Motorismo, Motorsport e Meccatronica

13 novembre 2014

Che cos’è il Rocker Boss?

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili | Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Dall’inglese all’italiano, passando per il motorismo
Risponendo a: Laura C.

Laura C. scrive: Egregio Raffaele Berardi, sono una traduttrice, lavoro per alcune società di doppiaggio. Mi permetto di contattarLa per chiedere un’informazione relativa al mio lavoro. Sto infatti traducendo un episodio di una serie televisiva canadese ambientata in una piccola compagnia aerea, e vorrei conoscere il Suo parere su una battuta forse banalissima ma che per me, non esperta di motori, può essere difficile tradurre correttamente.

Il meccanico della compagnia, per dire a una persona che è un’incompetente in fatto di motori di aereo, le dice: “You don’t know a poppet valve from a rocker boss!”. Cioè: Tu non sai distinguere una valvola a fungo da…”. Cosa? Credo che il rocker sia il bilanciere, ma quale parte del bilanciere può essere definita “boss”, e potrebbe essere confusa con una valvola a fungo?

Spero Lei possa essermi d’aiuto. Grazie.

Gentile Laura, La ringrazio per avermi contattato, mi fa ovviamente piacere. Gli organi indicati nel dialogo in realtà non si assomigliano ma si trovano semplicemente allocati in posizioni una prossima all’altra. Ad ogni modo la risposta alla sua domanda è:

Poppet valve, ovvero, come già mi ha scritto, valvola a fungo. Nel gergo motoristico la chiamiamo semplicemente valvola (avrà sentito dire ad esempio delle vetture stradali “La tale vettura è dotata di motore 16 valvole”, difficilmente sentirà dire “La tale vettura è dotata di motore 16 valvole a fungo”. Vengono chiamate “valvole a fungo” quando sono comparate a dispositivi meccanici alternativi che svolgono la stessa funzione basandosi però su altri principi; ad esempio “le valvole a fungo (poppet valve) lavorano con moto rettilineo alternato mentre le valvole rotative (rotary valve) lavorano seguendo un moto circolare”. Se la conversazione si svolge tra tecnici, come mi ha accennato, la dicitura “valvola a fungo” ci può stare senza problemi. Ovviamente la scelta tra il termine valvola e valvola a fungo la valuterete voi in base al labiale, immagino.

Rocker boss, ovvero il supporto che vincola il perno attorno al quale si muovono i bilanceri delle valvole a fungo. I bilanceri possono oscillare come un dondolo, il perno che permette questa oscillazione è fermato all’interno del rocker boss. Il rocker boss non è altro che una sede ricavata nella parte superiore della fusione di alluminio della testata. Una testata può avere uno o più rocker boss a seconda del numero del numero dei cilindri del motore, delle valvole di cui è questo è dotato e dello schema della distribuzione scelto e quindi dei bilanceri necessari. Tradurlo in italiano con un termine breve, sovrapponibile, è cosa ardua. Se la frase è fine a sé stessa si può generalizzare (mantenendo comunque professionalità e rigore tecnico) e dire:

“Tu non sai distinguere una valvola a fungo da una testata!”
oppure
“Tu non sai distinguere una valvola da una testata!”
oppure
“Tu non sai distinguere una valvola a fungo dalla sede di un bilancere!”
oppure
“Tu non sai distinguere una valvola a fungo da un porta bilancere!”

Onestamente credo che persino un Ingegnere di Formula 1 italiano si chiederebbe “E cos’è adesso un porta bilancere?”. Questo per dire che si possono cercare tanti modi per far stare la traduzione italiana all’interno di quella americana, però…
La parola “testata” credo sia quella che meglio può assolvere i suoi compiti. Ad ogni modo le ho allegato un’immagine con l’indicazione delle voci per ulteriore chiarezza.

Rocker Boss - Supporto perno bilancere punterie

Il Rocker Boss non ha una traduzione in italiano diretta, si tratta
comunque del supporto che sostiene il perno del bilancere delle punterie.

24 agosto 2014

Stile di guida e longevità del motore

Rubrica: Incominciamo a parlare di automobili | Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Influisce uno stile di guida vivace sulla longevità del motore?

Risponendo a: Mattia

Mattia scrive: Possiedo una Smart diesel del 2001 che ha percorso attualmente 175000 km, con nessuna sostituzione importante (solo l’alternatore che si è bruciato a 120000 km e la valvola egr rimossa dopo che questa si è bloccata a 112000 km). Ultimamente, utilizzo nel gasolio l’additivo per pulire gli iniettori e ogni accelerazione la faccio premendo a manetta l’acceleratore, ma non arrivando al limite dei giri (cambio a 3000 giri/min), da quando faccio questo sento il motore più pronto. Ora, una guida di questo tipo usurerà precocemente il motore? Perchè se è vero che accelerando a manetta si sfrutta tutta la potenza e quindi l’usura sarà maggiore, è anche vero che si raggiunge prima la velocità di crociera, che poi naturalmente mantengo con un filo di gas, inoltre dovrei mantenere più pulito il sistema di alimentazione. Quindi qual è il suo parere? Grazie.

