Studio dell'effetto della temperatura dell'aria aspirata sul co

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11649 (2023) Citare questo articolo

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Recentemente, l’ammoniaca (NH3), che ha una densità energetica maggiore dell’idrogeno, ha attirato l’attenzione per gli obiettivi di zero emissioni di carbonio nel settore dei trasporti. Tuttavia, in un motore a combustione interna convenzionale (ICE), il meccanismo di combustione dell’NH3 è ancora oggetto di studio. In questo articolo, per espandere ulteriormente le conoscenze sull'adozione di NH3 negli ICE, gli autori hanno condotto esperimenti di co-combustione NH3/benzina in un motore ad accensione comandata con accensione a scintilla modificato, con rapporto di compressione 17,7:1, con sottocamera. La sottocamera è stata scelta per aumentare la velocità di combustione dell'NH3. Inoltre, la sottocamera era dotata di candelette e candele per superare l'elevata temperatura di autoaccensione dell'NH3. Le prestazioni del motore e le emissioni di NOX sono state studiate a tre diverse temperature dell'aria aspirata. Durante gli esperimenti, il contenuto di NH3 è stato aumentato gradualmente quando il motore veniva fatto funzionare in condizioni di magra. Sebbene sia stato raggiunto un contenuto di NH3 più elevato rispetto al nostro lavoro precedente, l’aumento della temperatura dell’aria aspirata ha comportato una diminuzione dell’efficienza di carica. Inoltre, dopo 120 ore di funzionamento è stata riscontrata corrosione sulla fascia elastica del pistone, con effetti negativi sulle prestazioni del motore. Inoltre, la durata della co-combustione NH3/benzina è stata ridotta drasticamente grazie all'influenza della sottocamera, dove la durata di combustione più lunga nelle condizioni attuali è risultata essere di 17°CA.

In relazione alle recenti notizie sulla modifica da parte dell'Unione Europea del suo piano originale di eliminazione graduale dei motori a combustione interna (ICE), i carburanti non convenzionali (come ammoniaca (NH3), idrogeno (H2), carburanti sintetici (E-fuel) ecc.) sono guadagnando popolarità nella ricerca ICE. Ora sarà possibile vendere nuovi veicoli ICE in Europa utilizzando carburanti a zero emissioni di carbonio1. Tra questi, NH3 è un forte candidato per espandere ulteriormente il suo utilizzo in vari settori. Può essere utilizzato nello stoccaggio di energia grazie al suo elevato contenuto di idrogeno e anche nel settore dei trasporti come combustibile per la produzione di energia2,3. Come si può vedere dalla sua struttura, l'NH3 non contiene alcun atomo di carbonio, nel quale non vi sono emissioni di CO2, quindi considerato un combustibile privo di carbonio. Alcuni punti importanti che devono essere affrontati sono la tossicità e le emissioni di NOX a temperature elevate dovute all’atomo di azoto (N) disponibile. Tuttavia, il sistema convenzionale di riduzione catalitica selettiva (SCR) è in grado di ridurre sostanzialmente le emissioni di NOX se la temperatura di ingresso dell'SCR viene mantenuta a 200°C4.

La tabella 1 mostra varie proprietà selezionate dell'NH3 e il suo confronto con l'idrogeno e la benzina. Rispetto all’idrogeno, l’NH3 ha una densità di energia volumetrica maggiore, tuttavia, rispetto alla benzina, ha ancora circa il 30% in meno di densità di energia volumetrica. Inoltre, sono in corso numerosi studi sull'utilizzo di H2 e NH3 negli ICE. Kim et al. utilizzato il metodo di iniezione diretta di H2 con diverse modalità di formazione della miscela5. Inoltre, poiché l'NH3 ha una velocità di propagazione della fiamma inferiore, un approccio più comune è stato quello di utilizzarlo nei motori marini con velocità inferiori6. Per utilizzare l'NH3 nei veicoli passeggeri, dove è necessaria una velocità del motore più elevata, è necessario considerare le sue proprietà. Come mostrato nella Tabella 1, NH3 ha un elevato numero di ottani e un elevato calore latente di vaporizzazione, che ne consente l'utilizzo in un motore con un elevato rapporto di compressione (CR). In linea con questa conoscenza, Pochet et al. hanno condotto studi sulla combustione a doppia alimentazione ammoniaca-idrogeno in un motore con CR di 15:17, 16:18, 22:19 in modalità HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition). Lhuillier et al. hanno condotto esperimenti utilizzando miscele di NH3 e idrogeno in un motore ad accensione comandata (SI) con CR di 10.510. Hanno inoltre dimostrato che la fase della combustione è correlata alla velocità di combustione laminare (LBV) della miscela in condizioni di temporizzazione SI. In uno studio più recente, Mounaim-Rousselle et al. eseguito esperimenti su un ICE monocilindrico con accensione per compressione assistita da scintilla (CI) con CR compreso tra 14 e 17, funzionante con NH311 puro. Sono riusciti a ottenere una combustione stabile a bassi carichi e a varie velocità del motore, dimostrando che un CR elevato e il metodo di accensione a scintilla funzionano bene per l'NH3 come carburante.