Analisi sperimentale delle prestazioni e delle emissioni di un motore ad accensione spontanea alimentato con miscele gasolio/olio di girasole in diverse concentrazioni

Introduzione 
Università Di Pisa – Facoltà di Ingegneria 
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INTRODUZIONE 
 
 
 
Questo lavoro di tesi si prefigge di analizzare le prestazioni e le emissioni di un motore 
ad accensione per compressione alimentato con miscele di gasolio-olio di girasole in 
diverse percentuali.  
Inizialmente si è provveduto a rendere operativo un locale di nuova costruzione adibito 
a sala prova motori e destinato al rilievo sperimentale delle prestazioni e delle emissioni di 
motori a combustione interna. In particolare è stato realizzato un circuito di adduzione del 
combustibile tra motore e fuel balance e un impianto elettrico necessario al funzionamento 
degli strumenti presenti in sala prova. Inoltre è stata caratterizzata e installata una turbina 
atta alla misurazione della portata d’aria aspirata dal motore. 
Successivamente sono stati effettuati rilievi sperimentali su di un motore ad accensione 
per compressione di derivazione agricola alimentandolo inizialmente con gasolio puro e 
successivamente con miscele gasolio-olio di girasole in diverse percentuali (10, 20, 30, 40, 
50% olio). Per ogni concentrazione sono state analizzate le prestazioni (curve di coppia e 
potenza, consumo specifico) e le emissioni allo scarico (fumosità, particolato, ossidi di 
azoto, idrocarburi incombusti, monossido di carbonio). 
In seguito, è stata eseguita una comparazione dei risultati ottenuti per le varie miscele 
al fine di valutare gli effetti che le diverse concentrazioni di olio hanno sulle prestazioni e 
sulle emissioni del motore.  
Contemporaneamente, è stata condotta una ricerca bibliografica per valutare lo “stato 
dell’arte” sull’utilizzo di oli vegetali usati come combustibili nei motori a ciclo Diesel.
Capitolo 1 – Uso di oli vegetali come combustibili in motori Diesel 
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CAPITOLO 1 - USO DI OLI VEGETALI COME COMBUSTIBILI IN 
MOTORI DIESEL 
 
 
 
1.1 Introduzione 
Sono stati pubblicati molti studi sull’uso di olio vegetale nei motori diesel. I diversi 
autori sono unanimemente d’accordo circa il potenziale e i meriti di questo combustibile 
rinnovabile. Tipicamente, gli Straight Vegetable Oils (SVOs), ovvero gli oli vegetali puri, 
prodotti localmente su piccola scala, hanno dimostrato di essere facili da produrre e con un 
impatto ambientale molto basso. Comunque, per le loro caratteristiche chimico-fisiche 
diverse da quelle del gasolio, il loro uso nei motori diesel può causare nel tempo un certo 
numero di problemi tecnici. In bibliografia c’è un sostanziale disaccordo tra gli autori 
riguardo alle cause connesse a questi problemi e alle possibili soluzioni. Inoltre la 
letteratura tratta raramente problemi circa la qualità dell’olio vegetale. In questo capitolo si 
cerca di valutare lo stato dell’arte dell’uso di oli vegetali in motori diesel, basandosi su uno 
studio bibliografico. 
 