Quando acceleri a fondo in realtà non sfrutti tutta la potenza, infatti se guardi le curve caratteristiche di potenza e coppia del tuo motore ti accorgerai che ad un dato numero di giri corrisponderà una data potenza ed una data coppia (ad esempio a 3.000 giri potrebbe trattarsi di un valore prossimo al 50% della potenza massima erogabile). Il parametro che invece va al massimo è il carico ossia l’azione sull’acceleratore e quindi la completa apertura della farfalla. La centralina elettronica elaborerà la curva (nelle tre dimensioni) più idonea di mappatura considerando quindi il carico al 100%. Non è detto che in queste condizioni si ottenga sempre una risposta pronta, potrai accorgerti infatti che in determinate condizioni (sia di utilizzo del motore che atmosferiche) la risposta del motore migliorerà alleggerendo l’azione sul gas piuttosto che lasciandola costante o aumentandola. Quando si guida in questa modalità, ovvero con un carico elevato ed un ridotto numero di giri, le temperature degli organi di manovellismo e distribuzione aumentano per molteplici motivi. La portata e la pressione dell’olio non risultano ottimali e non permettono di “asportare” correttamente calore dagli organi sollecitati, stesso dicasi per l’impianto di refrigerazione che non estrae sufficiente calore dalle pareti dei cilindri e non ne scambia a dovere con l’esterno tramite il radiatore. In particolar modo i pistoni aumentano di temperatura e non riescono a trasferire una buona quantità di calore alle pareti dei cilindri. Le conseguenze possono pregiudicare l’affidabilità e la longevità del motore. A lungo andare infatti si possono verificare deformazioni degli organi e trafilaggi di olio con le conseguenze che ne derivano. Certo nel tuo caso si tratta di piccoli frangenti, inoltre diverse case automobilistiche consigliano questo tipo di guida motivandola come un aiuto alla riduzione dei consumi di carburante (e quindi delle emissioni). Ad ogni automobilista la propria scelta quindi. Per quanto concerce invece l’impianto di alimentazione, io personalmente per tenerlo in ordine, preferisco più che altro cambiare qualche volta di più il filtro del carburante. Se questo è sempre efficiente è molto difficile che gli iniettori soffrano di qualche patologia a meno che non si tratti di un difetto caratteristico. Aver percorso 175.000 km con un motore di piccola cilindrata senza che vi sia stata la necessità di effettuare particolari riparazioni non è affatto male, il traguardo dei 200.000 km è oramai vicino.

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Scatti di un frangente del montaggio di un motore 3 cilindri (che equipaggia la piccola Smart)
in seguito alle operazioni di rettifica necessarie al ripristino dello stesso.
Per cortesia dei miei amici e colleghi Giorgio e Peppe.

9 luglio 2014

Qualche mito da sfatare sui motori elettrici

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Piccola parentesi sui powertrain elettrici per le piccole barche

Mi contattano spesso amici e conoscenti per sapere se è vero o meno quanto è stato detto loro circa l’acquisto di alcuni prodotti. Di recente uno di questi mi ha informato del fatto che sta montando su un piccolo gommone un motore elettrico al fine di potersi muovere comodamente nei laghi senza far rumore mentre pesca. Ottima idea senza dubbio, peccato però per quel simpaticone del rivenditore di motori elettrici per barche che nella sua esposizione ha inserito dei mastodontici orrori fisici spacciando tali affermazioni per finezze tecnologiche.

Nello specifico ha affermato che i motori da 1000 Watt che vende erogano in realtà la stessa potenza di un motore a combustione interna da 3000 Watt. Più precisamente il venditore sosteneva che quando il suo motore eroga all’albero 1000 Watt, offre le stesse prestazioni di un motore a combustione interna da 3000 Watt. Questo mi ricorda un po’ quel gioco mentale che ci proponevano da bambini quando ci dicevano: “Pesa più un chilo d’aria o un chilo di piombo?”. E tutti i bambini: “Un chilo di piomboooo!”. Però eravamo bambini e ci poteva stare. Quello che la logica nelle nostre menti ci proponeva era in realtà “E’ maggiore la densità del piombo!” ragione per cui rispondevamo a favore del piombo.

In realtà un motore elettrico mentre eroga 1000 Watt eroga la stessa identica potenza di un motore a combustione interna che sta erogando 1000 Watt. Le prestazioni all’albero sono esattamente le medesime. E, fidatevi, non ci sono santi. Se qualcuno è scettico può aprire i libri di fisica 1 e fisica 2 della scuola media superiore e verificare da sé.

A parte il fatto che cambia sicuramente come questa potenza viene espressa e come la coppia venga erogata, quello che su un motore elettrico (ma, come ho già detto in altri articoli, sarebbe più corretto dire “macchina elettrica rotante”) cambia di tre volte è il rendimento. Se su un buon motore a combustione interna siamo mediamente intorno al 28-30% di rendimento complessivo, su un motore elettrico, ad esempio brushless destinato alla trazione, siamo prossimi al 90%. Con un rendimento 3 volte superiore avremo sicuramente un consumo energetico minore per compiere lo stesso tragitto ma… 1000 Watt restano 1000 Watt.

Quindi dovrete sicuramente sfruttare una quantità minore di energia (kWh) per coprire il vostro percorso (a patto che il vostro pacco batterie ve lo consenta, a tal proposito vi consiglio di leggere i nostri articoli sulle batterie per trazione, presenti alla pagina Automotive di questo blog) ma la potenza erogata non cambierà, né sarà tre volte superiore, anzi… nei sistemi di trazione elettrici le prestazioni decadono a mano a mano che il pacco batterie si scarica, la capacità diminuisce e la tensione scende.

Ma non solo! Se sulla targhetta del motore elettrico del vostro gommoncino da pesca c’è scritto 1000 Watt, sappiate che in realtà non verranno mai erogati 1000 Watt di potenza massima se il pacco batterie non sarà realmente in grado di fornire questo livello di prestazione. Nei powertrain elettrici non conta quasi nulla il valore della potenza di picco erogabile dal motore, conta invece la potenza di picco erogabile dal pacco batterie abbinato all’elettronica di potenza necessaria. La potenza di picco del motore elettrico dovrà avere un valore superiore a quella del pacco batterie solo per questioni cautelative di progetto, ovvero per evitare che il pacco batterie possa danneggiare il motore (anche se poi subentra il settaggio dell’elettronica).

E’ molto probabile quindi che il motore elettrico in questione non eroghi nemmeno 1000 Watt ed a mio avviso, considerato l’esiguo pacco batterie, caratterizzato tra l’altro da bassi valori di scarica e bassissima capacità, credo che a stento possa erogare 500-600 Watt. Insomma un’onda o la corrente del lago (senza considerare eventualmente quella del mare), avranno la meglio.

Curiosità

Due remi su un lago non sono una cattiva idea. Un uomo medio eroga circa 250 Watt senza troppi problemi, uno mediamente allenato anche 500 Watt e viene alimentato da pasta, frutta e verdura. Nel bilancio tutto sommato trattasi di una soluzione economica, affidabile e pronta all’uso, inoltre, permettetemi la digressione, le donne gradiranno.

