Influenza della strategia di iniezione e del tasso di EGR sulle prestazioni e le emissioni di un motore Diesel Common Rail

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INTRODUZIONE 
 
La richiesta globale di un‟ottimizzazione dei motori a combustione interna, 
in termini di potenza, affidabilità, rumorosità e consumo di combustile è in 
continua crescita. Sempre più stringenti sono, al tempo stesso, le normative di 
contenimento delle emissioni nocive e dei consumi energetici. L‟esigenza di 
conciliare questi due aspetti ha alimentato la ricerca in ambito motoristico nel 
trovare soluzioni atte a migliorare le prestazioni e minimizzare la formazione 
degli inquinanti, pur mantenendo un costo competitivo.  
Particolare attenzione va rivolta ai motori Diesel, non solo per l‟enorme 
sviluppo nel campo dell‟autotrazione conseguito negli ultimi decenni, 
strettamente legato a fattori quali guidabilità, economicità, consumo specifico, 
nonché flessibilità circa l‟utilizzo di combustibili, ma anche perché sempre 
maggiori sono gli studi effettuati, le tecnologie disponibili e le conoscenze che 
permettono a questo tipo di motore di rispondere in maniera innovativa alle 
richieste del mercato e contemporaneamente di adeguarsi alle future norme  
anti-inquinamento. Le ultime stime, condotte sull‟andamento del mercato 
automobilistico europeo, hanno evidenziato che le motorizzazioni Diesel, per anni 
relegate al ruolo di comprimarie rispetto alle unità ad accensione comandata, 
hanno ormai raggiunto un ruolo di rispetto nel mercato soddisfacendo in pieno i 
desideri dei clienti. Questa crescita si deve principalmente all‟introduzione, verso 
la metà degli anni ‟90, della tecnologia Common Rail ed all‟estensione della 
sovralimentazione su tutte le motorizzazioni.  
La principale sfida tecnologica del motore Diesel è oggi rappresentata dal 
rispetto dei limiti alle emissioni di sostanze inquinanti. Nei paesi della Comunità 
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Europea è in vigore dal primo gennaio del 2008 la normativa EURO V, relativa 
alle limitazioni sulle emissioni di agenti inquinanti allo scarico di veicoli stradali 
ed in particolare di quelli leggeri (peso inferiore alle 3.5t), destinati al trasporto di 
persone (passenger cars). Tale normativa ha stabilito, rispetto alle precedenti, una 
drastica diminuzione delle concentrazioni di fumosità ammesse (0,005 g/km) e 
una leggera riduzione delle emissioni consentite NOx (0.20 g/km).  
La problematica che oggi viene affrontata è quella, nel rispetto delle norme 
antinquinamento, di continuare a garantire al motore Diesel bassi consumi ed 
eccellente fun-to-drive, il tutto con il minor costo addizionale possibile; in tale 
ambito, se da una parte una possibile soluzione è rappresentata 
dall‟accoppiamento dei sistemi di combustione tradizionali con sistemi di  
post-trattamento dei gas esausti sempre più efficienti, dall‟altra l‟interesse va 
concentrandosi sullo sviluppo di nuovi sistemi di combustione in grado di ridurre, 
già durante la fase di combustione stessa, le emissioni di ossidi di azoto e di 
particolato senza far ricorso, quindi, a complessi sistemi di trattamento dei gas di 
scarico. In ogni caso, è senza alcun dubbio di fondamentale importanza il 
proseguimento della ricerca, di carattere sia numerico che sperimentale, e 
l‟approfondimento delle conoscenze sui motori Diesel e sui numerosi parametri 
che ne influenzano le prestazioni e le emissioni. 
Uno strumento di grande aiuto nello studio dei fenomeni che avvengono 
all‟interno della camera di combustione è la fluidodinamica computazionale 
(CFD), che consente l‟analisi del complesso dei processi termofluidodinamici e 
chimici interni al motore mediante l‟uso di simulatori multidimensionali. Pur non 
presentando quel grado di accuratezza che soltanto indagini sperimentali possono 
assicurare, a causa delle inevitabili approssimazioni introdotte nella realizzazione 
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dei modelli per la simulazione dei numerosi fenomeni che avvengono durante il 
funzionamento del motore, la CFD consente di ottenere risultati realistici da cui 
trarre importanti considerazioni sia qualitative che quantitative. Essa facilita 
inoltre la pianificazione dell‟attività sperimentale stessa, fornendo indicazioni 
circa le strategie progettuali da seguire per raggiungere un determinato obiettivo, 
limitando il numero di prove sperimentali e incrementandone al contempo le 
probabilità di successo. Risulta ormai difficile prescindere da tale strumento per 
qualsiasi attività di ricerca e sperimentazione finalizzata a un‟ottimizzazione dei 
parametri motoristici. 