1.2 Oli vegetali usati come combustibile 
C’è un crescente interesse nei confronti dei biocombustibili usati come combustibile 
nei motori, sia nei paesi in fase di sviluppo che in quelli industrializzati. Ci sono molte 
ragioni per questo nuovo interesse, ma le principali sono: 
• il declino  delle risorse petrolifere e l’incremento del consumo energetico; 
• la ricerca di soluzioni per sostituire i prodotti derivati dal petrolio; 
• l’impegno mondiale per ridurre l’emissione di gas serra;
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• lo sviluppo di risorse locali: supporto alle compagnie e ai produttori su piccola 
scala. 
I motori diesel sono molto usati nei trasporti e per la produzione di elettricità. Questi 
settori sono consumatori pesanti di oli petroliferi che possono essere sostituiti parzialmente 
o totalmente da oli vegetali che derivano dall’agricoltura e sono perciò di origine 
rinnovabile.  
L’uso di oli vegetali come combustibile non è nuovo e risale alla fine del 
diciannovesimo secolo con l’invenzione del motore diesel. Nel 1900, all’Esposizione 
Internazione di Parigi, la compagnia Otto mostrò un piccolo motore che, su richiesta del 
governo francese, funzionava esclusivamente con olio di arachide. Il motore, che 
inizialmente era stato progettato per funzionare con gasolio, lavorava con olio vegetale 
senza alcuna modifica. 
Un rinnovato interesse nei riguardi di combustibili derivati da oli vegetali fu mostrato 
negli anni settanta con le due crisi petrolifere. Molti paesi lanciarono programmi di ricerca 
per ottimizzare l’uso di oli vegetali come combustibile. 
La tabella 1.1 mostra i principali oli vegetali e il contenuto di olio dei loro semi. 
 
 
Tab.1.1 – Oli vegetali usati come combustibile 
 
Gli oli vegetali hanno caratteristiche fisiche simili a quelle del gasolio (tabella 1.2) e 
perciò si comportano in modo simile. Essi sono anche biodegradabili, non tossici e, poichØ 
derivano dalle piante, riducono significativamente le emissioni di CO
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nell’atmosfera.
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Tab.1.2 – Caratteristiche fisiche degli SVOs 
 
Gli oli vegetali sono noti per le loro buone proprietà come combustibile (efficienza, 
emissioni, etc.) ma anche per un certo numero di problemi riscontrati nel loro uso. Alcuni 
problemi sono usualmente descritti in letteratura: intasamento dei filtri, depositi in camera 
di combustione, etc…, e sono proposte varie soluzioni. 
L’analisi delle pubblicazioni rileva differenze tra gli autori circa questi problemi e il 
modo di affrontarli. Inoltre molte pubblicazioni discutono opzioni separatamente, senza 
alcuna vera comparazione tra loro. 
Lo scopo di questo studio è esaminare l’uso come combustibile di oli vegetali prodotti 
su piccola scala, di solito per uso locale. Questi oli vegetali crudi, chiamati SVOs, sono 
semplicemente filtrati, a differenza di oli vegetali raffinati prodotti industrialmente.  
Gli SVOs offrono il vantaggio di essere producibili con semplici tecnologie, che 
possono essere considerate per applicazioni energetiche in piccoli villaggi o aree isolate. 
I due tipi di oli vegetali hanno la stessa composizione chimica, ma gli oli 
semplicemente filtrati contengono una minoranza di composti (fosfolipidi, cere, etc.), 
mentre quelli raffinati industrialmente ne contengono molti pochi o nessuno. 
Gli SVOs hanno una composizione chimica composta nella maggior parte dei casi da 
un 95% di trigliceridi e un 5% di acidi oleosi, steroli, cere e varie impurità. 
 
1.3 Influenza del tipo e della qualità degli SVOs (oli vegetali puri) usati 
come combustibile 
Allo scopo di certificare la qualità degli oli vegetali naturali e rendere possibile 
un’espansione di questo settore, è importante che siano sviluppate e applicate delle norme 
e degli standards. Gli standards europei proposti oggi sono basati su metodi dell’industria 
petrolifera. Le metodologie analitiche proposte derivano da standards pensati per 
complesse miscele petrolifere, dove gli oli sono composti da diverse famiglie di sostanze
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chimiche. Questo significa che le norme e gli standards europei proposti per l’uso di olio 
vegetale come combustibile non sono adatti per un uso su piccola scala, dove non sono 
disponibili nØ le attrezzature nØ le tecniche di analisi. 
La qualità dei combustibili derivati da oli vegetali puri dipende dalla natura e dalla 
qualità della biomassa dell’olio e dal trattamento cui è sottoposto, in particolare dal 
processo di spremitura. Eseguire correttamente questi processi è perciò un prerequisito 
essenziale per ottenere una buona qualità del combustibile. 
La produzione di olio vegetale dai semi ha luogo in tre fasi principali: 
• stoccaggio del seme oleifero dopo la raccolta; 
• spremitura del seme; 
• lavorazione dell’olio. 
Dipendendo dalla natura della biomassa dalla quale sono ottenuti e dalle condizioni di 
estrazione e di essiccamento, gli SVOs mostrano caratteristiche chimico-fisiche e proprietà 
di combustione altamente variabili. 
 