Note

Il venditore di motori elettrici per gommoni ha chiesto a Piero (il ragazzo che mi ha posto la domanda) circa 2000 Euro per il motore completo di centralina, trasmissione ed elica; circa 700 Euro per un pacco batterie da 10Ah (non posso scrivere quanti Volt altrimenti si potrebbe capire di quale marchio sto parlando e non sarebbe professionale a mio avviso) e circa 1500 Euro per un pannello fotovoltaico “speciale” utile a ricaricare il pacco batterie quando il natante è fermo ad esempio mentre si sta pescando. Stiamo parlando di 4200 Euro per avere autonomia sufficiente per un’ora di mare (solo in caso di assenza totale di correnti e onde) viaggiando tra metà ed un terzo della potenza di picco. In caso si tenti di erogare sempre la potenza massima (realmente disponibile) l’autonomia scenderebbe a pochi minuti.
Nonostante ciò Piero, da quanto mi dice, procederà all’acquisto perchè si è innamorato del prodotto. Lo capite perchè scrivo tanti articoli anche sugli aspetti psicologici della società e del mercato e non solo sulla tecnica? 😀

Pensate ad una cosa… sicuramente c’è un’alternativa : )
Image’s copyright: www.ippinka.com

8 luglio 2014

Pneumatici specifici per biciclette elettriche (ebike)

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Quando pneumatici speciali sono realmente utili

Ecco che con l’ingresso a pieno titolo delle biciclette elettriche nei pensieri degli italiani, iniziano a farsi strada (come al solito) chiacchiere geometricamente indefinite e variegate voci di corridoio. Perfetti estranei del settore si tramutano improvvisamente in mastri artigiani e iniziano a dispensare consigli non di rado privi di fondamenti.

Uno dei temi topici riguarda i pneumatici destinati all’impiego sulle bici elettriche. Senza ingombranti giri di parole sottolineo subito come i costruttori di pneumatici, per primi, ci tengano a sottolineare che “non” è assolutamente vero che una bicicletta elettrica a pedalata assistita (a norma di legge) necessiti di pneumatici speciali con particolari omologazioni. Anche le norme sulla circolazione stradale di tali biciclette non prevedono (nel momento in cui scrivo) particolari omologazioni.

Questo è subito spiegato dal fatto che, anche se molti non se ne saranno accorti, con una normale bicicletta da trekking, non è poi così difficile raggiungere i 50-60 km/h in discesa. Come fa quindi un pneumatico a reggere serenamente alle sollecitazioni imposte a simili velocità dalle vostre gambe, la vostra massa, quella del mezzo e la forza di gravità e poi non reggere improvvisamente a velocità fino a 3 volte più basse?
Sarà facile rendersi conto che non ha senso quindi pensare di dover montare pneumatici speciali su una bicicletta elettrica a norma di legge (25 km/h di Vmax, 250 Watt di potenza max, pedalata assistita).

Se poi si considera che nelle gare di Cross Country e, ancor peggio, di soft Down Hill, non è poi così difficile in gara buttarsi giù per una discesa a velocità prossime ai 70-80 km/h (e ne sono testimone diretto avendo gareggiato nel Cross Country, essendo amatore nel Down Hill e, in tutte le altre salse, pedalando praticamente da tutta la mia vita), ne vien da sé che un pneumatico normalissimo di una bici da competizione è in grado di reggere velocità, urti e dissesti senza particolari problemi. Ovviamente è logico che bisogna saper scegliere un pneumatico e conoscerne le caratteristiche tecniche; non sarà infatti un casuale pneumatico del centro commerciale a garantire la vostra sicurezza mentre sfrecciate giù da una montagna, macinate chilometri per strada o vi esibite in ardue manovre di freestyle.

Ma allora i pneumatici destinati alle biciclette elettriche e dotati di particolari omologazioni a cosa servono? E’ presto detto, finché pedalate su una bici a norma di legge dalle ridotte prestazioni e la ridotta autonomia, avrete una massa addizionale (rispetto alla bici normale) minore o uguale a quella di uno zaino scolastico. Uno zaino scolastico con qualche libro dietro la schiena non pregiudica la sicurezza di una bicicletta e ne converrete con me immagino. Se però la bici viene dotata di particolari Powertrain (vedasi il nostro Caso di studio circa la bici Ralph DTE EBK Endurance), anche nel caso questa sia destinata alla circolazione su strada, ovvero con prestazioni limitate ma autonomia estesa, e quindi portando con sé un carico supplementare di batterie, allora sarà necessario tenere conto delle sollecitazioni introdotte dalle ulteriori masse aggiunte ed adottare i pneumatici che garantiscano il maggior grado di sicurezza.

Stesso dicasi nel caso simile ma inverso in cui non siano ulteriori masse a gravare sul telaio ma prestazioni molto elevate. Allora sì che in tal caso risulterà d’obbligo (progettualmente parlando) ricorrere a pneumatici speciali, con carcasse in grado di sopportare maltrattamenti consistenti e dotati di omologazioni che ne attestino il grado d’impiego cui possono essere sottoposti.

Ovviamente simili biciclette possono essere usate solo in aree private, in montagna, in impieghi speciali e via discorrendo. Se però vengono omologate, targate e assicurate (casco obbligatorio), allora i pneumatici dotati di particolari omologazioni diventano obbligatori non più solo progettualmente bensì anche per il codice stradale. Pertanto, se vi trovate in una di queste tre ultime condizioni citate, solo in tal caso, dovreste iniziare a pensare a pneumatici speciali con omologazione ad esempio di tipo ECE-R75 (valida in tutta Europa) che certifica l’idoneità del prodotto fino a 50 km/h tenendo conto di carichi superiori a quelli sopportati da una bici normale.

Per biciclette elettriche a norma di legge non sono al momento previsti particolari prerequisiti/omologazioni
dei pneumatici. Al contrario è richiesta una particolare omologazione per le biciclette elettriche targate
capaci di raggiungere velocità superiori ai 25 km/h e non superiori ai 50 km/h. Infine su biciclette elettriche
come quelle che costruiamo noi per particolari applicazioni su qualunque tipo di percorso al di fuori
della strada, pneumatici dotati di particolari omologazioni non sono obbligatori ma assolutamente
necessari per la sicurezza.