Nel presente lavoro si intende indagare sull‟influenza della legge di 
iniezione e del tasso di EGR (Exhaust Gas Recirculation) sulle prestazioni e sulle 
emissioni allo scarico di un motore Diesel BMW da 3000 cm3 di cilindrata, 
equipaggiato con un sistema di iniezione Common Rail, attraverso un‟indagine 
numerica eseguita mediante il codice di calcolo Kiva-3V. Entrambi i parametri 
sono stati opportunamente variati sulla base dei risultati ottenuti da analoghi studi 
precedenti svolti sul medesimo motore, presso il centro di calcolo del DIME 
(Dipartimento di Ingegneria Meccanica per l‟Energetica). In particolare, per 
quanto riguarda la legge di iniezione, si è operato principalmente su fattori quali la 
tipologia di getto (iniezione singola o doppia), l‟angolo di anticipo e la durata, 
mantenendone costanti altri, come ad esempio la quantità di combustibile iniettata 
per ciclo; ogni indagine è stata eseguita per due valori del tasso di EGR, del 44% 
e del 35%, rispettivamente. 
Lo scopo è quello di inserirsi in un contesto più ampio e complesso di 
ricerca e analisi sulle moderne tecniche finalizzate all‟abbattimento delle 
emissioni allo scarico dei motori Diesel (in particolare, NOx e PM), secondo i 
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limiti imposti dalle norme attuali e future (EURO VI), pur garantendo livelli 
accettabili, se non auspicabili miglioramenti, dell‟efficienza e, dunque, del 
consumo specifico di combustibile. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CAPITOLO I 
 
INIEZIONE E COMBUSTIONE  
NEI MOTORI DIESEL 
 
 
1.1    Introduzione 
Il motore a combustione interna riveste un ruolo fondamentale nella 
società moderna in virtù degli elevati rendimenti raggiunti e della vasta gamma di 
potenze offerta, caratteristiche grazie a cui si presta bene ad essere utilizzato nei 
più svariati settori e attività, dalla produzione di energia elettrica all‟autotrazione. 
In quest‟ultimo campo, in particolare, esso regna ormai incontrastato, 
equipaggiando la quasi totalità degli autoveicoli del mondo. 
Fino a qualche decennio fa il motore più diffuso era quello ad accensione 
comandata, più semplice, leggero e relativamente più pulito, soprattutto se 
equipaggiato con la TWC (Three Way Catalyst), che permette un efficiente 
trattamento dei gas di scarico. D‟altra parte il motore Diesel presenta svantaggi 
legati a un rapporto peso/potenza notevolmente più elevato, oltre a maggiori 
emissioni di inquinanti e rumorosità, che ne hanno sempre frenato la diffusione in 
campo automotivo, avvenuta soltanto agli inizi degli anni ‟70, e limitato 
l‟applicazione essenzialmente a veicoli da lavoro o per il trasporto pesante.  
A causa dei più elevati rapporti di compressione necessari alla 
autoaccensione del combustibile, infatti, gli organi del motore Diesel vanno 
dimensionati per resistere a maggiori valori di pressione (circa doppie) rispetto ai 
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motori Otto, risultando quindi, a parità di materiale, più pesanti. Inoltre la 
ruvidezza della combustione provoca vibrazioni nella struttura del motore e la 
maggiore lentezza con cui essa avviene, unita alle grandi forze d‟inerzia in gioco, 
comporta regimi di rotazione inferiori e quindi potenze specifiche per unità di 
cilindrata più basse, rispetto a un motore Otto di caratteristiche equivalenti. Ne 
consegue un maggior ingombro a parità di potenza e una maggiore rumorosità. 
Per contro, il motore Diesel è caratterizzato da rendimenti più elevati, 
perché più elevati sono i rapporti di compressione che è possibile realizzare, senza 
pericolo di fenomeni anomali di combustione, e da un migliore adattamento in 
condizioni di carico parziale, grazie al particolare sistema di regolazione della 
potenza. Ciò comporta minori consumi specifici di combustibile e a una 
conseguente gestione più economica del motore, anche legata all‟utilizzo di 
combustibili meno pregiati da un punto di vista energetico. Questi numerosi 
vantaggi sono emersi però relativamente tardi, a causa di diverse problematiche 
tecnico-costruttive cui si è dovuto far fronte; basti pensare che l‟applicazione del 
sistema ad iniezione diretta nelle autovetture è stata realizzata soltanto a partire 
dagli anni ‟80, fino ai quali il motore a gasolio, tranne che sugli autocarri, è stato 
esclusivamente a precamera.  