1.3.1 Caratteristiche chimiche degli SVOs 
1.3.1.1 Natura degli acidi grassi 
La natura degli acidi grassi e dei loro contenuti negli oli vegetali dipende dal tipo di 
olio usato e influenza fortemente le loro capacità di bruciare correttamente in un motore (in 
questo caso, gli SVOs non sono differenti dagli oli industriali). 
Il valore di ioduro indica il grado di insaturazione dell’olio (numero di legami doppi e 
tripli). Corrisponde al numero di grammi di ioduro assorbiti da 100 g di olio. Piø è alto il 
valore di ioduro maggiore è il grado di insaturazione. Un basso valore di ioduro (olio 
saturo) è favorevole a una buona combustione. Tuttavia, se il valore di ioduro è troppo 
basso, ciò può portare a caratteristiche non adatte ad un uso come combustibile. 
Gli SVOs possono essere classificati in quattro gruppi, a seconda del loro valore di ioduro: 
• saturated oils: il valore di ioduro è compreso tra 5 e 50; 
• mono-unsaturated oils: il valore di ioduro è compreso tra 50 e100; 
• di-unsaturated oils: il valore di ioduro è compreso tra 100 e 150; 
• tri-unsaturated oils: il valore di ioduro è oltre 150. 
Generalmente, da un punto di vista “qualitativo”, l’olio saturo offre una migliore 
combustione (breve tempo di evaporazione, breve ritardo di accensione, pochi depositi) 
rispetto agli oli insaturi. La qualità della combustione diminuisce con l’insaturazione.
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Inoltre, la natura degli acidi grassi determina negli SVOs la loro tendenza alla 
polimerizzazione. Questo fenomeno, che avviene di solito con oli insaturi, può ostruire gli 
iniettori. 
Gli oli saturi hanno maggiore viscosità ad alte temperature rispetto  a quelli insaturi. 
L’esistenza di un doppio legame in un acido grasso insaturo lo rende piø fluido rispetto al 
corrispondente acido saturo e abbassa la sua temperatura di liquefazione. 
 
1.3.1.2 Contenuto di fosfolipide 
I fosfolipidi sono costituenti indesiderati che provengono dalle membrane cellulose dei 
semi e delle bucce. La loro concentrazione negli SVOs dipende dalle tecniche di 
pressaggio e filtraggio. Il contenuto di fosforo indica la presenza di fosfolipidi. Questo 
parametro è molto importante se si considera un “fuel use”. Infatti, i fosfolipidi sono 
responsabili dell’imbrattamento delle valvole, della camera di combustione e dei cilindri 
quando sono usati oli vegetali puri (gumming phenomenon).  
 
1.3.1.3 Contenuto di cera 
Le cere provengono dai gusci di alcuni semi o dalle bucce di alcuni frutti. Il contenuto 
di cera può variare a seconda dell’origine del seme e della temperatura di estrazione 
dell’olio. Sono solubili quando riscaldate, ma a freddo possono essere filtrate. Non 
provocano alcun problema di combustione, ma a freddo sono problematiche per i 
componenti periferici: il circuito di alimentazione, la pompa e il filtro. 
 