16 aprile 2014

Trasferimento di energia meccanica

Rubrica: Ingegneria e Meccatronica

Titolo o argomento: Trasferire l’energia meccanica mediante sistemi rotanti, traslanti

Per trasferire l’energia meccanica si fa uso di organi che, messi assieme, costituiscono un sistema tecnico in grado di assolvere tale compito. Per far ciò è necessario che almeno un elemento abbia la capacità di muoversi, e quindi trasferire energia, basandosi su appositi supporti e guide in grado di vincolare il movimento affinché sia cinematicamente corretto rispetto all’elemento di riferimento, ad esempio un basamento, un supporto o un telaio. Gli organi atti a trasferire l’energia meccanica possono essere suddivisi in base al tipo di movimento consentito dai loro vincoli, ovvero: rotazione (per la trasmissione di momenti torcenti e movimenti rotatori, a tal scopo si usano gli “alberi”) e traslazione (per la trasmissione di forze di trazione e compressione, nonché per movimenti lineari, in questo caso si adottano “aste e steli”).

Rotazione

Elementi rigidi come gli alberi con supporti permettono di trasferire momenti torcenti e forze di trazione e compressione. Vedi le immagini in basso.

Elementi elastici come gli alberi flessibili permettono di trasmettere momenti torcenti, essi sono perlopiù assimilabili ad una sorta di cavo in grado di flettersi ma allo stesso tempo resistere alle sollecitazioni di torsione.

Elementi articolati come gli alberi cardanici permettono di trasmettere momenti torcenti. Ne sono un esempio apprezzato le trasmissioni di alcuni particolari motocicli ed i semiassi delle automobili. Vedi le immagini in basso.

Traslazione

Elementi rigidi come le aste dotate di guide permettono di trasferire momenti torcenti e forze di trazione e compressione. Tipici esempi sono rappresentati dagli attuatori pneumatici e idraulici utilizzati nell’automazione e sulle macchine movimento terra. Vedi le immagini in basso.

Elementi flessibili come i cavi con guaina tipo Bowden e le funi permettono di trasmettere forze di trazione e compressione. Si tratta di componenti molto simili ai cavi con guaina adottati sulle biciclette per l’azionamento dei freni e sui motocicli per l’azionamento della frizione.

Elementi articolati come le catene e gli elementi di compressione guidati permettono di trasferire forze di trazione e compressione. Un esempio è rappresentato dalle catene impiegate nei porti turistici e nei cantieri navali per muovere (frenare, tirare…) le imbarcazioni e, più precisamente, per la messa a secco o per la messa a mare.

Link correlati

Trasferimento di energia meccanica
Trasformazione di energia meccanica – In preparazione
Accumulo di energia – In preparazione
Organi di regolazione meccanici – In preparazione

2 dicembre 2013

Motori a combustione interna alimentati a biogas: Il sistema motore-generatore Doosan Infracore

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare

All’inizio di questa rubrica abbiamo visto le differenze tra gas naturale e biogas ed abbiamo analizzato i metodi di produzione ponendo particolare attenzione a quelli impiegati per il biogas. Ora, una volta ottenuto il gas, una volta operato il miglior filtraggio possibile dagli elementi contaminanti e una volta immagazzinato in appositi silos, è possibile utilizzarlo come combustibile su specifici motori a combustione interna studiati per l’abbinamento con un generatore elettrico al fine di produrre energia elettrica e/o calore.

La Doosan Infracore è un’azienda coreana rara nel suo genere, è infatti in grado di prendere motori di cilindrate considerevoli già presenti sul mercato e trasformarli in gruppi moto-generatori alimentabili a gas naturale operando opportune modifiche agli accessori motore, all’elettronica di controllo ed a parte delle componenti meccaniche coinvolte nel processo di combustione. Volendo è possibile anche l’alimentazione a biogas operando ulteriori modifiche. In questo caso viene esposto il curioso caso di un motore Daewoo ciclo Diesel 8 litri 6 cilindri in linea destinato ai mezzi pesanti e trasformato dalla Doosan in un moto-generatore ciclo Otto alimentato a gas.

Ciclo

Il motore che siamo andati a studiare è installato presso un impianto di depurazione urbano delle acque reflue. Il ciclo di produzione del biogas dalle acque reflue viene esposto in maniera chiara e sintetica nell’articolo specifico di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas.“

Da notare che il ciclo parte prelevando gas metano dall’ordinaria rete di distribuzione al fine di alimentare le caldaie che permetteranno la digestione della frazione solida di refluo da destinare alla produzione di biogas. Una volta prodotto un volume sufficiente di biogas, questo viene suddiviso nella frazione che alimenterà il motore a combustione interna e la frazione che alimenterà le caldaie dedite alla digestione.

Moto-generatore a biogas Doosan Infracore
Specifiche motore
Motore 6 cilindri in linea, 4 tempi, ciclo Otto (canne riportate).
Alesaggio: 111 mm.
Corsa: 139 mm.
Cilindrata: 8071 cc.
Rapporto geometrico di compressione: 10,5:1.
Sovralimentazione mediante turbocompressore e intercooler aria/acqua.
Raffreddamento a liquido.
Alimentazione con miscela stechiometrica, iniezione indiretta.
Accensione comandata da una candela per cilindro.
Ordine d’accensione: 1-5-3-6-2-4.
Accensione: 13° prima del punto morto superiore.
Sistema di mantenimento del regime di rotazione costante al variare del carico.
Valvole per cilindro: 2 in testa.
Rotazione manovellismo: in senso antiorario guardando dal volano.
Massa motore: circa 750 kg a secco.
Prime power a 1500 giri/min: 128 kWm.
Standby power a 1500 giri/min: 141 kWm.
Prime power a 1800 giri/min: 150 kWm.
Standby power a 1800 giri/min: 165 kWm.
Specifiche generatore
Fasi: 3
kVA: 150 a 1500 giri/min
kVA: 180 a 1800 giri/min
Hz: 50/60
Cosphi: 0,8
Volt: 115 / 200 / 230 / 400
Ampere: 753 / 433 / 377 / 217
Massa generatore: 491 kg
IP: 21
Temperatura ambiente di lavoro: Max 40°C
Aspetti energetici
Consumi di carburante

I consumi sono espressi in Nm3/h ovvero in metri cubi normali all’ora. I valori fanno riferimento al gas naturale con contenuto di metano del 99% circa ma variano in misura tutto sommato trascurabile se viene impiegato biogas purificato con contenuto di metano del 95% circa.

25% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 32 kWm: 13,3 Nm3/h
50% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 64 kWm: 17,8 Nm3/h
75% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 96 kWm: 24,3 Nm3/h
100% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 128 kWm: 31,8 Nm3/h
25% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 37,5 kWm: 13,9 Nm3/h
50% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 75 kWm: 21,8 Nm3/h
75% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 112,5 kWm: 29,9 Nm3/h
100% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 150 kWm: 38,5 Nm3/h
Note sull’energia impiegata e prodotta

Per intenderci a 1500 giri/min questo motore, montato su un mezzo pesante, permette di percorrere 80 chilometri in un’ora. Questo dato ci servirà per capire successivamente l’equivalente in strada percorsa ricavato dalle ore effettive di funzionamento.

Erogando una potenza costante di 128 kWm, con il 100% del carico a 1500 giri/min, in un’ora viene impiegata un’energia pari a 128 kWh ottenuta dalla combustione di 31,8 Nm3 di gas naturale.

Considerato che 31,8 Nm3 di gas naturale (costituito dal 99% c.a. di metano) hanno una massa di c.a. 22,75 kg, ciò significa che la combustione di ogni chilogrammo di gas naturale genera in questo motore, con il 100% del carico a 1500 giri/min, un’energia fruibile all’albero di 5,62 kWh (l’energia dissipata in calore, attriti, rumore, vibrazioni, ecc. è già stata sottratta infatti l’energia prodotta dalla combustione di un chilogrammo di metano vale 14,8 kWh).

Considerato per l’appunto che 1 kg di metano sviluppa in seguito alla combustione 14,8 kWh di energia, significa che il motore, arrivando a quota 5,62 kWh, ha un rendimento del 38% (grazie al fatto che lavora sempre ad un regime costante ed ogni singolo dettaglio è ottimizzato affinché il motore esprima il meglio di sé in questa data condizione). Ricapitolando quindi:

La combustione di 1 kg di metano sviluppa 14,8 kWh di energia complessiva.
La combustione di 1 kg di metano nel motore analizzato genera 5,62 kWh fruibili all’albero.
Si ottengono 128 kWh fruibili all’albero bruciando 22,75 kg di metano a 1500 giri/min.
Si ottengono globalmente 336,7 kWh dalla combustione di 22,75 kg di metano.
Il rendimento complessivo del motore a c.i. è pari al 38%.

La potenza di 128 kWm è riferita al valore disponibile in uscita dall’albero motore a combustione interna quando il regime di rotazione è di 1500 giri/min ed il carico è al 100%. In realtà, nelle medesime condizioni, in uscita dal generatore elettrico accoppiato si ha una potenza di circa 109 kWe (se il rendimento della macchina elettrica è pari all’85% circa).

Pertanto per i consumi di gas si deve far riferimento alla potenza erogata dal motore a c.i. mentre per la vendita dell’energia elettrica prodotta si deve far riferimento alla potenza in uscita dal generatore elettrico.

Il gruppo moto-generatore analizzato in questo articolo viene tenuto in moto 20 ore al giorno, ciò significa che quotidianamente, nel suo funzionamento costante, produce 2180 kWh di energia elettrica (109 kWe x 20h) se impiegato al regime di 1500 giri/min con carico massimo.

Nel passaggio dall’utilizzo di gas naturale all’utilizzo di biogas tutto il conteggio va rieseguito nuovamente sulla base della resa energetica fornita dal biogas (diverso da caso a caso a seconda delle sostanze iniziali utilizzate per la digestione anaerobica, del livello di purificazione ottenuta e dei contaminanti rimasti) che comporta ovviamente diversi consumi, differenti produzioni di energia elettrica nonché differenti problematiche tecniche che vedremo nel prossimo articolo di questa rubrica.

Tecnica
Curiosità

Il motore originario è un Daewoo ciclo diesel destinato a mezzi pesanti e trasformato in motore ciclo otto a gas (da abbinare ad un generatore elettrico) dalla coreana Doosan Infracore. La trasformazione da ciclo Diesel a ciclo Otto si è operata in particolar modo inserendo le candele al posto degli iniettori e la ruota fonica al posto della pompa del gasolio.

Il motore è dotato di acceleratore elettronico ed una cabina di controllo che rileva ogni tipo di anomalia sia sul motore a combustione interna che sul generatore. Variazioni del regime di rotazione nell’intorno dei 50 giri/min generano un segnale di errore (il motore deve girare regolarmente in maniera costante ed operando nel range di temperature previste).

Un sistema di preriscaldamento impedisce al motore di essere avviato se prima non è stato scaldato il fluido refrigerante. Ciò permette di controllare la combustione ed i prodotti che ne derivano.

Utilizzo medio del moto-generatore pari a 20h/giorno.
128 kWm potenza meccanica all’albero a 1500 giri/min con il 100% del carico.
109 kWe potenza elettrica fornita dal generatore a 1500 giri/min con il 100% del carico.
Picchi di energia prodotta in un giorno pari a 2180 kWh.
Picchi di consumo gas: max 455 kg.
Energia prodotta mediamente in un giorno: compresa tra 1150-1730 kWh.
Massa di gas consumato mediamente in un giorno: compresa tra 255-350 kg.
Ricapitolando quindi:
Intervallo di tempo considerato pari a 20h.
Regime di rotazione considerato pari a 1500 giri/min.
Carico considerato pari al 100%.

