male, ma la complicazione tecnica è notevole. Non so se ne val la pena, anche perchè alla fine 30% in meno rispetto ai consumi di un motore a benzina significa avere i consumi di un motore Diesel...

Forse non l'hanno mai prodotto... ,io questa Saab non l'ho mai sentita

[ironmanu]

Originariamente inviato da Mauro80

Quelle sono auto modificate, motori progettati per funzionare a benzina, per cui non so quanto sia rischioso far lavorare un motore ad una pressione maggiore a quella per cui è stato progettato.
Sui consumi sai dirmi qualcosa?

Sarei interessato al rendimento del motore piuttosto che alle potenze

Il metano ha un potere calorifico inferiore di 44500Kj/Kg mentre la benzina di 48000 Kj/Kg per cui abdrebbero confrontati quanti Km si fanno con 1Kg di metano rispetto a 1,32 l di benzina (la densità della benza è 0,7)

edit