1.3.1.4 Valore del perossido.  
Questo valore è usato per assegnare il livello di ossidazione di un olio e perciò il suo 
grado di stabilità. Piø un olio è insaturo, piø è soggetto all’ossidazione. L’ossidazione è un 
fenomeno basilare in alcuni oli e grassi industriali. L’alterazione chimica di grassi od oli 
insaturi attraverso l’ossigeno nell’aria comincia con la formazione di un perossido e 
procede con la formazione di prodotti di scissione.  
 
1.3.2 Caratteristiche fisiche 
1.3.2.1 Viscosità cinematica 
La viscosità degli SVOs è maggiore di quella dell’olio diesel, aumenta con 
l’insaturazione e diminuisce con la temperatura. Alla temperatura ambiente, gli SVOs usati
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comunemente hanno una viscosità 10-15 volte maggiore di quella dell’olio diesel. La 
viscosità influenza il funzionamento del motore diesel, specialmente attraverso una 
riduzione della massima portata di iniezione, causata dalla maggiore caduta di pressione 
nella pompa di iniezione, negli iniettori e nei filtri, e a causa di una povera atomizzazione 
ed evaporazione, da cui deriva una combustione incompleta. I problemi di lubrificazione si 
verificano spesso a bassa temperatura in alcune pompe di iniezione, generando notevoli 
perdite meccaniche. Questa alta viscosità degli oli vegetali deriva dalla loro alta massa 
molecolare (600-900 g/mol). Riscaldare l’olio prima di avviare il motore può essere una 
soluzione. Un’altra soluzione consiste nel miscelare l’olio con il gasolio o avviare il 
motore con gasolio puro prima di passare all’olio vegetale (doppia alimentazione). 
 
1.3.2.2 Valore calorifico netto (NCV) 
Questo determina il consumo di combustibile e la quantità di calore rilasciato, oltre 
alle prestazioni del motore. L’NCV degli oli vegetali è minore di quello del gasolio (10-
15%). Insieme alla densità, l’NCV è usato per determinare la portata volumetrica degli oli 
vegetali comparata a quella del gasolio tale da iniettare  stessa energia. Le conseguenze del 
basso valore dell’NCV degli SVOs rispetto a quello del gasolio sono un consumo extra 
attorno all’8%, un calo della potenza del motore e una riduzione dell’efficienza termica. 
 
1.3.2.3 Numero di cetano 
Questo caratterizza il tempo tra l’iniezione e la combustione in un motore diesel. Piø è 
alto, piø il combustibile è infiammabile. I numeri di cetano ottenuti per la maggior parte 
degli oli vegetali sono compresi tra 29 e 43, mentre per il gasolio variano tra 45 e 55. La 
conseguenza del numero di cetano piø basso degli oli vegetali rispetto al gasolio è una 
difficoltà di accensione quando il motore è freddo e un incremento del rumore 
(combustione piø brutale a causa di un maggiore ritardo di accensione).  
 
1.3.2.4 Densità 
La densità dell’SVO è piø alta del 10%  rispetto a quella del gasolio. Questo non è un 
problema, ma deve essere preso in considerazione se, per esempio, si vuole modificare la 
portata di combustibile.
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1.3.2.5 Flash point 
E’ la temperatura minima alla quale i vapori di una sostanza, sotto condizioni standard, 
si incendiano quando esposti a una fiamma. Questo è nettamente maggiore per gli SVOs 
rispetto al gasolio (+100ºC) e il suo valore non ha particolare influenza diretta 
sull’efficienza di combustione o sulle prestazioni del motore; è piø un parametro di 
sicurezza per lo stoccaggio. Le precauzioni usuali per il deposito dei prodotti petroliferi 
perciò vanno oltre a quelle necessarie per gli SVOs. 
In tab.1.3 sono mostrate le proprietà del gasolio e di alcuni oli vegetali. Gli oli vegetali 
hanno contenuto di calore, numero di cetano, calore di vaporizzazione e rapporto 
stechiometrico aria/combustibile comparabile al gasolio: 
 
Tab.1.3 – Caratteristiche fisiche e chimiche di alcuni oli vegetali usati come combustibile 
 
E’ importante osservare che le proprietà fisiche degli oli vegetali variano con la 
temperatura. Per esempio,una volta riscaldato, l’olio di colza diventa molto simile al 
gasolio in termini di proprietà fisiche  (come mostrato in tabella 1.4). 
 