Il consumo di gas da parte del motore a c.i. corrisponde a: 455 kg.
L’energia sviluppata alla combustione da una tale massa di gas vale: 6734 kWh
Il rendimento del motore a c.i. è: 38%
Il rendimento del generatore è: 85%
Il rendimento complessivo del moto-generatore è: 0,38 x 0,85 = 0,32 (32%)
L’energia resa disponibile dal moto-generatore in 20h vale: 2180 kWh
Dal confronto tra l’energia sviluppata in seguito alla combustione della massa di gas consumata e quella fruibile si ottiene la conferma che il rendimento del moto generatore è:
6734 kWh : 100% = 2180 kWh : x, dove l’incognita risulta nuovamente (ed ovviamente) x=32%.

Manutenzione e revisioni

Il cambio dell’olio motore e delle candele viene effettuato una volta ogni settimana anche se l’intervallo può essere esteso, al limite, a 10 giorni.

Viene impiegato olio lubrificante speciale appositamente additivato per offrire un elevato grado di affidabilità anche in seguito alla combustione di biogas con tracce di contaminanti.

Analisi chimiche settimanali dei prodotti della combustione e dell’olio motore sono importanti per conoscere l’andamento della combustione ed eventuali anomalie nel processo di filtraggio del biogas.

Ogni 20.000 ore di funzionamento (equivalenti ad oltre un milione e mezzo di chilometri) il motore viene completamente smontato, revisionato, rettificato e controllato in ogni sua parte. Si procede poi al riassemblaggio ed alla messa in moto che può richiedere anche un’ora prima che tutti i parametri siano a posto e la centrale di controllo dia l’ok per l’avvio.

Ogni due cambi d’olio, ovvero circa ogni 3 settimane, si effettua il registro delle valvole.

Problematiche tecniche

Maggiori informazioni disponibili su richiesta

Al primo utilizzo alimentando il motore a biogas anziché a gas naturale, si sono manifestati seri problemi di affidabilità e rotture. Dopo un funzionamento di sole 2000 ore (equivalenti a circa 160.000 km) gli organi dotati di boccole si sono degradati in maniera anomala. Il problema è stato completamente studiato e risolto.

Al secondo utilizzo, una volta effettuate le dovute ricerche sulle cause, e risolti tutti i problemi, il motore ha lavorato per ben 22000 ore (equivalenti a circa 1.760.000 km) senza guasti né problemi di sorta.

Da notare l’erosione marcata della battuta delle valvole in seguito alla combustione del gas, leggermente minore quella delle sedi e delle guide delle valvole.

Per quanto concerne i vantaggi e gli svantaggi dell’utilizzo del gas naturale come carburante puoi leggere il relativo articolo di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano” tenendo conto del fatto che nel passaggio dall’uso del gas naturale al biogas alcune problematiche si aggravano e richiedono opportuni adeguamenti.

Maggiori informazioni disponibili su richiesta

Aspetti economici
Vantaggio economico

L’azienda in questione produce 2180 kWh giornalieri di energia elettrica se il motore è impiegato al regime costante di 1500 giri/min con il carico massimo (20h/24 di funzionamento). Dell’energia prodotta 1000 kWh vengono messi in rete (circa 50 kWh ogni ora), e quindi venduti, e circa 1180 kWh vengono utilizzati per alimentare i propri impianti. La società elettrica paga circa 0,3 Euro per ogni kWh prodotto e messo in rete. Moltiplicando per i 1000 kWh (ovvero 1 MWh) messi in rete giornalmente si ottiene un’entrata lorda di 300,00 Euro al dì, più il risparmio offerto dall’energia autoprodotta ed utilizzata per alimentare gli impianti aziendali. In realtà l’energia prodotta giornalmente è sempre minore dei valori sopra citati al fine di tenere il motore in sicurezza e garantire la massima affidabilità e durata nel tempo.

Il prezzo di acquisto dell’energia da parte delle società elettriche (circa 300,00 Euro al MWh) fa riferimento a tariffe che variano in base alla potenza di picco dell’impianto ed alla fonte dalla quale si ricava energia.

Ad oggi l’impianto in questione, tanto per fare un esempio, ha reso al lordo circa 380.000 Euro producendo oltre 1,2 milioni di kWh. Cifra dalla quale devono essere sottratte le spese di manutenzione settimanali, i ricambi, la manutenzione dell’impianto delle acque reflue, le tasse, gli stipendi degli operatori che vi lavorano, ecc.

Impegno economico
Costi sostenuti per installazione impianto.
Costi sostenuti per effettuare le ricerche e la risoluzione dei problemi.
Costi sostenuti per il corretto adeguamento del motore al funzionamento a biogas.

Il bilancio economico è nettamente a favore dell’utilizzo del biogas (o in alternativa del gas naturale) per la produzione di energia elettrica e/o calore mediante moto-generatori come quello preso in esame in questo articolo o, perché no, mediante turbine a gas se desidera andare oltre. Diversi sono i benefici su un mezzo di trasporto come un autoveicolo nel quale il reale risparmio, al termine della vita utile del mezzo, dipende fortemente da una moltitudine di fattori analizzati nel relativo articolo di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro della alimentazione a metano“.

Note
kWm: Esprime la potenza meccanica che il motore a combustione interna fornisce all’albero quando è a regime nominale.
kWe: Esprime la potenza elettrica che eroga il generatore quando il relativo motore a combustione interna è a regime nominale.
kVA: Massima potenza apparente che l’impianto può erogare verso la rete elettrica interna o esterna al sito di collocamento dell’impianto.

Prime power: è la massima potenza disponibile a carichi variabili per un numero di ore illimitato. La potenza media prelevabile durante un periodo di 24 h di funzionamento non deve superare l’80% della prime power dichiarata tra gli intervalli di manutenzione prescritti ed alle condizioni ambientali standard. E’ ammesso un sovraccarico del 10% per 1 ora ogni 12 ore di funzionamento.

Standby power: è la potenza massima disponibile per un periodo di 500 ore/anno con un fattore di carico medio del 90% della potenza standby dichiarata. Non è ammesso alcun sovraccarico per questo utilizzo.

s_cm³ significa metro cubo standard a 1,01325 bar a 15°C.
Nm³ significa metro cubo normale a 1,01325 bar a 0°C.

