Sulla determinazione dell'angolo ottimale di accensione per motori alimentati a gas di sintesi a basso potere calorifico

Lo scopo dell’attività sperimentale svolta è stato quello di raccogliere tutte le informazioni possibili sul comportamento del syngas nei motori a combustione interna, per realizzare un modello CFD in grado di simulare il comportamento della carica nella camera di combustione del motore in esame, al variare delle condizioni operative.
Questa strada permette di monitorare in tempo reale l’andamento della combustione del pirogas, o del metano, nella camera di combustione a partire dalle condizioni iniziali scelte, fornendo in uscita istante per istante informazioni sugli andamenti della pressione, della temperatura, della quantità di ossigeno bruciata, della quantità dei reagenti bruciati e delle quantità dei prodotti formati.
L’importanza di ciò sta nel fatto che in questo modo si può vedere come si comporta il motore quando è alimentato a metano, e confrontare i risultati con l’andamento del motore quando viene alimentato con pirogas con composizione scelta. In questo modo si ottiene un modello in grado di sovrapporre gli effetti dei singoli composti del gas di pirolisi e delle diverse condizioni al contorno operative del motore; dall’analisi di questo modello, si possono dunque sperimentare tutte le ipotetiche condizioni in cui si potrebbe trovare ad operare il motore.
L’opportunità che offre un sistema in grado di fare una previsione sul comportamento degli MCI a partire dalle condizioni operative sta nel fatto che si potrebbe utilizzare un simulatore come gestore del motore, risalendo alla composizione del gas in produzione in quell’istante, ed operare sul motore affinché si creino le condizioni ideali di combustione.
Per chiarire meglio il concetto, si può prendere come esempio la gestione dei motori che si ha nel mondo dell’automotive. Un motore di una vettura ha un sistema chiamato ECU (engine control unit), che è un dispositivo per la gestione elettronica-digitale della formazione della miscela e della sua combustione; nei motori ad accensione comandata infatti, la miscela deve essere accesa attraverso una scintilla scoccata dalla candela.
L'engine control unit ha il compito di impartire questo comando scegliendo la migliore tempistica per avere sempre una combustione ottimale, quindi avere una combustione completa della miscela massimizzando il rendimento e ridurre la quantità di gas nocivi.
Per fare questo necessita però di numerosi input, forniti dai numerosi sensori di cui è dotato un propulsore automobilistico come ad esempio:
· Temperatura motore;
· Velocità veicolo;
· Pressione atmosferica;
· Fase, controlla la fasatura della distribuzione e del pistone;
· Pressione aria nei condotti d'aspirazione;
· Temperatura aria aspirata;
· Regime di rotazione del motore;
· Presenza incombusti e ossigeno nei fumi di scarico;
· Posizione pedale dell’acceleratore;
· Carico;
Come è possibile notare, le ECU automobilistiche, per massimizzare le prestazioni del motore hanno bisogno di parametri che descrivono le condizioni ambientali e la condizioni operative in cui si trova la vettura istante per istante.
Una ECU è quindi costituita da un programma, studiato ad hoc per il motore che controlla, che ha in se un sistema di funzioni realizzate dall’interpolazione dei risultati ottenuti da centinaia di test eseguiti al banco prova in cui si varia un parametro alla volta in funzione di ogni condizione di lavoro del motore.
Tutto ciò è frutto di decenni di esperienza di decine di professionisti di altrettante case automobilistiche e nonostante ciò, si continuano a migliorare le performances del motore. L’avvento dei computer ha sicuramente decretato una svolta, proprio per la grande potenza di calcolo in gioco e quindi per la possibilità di simulare con processi iterativi il comportamento del motore nelle più svariate condizioni di lavoro possibili.
L’attività svolta in questa tesi ha dunque come scopo quello di riuscire a creare un modello che simuli il comportamento del motore per offrire una base su cui costruire un sistema di gestione dello stesso quando è alimentato con gas di pirolisi.
La grande differenza che si ha nello studio svolto rispetto a modelli utilizzati per creare le ECU sta nel fatto che la maggior parte delle condizioni operative ed ambientali per un motore destinato alla produzione di energia elettrica sono costanti, mentre variano le caratteristiche chimico-fisiche del combustibile.
Questa è una situazione nuova nel mondo della gestione dei motori, in quanto l’uso dei combustibili tradizionali ha trascurato il problema della variabilità temporale del combustibile, inserendo una costante molto semplificativa. Per massimizzare le prestazioni del generatore, si dovrebbe avere quindi un’unità di controllo del motore che come accade nel mondo automotive, parta dagli input operativi e riesca ad impartire la migliore tempistica di accensione per ottenere la migliore combustione possibile nel cilindro.