Combustione metano: obiettivo efficienza massima

Per rispettare le sempre più severe norme antinquinamento, molti motori per mezzi pesanti sono oggi convertiti da diesel a metano. Il gas naturale, rispetto al gasolio, abbatte le emissioni di particolato e riduce quelle di CO2. Rimane però il nodo “efficienza”: numerosi sono gli studi sulla combustione per ottenere rendimenti “da Diesel” anche con l’accensione comandata.

Ricerca di una fiamma veloce

Convertire un motore da diesel a metano è un’operazione semplice, soprattutto oggi che l’offerta di kit di conversione è abbastanza vasta. La combustione cambia però completamente, e diventa fondamentale velocizzarla. In un motore ad accensione comandata, infatti, più veloce è la fiamma e più alto è il rendimento. Questo nel settore dei mezzi pesanti è un problema: in primo luogo, consumare più carburante significa spendere di più; in secondo, occorre investigare processi di combustione innovativa, anche per ridurre l’emissione di agenti inquinanti. Se pensiamo per esempio ai camion, essi hanno una cilindrata di oltre 2 litri / cilindro; una citycar, 0,3 litri /cilindro. Il motore grosso quindi non solo limita il rapporto di compressione per non innescare detonazione, ma costringe la fiamma a percorrere un cammino più lungo, rallentando la combustione.

L’accensione spontanea

Facendo un veloce cenno tecnico, per sviluppare la fiamma serve un rapporto massa aria / combustibile costante. La combustione a basso carico e quella a pieno carico in un motore Otto tradizionale si assomigliano molto perché, appunto, non varia la concentrazione di aria o combustibile. L’accensione spontanea è completamente diversa: il carburante, ad alte temperature, reagisce autonomamente con l’ossigeno, indipendentemente dalla concentrazione. Più massa d’aria rispetto a quella del combustibile, più le temperature sono basse, e quindi meno perdite termiche; in presenza di un importante eccesso d’aria, è però impossibile formare la fiamma.

Il concetto di Mazda

Col motore a benzina Skyactiv-X, Mazda sfrutta al meglio l’autoaccensione della miscela. Grazie all’iniezione diretta, gli ingegneri della casa giapponese creano una differenza di concentrazione all’interno del cilindro: vicino alla candela, la carica è leggermente ricca di combustibile per poter generare una piccola fiamma; nel resto del volume, la carica è molto magra (alto eccesso d’aria). La fiamma non si propaga per tutto il cilindro: si forma piuttosto una “fireball”, che fornisce solamente l’energia di attivazione per la combustione spontanea della miscela restante. Due sono i principali vantaggi:

• La miscela magra si accende in più punti separati. Ogni fronte percorrerà quindi una distanza modesta, completando la combustione in poco tempo anche in cilindri grossi;
• Le temperature massime restano molto basse, evitando emissioni di NOx e massimizzando l’efficienza.

La combustione SACI

Applicare lo stesso concetto ai motori per camion a metano è spesso impossibile: essi sono quasi sempre ad iniezione indiretta, rendendo irrealizzabile creare quella differenza di concentrazione tanto importante per Mazda. Ma la cosiddetta “Spark Assisted Compression Ignition” (SACI) è ancora in fase di ricerca. Di seguito è mostrata una simulazione CFD di una combustione SACI. La fiamma, durante il suo sviluppo, aumenta le temperature del cilindro tanto che la miscela fresca reagisce autonomamente, completando la combustione in brevissimo tempo grazie a un secondo fronte. Questo tipo di accensione è tanto veloce quanto violento: serve un controllo molto preciso per non insorgere in detonazione.

Sviluppo della combustione Spark-assisted

Come riportato prima, la combustione spontanea rischia di essere estremamente violenta. In condizioni di miscela stechiometrica (tanto ossigeno quanto basta per completare la combustione), l’ ”esplosione” simulata è talmente importante da muovere il fluido nel cilindro a velocità elevate (100 m/s). Le turbolenze generate trasmettono il calore sprigionato alle pareti del cilindro, sottraendo energia al fluido di lavoro: in pratica, detonazione. Per risolvere questo nodo, due sono le possibili strategie:

• applicare 10-20% di eccesso d’aria per ammorbidire la combustione spontanea;
• modificare la forma del cilindro per ridurre le turbolenze nella parte esterna.

Per quanto riguarda l’eccesso d’aria, si tratta di trovare il giusto compromesso tra una fiamma veloce (eccesso d’aria nullo) e combustione spontanea più delicata (eccesso d’aria massimo). Considerando la geometria, occorre studiare diverse camere di combustione per sfruttare al meglio l’autoaccensione: lo scopo è quello di ridurre le turbolenze nella parte esterna del cilindro, pur sacrificando velocità di fiamma.

Combustione SACI e mappa motore

La combustione SACI non si può applicare a tutta la mappa motore, perché a pieno carico si avrebbero picchi di pressione tanto elevati da minacciare l’integrità strutturale dell’unità termica. Anche in fase di ricerca, la mappa motore viene spesso divisa in due:

• Da 0% a 50% di carico, combustione SACI con eccesso d’aria;
• Da 50% al 100% di carico, combustione stechiometrica con la sola fiamma.

Controllo e calibrazione del tempismo di accensione diventano fondamentali. Nel grafico sottostante sono riportate le efficienze termodinamiche tratte dallo stesso set di simulazioni CFD: in blu la combustione tradizionale, con il classico comportamento “a salire” di un motore ad accensione comandata; in giallo la SACI sotto ricerca. L’uso della combustione SACI permette non solo di aumentare l’efficienza termica di oltre il 2,5%, ma anche di “spostare” il punto di massima efficienza della mappa a metà carico, punto di funzionamento più ricorrente per un mezzo pesante.

Possibili sviluppi

In un settore in continuo cambiamento come l’automotive, prevedere quale tecnologia predominerà nel mercato a lungo termine è assai arduo. I modelli di combustione innovativa permettono in ogni caso di fare un passo in avanti verso la sostenibilità, soprattutto grazie all’adozione di combustibili innovativi come LNG e biometano.

Articolo a cura di Federico PESSAH