Link correlati

$Moto-generatore, alimentato a gas naturale oppure a biogas, Doosan Infracore.$

Moto-generatore, alimentato a gas naturale oppure a biogas, Doosan Infracore.
1. Pompa dell’acqua. 2. Pistone. 3. Valvola di scarico. 4. Valvola di aspirazione.
5. Bobina di accensione. 6. Molla valvola di aspirazione. 7. Filtro aspirazione.
8. Molla valvola di scarico. 9. Coperchio delle punterie. 10. Testata. 11. Monoblocco.
12. Biella. 13. Punterie. 14. Albero a camme. 15. Paraolio posteriore. 16. Paraolio anteriore.
17. Pignone su albero motore. 18. Smorzatore di vibrazioni. 19. Pompa dell’olio.
20. Tubo aspirazione olio. 21. Coppa dell’olio. 22. Albero motore.

24 novembre 2013

Motori a combustione interna alimentati a biogas: Metodo pratico per il calcolo dei consumi a metano

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare
La logica

Sebbene sul web brulichino domande al riguardo, nessuno potrà dirvi quanto si consuma “in generale” alimentando a metano un motore a combustione interna. Nessuno potrà dirvelo se non specificate nella vostra domanda che tipo di veicolo e che tipo di motore avete a disposizione, ma non solo, anche le condizioni di utilizzo (stile di guida, percorsi, situazione del veicolo, ecc.) sono fattori determinanti che influenzano abbondantemente il valore dei consumi. Voi chiedereste al bar quanto consuma più o meno un’auto a benzina? Immagino di no perchè vi aspettereste già domande del tipo: Quale auto? Con quale motore? Guidata dove e come? In che condizioni? Per il metano la logica è la stessa, tentare di fornire un numero pressappoco indicativo equivale a dare letteralmente i numeri.

Il metodo più semplice che un neofita può usare consiste nel sapere quanti litri di benzina consuma solitamente per percorrere 100 km (ipotizzando che percorra sempre gli stessi tratti di urbano, extraurbano, autostrada) per poi effettuare un semplice confronto energetico con i carburanti alternativi. Conoscere i litri di benzina consumati offre un’idea dell’energia totale impiegata dal vostro motore per effettuare il vostro “percorso tipo” di 100 km in quanto:

1 kg benzina = 12 kWh energia | 1 litro di benzina = 0,750 kg | 1 kg di benzina = 1,33 litri
1 kg metano = 14,8 kWh energia
inoltre
1 kg di benzina costa 2,50* Euro c.a.
1 litro di benzina (ovvero 0,750 kg) costa 1,80* Euro c.a.
1 kg di metano costa 1,00 Euro* c.a.

Quindi sapendo quanti litri di benzina consumate solitamente per percorrere 100 km sapete quanta energia impiegate per muovere il vostro veicolo, i vostri passeggeri, i vostri bagagli, ecc.. Conoscendo l’energia utilizzata e dividendola per l’energia specifica posseduta dal metano saprete così indicativamente di quanti kg di metano necessiterete per poter coprire il medesimo percorso. Moltiplicando poi per il costo unitario saprete la spesa totale e dividendo per i chilometri saprete il costo sostenuto per chilometro**.

*Nel momento in cui è stato scritto l’articolo.
**Non comprensivo dell’ammortamento dell’impianto e dei costi ordinari/straordinari di manutenzione.

In sostanza, ricapitolando

Rileva quanti litri di benzina utilizza la tua auto per percorrere 100 km e trasforma il totale dei litri di benzina impiegati in kg con una semplice proporzione.

Moltiplica la massa in kg di benzina utilizzata per l’energia specifica della benzina stessa (12 kWh/kg), ottieni quindi il valore dell’energia che impieghi solitamente per percorrere 100 km.

Dividi ora il valore dell’energia che utilizzi (per percorrere 100 km) per l’energia specifica del metano (14,8 kWh/kg), ottieni così la massa in kg di metano necessaria per coprire lo stesso percorso nelle stesse condizioni con lo stesso veicolo.

Cerca di arrotondare sempre i valori ottenuti a tuo sfavore (leggi le motivazioni al paragrafo “Fai attenzione a…”). Se cambi tipo di veicolo e motore la procedura rimane la medesima, quello che cambia sarà il valore iniziale dei litri di benzina utilizzati per percorrere 100 km

Un semplice esempio numerico

Ammettiamo che la vostra vettura sfrutti 5 kg di benzina (ovvero 6,6 litri) per percorrere 100 km del vostro tipico percorso. Ovviamente se moltiplicate i 6,6 litri per il costo al litro sapete la spesa che sostenete solitamente. Mettete ora questo dato da parte.

Quindi per coprire 100 km con il veicolo dell’esempio:

Infine sarà cautela di chi effettua i calcoli arrotondare ogni passaggio nel modo più sfavorevole in modo da avere dati quanto più vicini alla realtà (il risultato reale potrà così essere solo uguale o migliore di quello calcolato e non deluderà le aspettative). Bisognerà poi tener conto del fatto che l’impianto che si va ad aggiungere al veicolo implica una massa aggiuntiva di circa 100 kg che ovviamente influirà negativamente sui consumi di carburante. Il calcolo riportato poco sopra parte da una stima di consumo di 6,6 litri di benzina per percorrere 100 km, dato ricavato facendo riferimento ad una vettura con una massa pari a 1000 kg ed avente un motore aspirato 3 o 4 cilindri. Ovviamente se vengono aggiunti i 100 kg dell’impianto a metano per usufruire della nuova alimentazione più ecologica, i consumi saranno un po’ più alti, dei 4 kg riportati nell’esempio, per la maggiore massa gravante (come avere perennemente due ragazze a bordo, o due ragazzini o un atleta in forma). In ogni caso la procedura di calcolo è sempre la medesima anche se state considerando vetture e motori differenti, quello che cambierà sarà solo il dato iniziale dei litri necessari per percorrere 100 km con il vostro veicolo.