Tab.1.4 – Proprietà del gasolio e dell’olio di colza non riscaldato (temperatura ambiente) 
e riscaldato (70°C) 
1.3.3 Impatto dei parametri produttivi sulla qualità dell’SVO 
Come mostrato in fig. 1.1, gli SVOs sono ottenuti seguendo un certo numero di 
operazioni di lavorazione sulla biomassa oleifera. Tali operazioni richiedono un semplice 
impianto, che consiste in una pressa, filtri e/o serbatoi di decantazione, e serbatoi di 
stoccaggio. Tutte le impurità devono essere rimosse dal materiale crudo (biomassa), che 
deve essere essiccato prima del pressaggio. Una volta pressato, l’olio deve essere
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sottoposto a una delle due operazioni seguenti: decantare in serbatoi successivi, o filtrare 
direttamente attraverso un filtro.  
 
 
Fig.1.1 – Processo tecnico per la produzione dell’SVO 
 
1.3.4 Pressaggio 
Gli oli vegetali puri sono ottenuti attraverso un semplice pressaggio a freddo di semi e 
frutti. La qualità e la quantità dipendono specialmente dal tipo di pressa, dal tipo di seme, 
dal contenuto di umidità, dal calore e dalla pulitura del seme. Le condizioni di pressaggio 
sono molto importanti per la qualità dell’olio ottenuto. Un’alta umidità e una temperatura 
del seme inferiore a quella dell’aria ambiente può causare condensa, da cui deriva acqua 
nell’olio. Preriscaldare i semi a 20°C aiuta a migliorare la condizione di estrazione. Anche 
la velocità di pressaggio e la temperatura sono parametri importanti che influiscono 
direttamente sulla qualità dell’olio: la temperatura di pressaggio influenza il contenuto di 
fosfolipide e la velocità influenza la quantità dell’olio estratto (un’alta velocità riduce la 
qualità). Si raccomanda di non superare una temperatura di 80°C all’interno della pressa. Il 
contenuto di fosfolipide aumenta in proporzione con la temperatura di estrazione, ciò 
giustifica un pressaggio a freddo. Inoltre è preferibile un pressaggio continuo per ottenere 
un olio uniforme.
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1.3.5 Filtraggio 
Il filtraggio rimuove tutte le impurità dall’olio (particelle pesanti, metalli, fosfolipidi), 
per una migliore qualità del combustibile. Il filtraggio dell’olio è una fase necessaria  e 
importante per usare gli oli vegetali in un motore. Per ottenere una buona qualità, sono 
raccomandate due tecniche: 
• decantazione dell’olio: consiste nel far riposare l’olio per alcuni giorni o anche 
settimane in appositi serbatoi in modo che le impurità piø pesanti cadano per forza 
di gravità sul fondo. La decantazione dovrebbe essere ripetuta in serbatoi successivi 
per massimizzare l’efficienza. E’ il modo piø economico per purificare l’olio, però 
il processo richiede molto spazio e tempo. Mediante la decantazione l’olio 
raggiunge a stento la qualità richiesta per essere usato come combustibile. Dopo 
tale fase è perciò raccomandato un filtraggio; 
• filtraggio diretto: consiste nel filtrare l’olio che lascia la pressa attraverso un filtro. 
Non è facile avere una bassa temperatura durante il filtraggio diretto a causa 
dell’elevata viscosità degli SVOs. Se la temperatura dell’olio filtrato è troppo alta, 
particelle indesiderate, come per esempio le cere, possono passare attraverso il 
filtro. Il filtraggio perciò deve essere fatto tra i 20 e i 60°C. Oltre i 60°C c’è anche 
un rischio di ossidazione dell’olio, che ne riduce la vita stessa. Inoltre, quando 
l’olio è filtrato direttamente dopo il pressaggio, la temperatura di uscita dell’olio 
rende piø facile il filtraggio. Infatti, a causa degli attriti interni la pressa riscalda 
l’olio alla giusta temperatura di filtraggio (circa 60°C). Per evitare contaminazioni e 
impurità nell’olio, il filtraggio dovrebbe essere di 10μm. 
 