Negli ultimi anni, tuttavia, si è assistito a una notevole riscoperta del 
motore Diesel, dovuta soprattutto alle nuove tecnologie disponibili ed ai numerosi 
studi sui fenomeni della combustione e degli spray, grazie ai quali si sono ridotti, 
almeno in parte, gli svantaggi storici connessi a questo tipo di propulsore, 
permettendogli di raggiungere prestazioni paragonabili ai più moderni motori a 
benzina, con il vantaggio di un risparmio di combustibile fino al 30%.  
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In un mercato fortemente influenzato dall‟aumento del prezzo del petrolio 
e dei suoi derivati, inoltre, la flessibilità circa l‟utilizzo di combustibili offerta da 
questi motori rappresenta senza dubbio un grande incentivo, specialmente in 
prospettiva futura, anche in virtù delle recenti ricerche riguardanti la possibilità di 
utilizzare gasoli di sintesi e biocarburanti. In effetti, le case automobilistiche, in 
un‟ottica di competizione a livello mondiale, stanno incrementando i propri 
investimenti nella ricerca e sviluppo di prodotti innovativi, in grado di soddisfare 
le esigenze del mercato e al tempo stesso di venire incontro alle sempre più 
stringenti limitazioni imposte dai vari Paesi riguardo le emissioni di specie 
inquinanti. 
Se da un lato questo obiettivo può essere perseguito attraverso 
l‟accoppiamento dei motori tradizionali con sistemi di post-trattamento più 
efficienti, come filtri, trappole e catalizzatori DeNOx, dall‟altro l‟interesse va 
concentrandosi sullo sviluppo di nuovi sistemi di iniezione e di combustione che 
permettano di ridurre le emissioni già all‟interno del cilindro, con evidenti 
vantaggi economici e di ingombro. 
L‟avvento del sistema d‟iniezione Common Rail ha permesso ad esempio 
di ridurre significativamente le emissioni sia di particolato che di ossidi di azoto, 
migliorando inoltre le prestazioni complessive dei motori e riducendo il consumo 
specifico. Ciò è stato possibile grazie alla possibilità di realizzare più iniezioni per 
ciclo, adottando la legge di iniezione ottimale in funzione delle condizioni di 
carico e della velocità del motore. 
Sono ormai diffusi inoltre i filtri antiparticolato ad elevata efficienza; 
l‟unico problema connesso all‟utilizzo di questa tecnologia è la capacità di gestire 
correttamente il processo di rigenerazione del filtro. Per l‟abbattimento degli NOx 
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i metodi attualmente utilizzati, invece, si basano sull‟impiego di marmitte 
catalitiche tradizionali o sistemi SCR (Selective Catalytic Reduction). Questi 
sistemi necessitano però di elevate temperature per funzionare correttamente, 
mentre le loro prestazioni si riducono drasticamente quando, come nel caso di 
combustione premiscelata o di miscele molto povere, le temperature allo scarico 
sono abbastanza ridotte. 
Per quanto riguarda le nuove applicazioni inerenti il processo di 
combustione, la ricerca è orientata principalmente verso le modalità HCCI 
(Homogeneous Charge Compression Ignition) e PCCI (Premixed Charge 
Compression Ignition). Nel primo caso, l‟autoignizione di una miscela quasi 
completamente omogenea avviene in maniera controllata contemporaneamente in 
tutta la camera di combustione, consentendo di limitare fortemente la formazione 
di NOx e particolato. Nel secondo, avviene una parziale premiscelazione del 
combustibile con l‟aria e il controllo della temperatura di fiamma si realizza per 
mezzo della diluizione della carica nel cilindro con gas esausti. A differenza 
dell‟HCCI, la carica non è omogenea, ma la riduzione di particolato e ossidi di 
azoto avviene grazie ad una tipica combustione Diesel premiscelata, durante la 
quale l‟elevata quantità di inerti presenti nel cilindro permette un netto 
abbassamento delle temperature di combustione. 
L‟impiego di tali sistemi, nonostante i notevoli vantaggi che essi 
comportano, è tuttavia ancora fortemente limitato dalla scarsa applicabilità ai 
bassi carichi, dalla variabilità ciclica da cilindro a cilindro e dagli elevati valori 
dei consumi specifici di combustibile e dell‟emissione di prodotti incombusti. 
Numerosi sforzi si stanno compiendo ultimamente nel tentativo di perfezionare