1.3.6 Stoccaggio dell’olio 
Per garantire un corretto stoccaggio dell’olio devono essere presi in considerazione i 
seguenti parametri: 
• l’olio deve essere il piø possibile pulito; 
• l’aria di stoccaggio deve essere fresca; 
• le variazioni di temperatura devono essere evitate poichØ causano condensa; 
• l’olio deve essere tenuto al buio, evitando il contatto diretto con la luce che causa 
l’ossidazione e l’acidità dell’olio. 
Condizioni inappropriate di stoccaggio per lunghi periodi causano l’ossidazione 
dell’olio, da cui un’alta viscosità e problemi di filtraggio nel motore.
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1.3.7 Olio vegetale standard e standardizzazione per un uso come combustibile 
Il forte sviluppo del settore dell’SVO a livello mondiale richiede una norma sulla 
qualità. Oggi esiste una norma di origine tedesca per l’SVO usato come combustibile: la 
DIN 51 605 (vedi tabella 1.5). Questa norma si applica principalmente all’olio di colza. 
 
 
Tab.1.5 – Pre-norma DIN 51 605 
 
Questo standard è troppo severo e include strumenti difficilmente reperibili in zone 
agricole, specialmente nei paesi in fase di sviluppo. E’ anche basato su metodi analitici 
usati nel settore petrolifero, che richiedono molte risorse e conoscenze tecniche. 
Non tutti i parametri proposti dalla norma devono essere sistematicamente analizzati 
durante la produzione dell’SVO, poichØ molti di essi soddisfano gli standards per la loro 
stessa natura. L’SVO deve essere analizzato usando almeno i fattori elencati nella seguente 
tabella 1.6: 
 
Tab.1.6 – Parametri degli SVOs che devono essere analizzati se usati come combustibile
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La produzione di SVOs come combustibile può essere effettuata con strumenti 
industriali esistenti nel settore alimentare. Le qualità richieste sono meno restrittive e piø 
economiche di quelle per il settore alimentare e riguardano principalmente il pressaggio, il 
filtraggio e lo stoccaggio. 
 
1.4 Miscele SVO/Gasolio 
Uno dei principali problemi che ostacola l’uso degli oli vegetali nei motori diesel è 
l’alta viscosità, che complica il pompaggio del combustibile, il filtraggio e specialmente 
l’atomizzazione del combustibile iniettato. La viscosità degli SVOs non è l’unica causa di 
problemi. Una volta superata, ne restano altri, ma di minore entità. Gli studi intrapresi e 
pubblicati circa la comprensione e la soluzione di questi problemi sono molteplici. 
L’alta viscosità degli SVOs rispetto al gasolio è la principale causa dei problemi 
riscontrati nei motori. Essa causa una scarsa atomizzazione del combustibile, una 
combustione incompleta, depositi in camera di combustione e un mescolamento dell’SVO 
con l’olio lubrificante. Ci sono molti modi per ridurre la viscosità dell’SVO, e la 
miscelazione con il gasolio è uno di essi.  
 
1.4.1 Proprietà fisiche della miscela 
La tabella 1.7 mostra un esempio di caratteristiche fisiche di una miscela di olio 
vegetale e gasolio in diverse concentrazioni. In generale, la viscosità e la densità 
diminuiscono al diminuire dell’olio vegetale nella miscela SVO/gasolio. L’NCV 
diminuisce con l’aumentare dell’olio vegetale nella miscela. 
 
Tab.1.7 – Caratteristiche fisiche di una miscela di olio vegetale e gasolio in diverse 
concentrazioni