Per chi desidera essere particolarmente minuzioso va ricordato inoltre che i conti eseguiti prendono in considerazione la sola spesa per il carburante. In realtà il costo al chilometro per entrambi i carburanti diventa maggiore se si considera l’ammortamento delle spese di manutenzione che, nel caso dell’alimentazione a metano sono più alte (vedi l’articolo relativo “Pro e Contro dell’alimentazione a metano” nei Link correlati) e vanno aggiunte, tra le altre cose, al costo di ammortamento dell’impianto (se aggiunto in un secondo momento) o al prezzo più alto pagato per il veicolo (se dispone dell’alimentazione a metano di primo impianto), nonché ai maggiori costi assicurativi. Vanno infine sottratte agevolazioni o esenzioni bollo spalmate sui chilometri totali annui che percorrete in modo da ricavare il risparmio su ogni singolo km.

Link correlati

Distributore automatico di biogas per autotrazione (in Svizzera),
aperto 24h, non necessita di assistenza del personale ed è rapido.
Image’s copyright: www.erdgas.ch

23 novembre 2013

Motori a combustione interna alimentati a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare

Come spiegato nel precedente articolo di questa rubrica (vedi i link correlati in basso) la combustione del metano nell’autotrazione genera basse emissioni inquinanti quando il propulsore lavora con miscele magre o, al limite, stechiometriche. In caso contrario le emissioni diventano particolarmente nocive. Inoltre, se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo “tumble”, la combustione completa del metano avviene in 1 millisecondo ed i prodotti della combustione (e la fiamma) raggiungono l’intera camera di combustione in modo omogeneo. Viceversa se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo swirl non risulta particolarmente adatto per essere alimentato a metano in quanto la propagazione dei prodotti della combustione e della fiamma non è uniforme e ciò comporta un impiego di tempo 4 volte superiore per completare la combustione con conseguenti perdite di calore attraverso le pareti dei cilindri ed una riduzione del rendimento termodinamico. Premesso questo, di seguito vengono riportati a mò di elenco i Pro e Contro “puramente oggettivi” cui va in contro il motore ciclo Otto di un veicolo dotato di doppia alimentazione benzina e metano*.

*Esistono infatti motori, seppur rari, progettati per l’esclusivo uso a metano. In tali motori alcune problematiche vengono notevolmente ridotte mentre altre permangono invariate.

Pro dell’alimentazione a metano

Elevato potere antidetonante. Ottima caratteristica per motori con elevato rapporto geometrico di compressione. Tuttavia, non essendo presenti in circolazione sulle nostre strade motori realizzati per girare solo ed esclusivamente a metano, questa caratteristica non è ancora sfruttata (eccezion fatta per i motori VW EcoFuel monovalenti con rapporto geometrico di compressione pari a 13,5:1).

Elevato rendimento termodinamico (potenzialmente maggiore del 10-15% rispetto a quello dei motori a benzina). Grazie al potere calorifico di 47 MJ/kg, ad una tonalità termica di 0,820 kcal/litro e ad un’energia specifica (sviluppata dalla combustione) pari a 14,8 kWh/kg (vedi l’articolo relativo alle caratteristiche energetiche e motoristiche del metano – link correlati in basso), tramite il metano un motore potrebbe sviluppare prestazioni superiori ad un motore a benzina tuttavia questa potenzialità non è raggiunta in quanto nei motori a doppia alimentazione impedirebbe il funzionamento a benzina (che accuserebbe forti problemi di detonazione) e richiederebbe un motore dedicato quasi esclusivamente al solo funzionamento a gas (vedi la VW Caddy MaxiLife Ecofuel che circola in Germania).
Inoltre il motore a combustione interna ciclo Otto è noto per l’enorme quantità di energia che disperde sotto forma di calore. Ciò significa che, senza organi studiati per trattenere la maggiore quantità di calore al fine di trasformarla in lavoro utile, si rischia di vanificare gli intenti ed aumentare quasi esclusivamente le perdite.
Infine è noto che i metalli invecchiano con il calore e le leghe attualmente utilizzate nella realizzazione degli organi dei motori accusano, talvolta, problemi di cedimento anche con le alimentazioni ordinarie.

Miscelazione combustibile (metano) comburente (aria) facilitata. Il metano essendo un gas si miscela con l’aria in aspirazione più agevolmente rispetto a quanto accade tra i combustibili liquidi nebulizzati e l’aria (non vi è quindi la formazione di condense lungo i condotti di aspirazione).

Assenza di fenomeni di diluizione a motore freddo. Il metano non ha la tendenza a combinarsi con l’olio lubrificante del motore a combustione interna. Va comunque detto che i produttori di oli lubrificanti non stanno a guardare e includono nei loro oli, già da parecchio tempo, specifici additivi che minimizzano la possibilità di diluizione della benzina o del gasolio nell’olio lubrificante in seguito a trafilaggi contenuti nei limiti dell’ordinario (avviamento a freddo e/o normale livello di usura del propulsore). Diverso è il discorso del biogas nel quale la presenza di contaminanti ha degli effetti disastrosi sulle proprietà dell’olio lubrificante il quale richiede specifiche correzioni e addizioni nella formula per garantire la corretta lubrificazione (questo tema verrà trattato in uno degli articoli finali di questa rubrica).

Elevato rapporto H/C, ovvero idrogeno su carbonio, che rende il metano un combustibile più pulito rispetto agli altri idrocarburi. Il rapporto H/C è pressappoco doppio rispetto agli altri idrocarburi ed a parità di energia utile generata produce il massimo di acqua ed il minimo di anidride carbonica.

Sicurezza in caso di fuoriuscite in quanto il metano non tende a ristagnare ma, anzi, volatilizza facilmente evitando rischi di esplosioni.

Maggiore disponibilità di metano in natura rispetto al petrolio.

Possibilità di ricavare metano da processi biologici rinnovabili.

Riduzione o esenzione bollo in diverse regioni per veicoli a doppia alimentazione o monovalenti a metano.

Il prezzo al chilogrammo del metano è più conveniente rispetto al prezzo al litro ad esempio della benzina, tuttavia è errato effettuare confronti con unità di misura differenti come spesso avviene quando si osservano le tabelle dei distributori. Un litro di benzina (ovvero 1 dm^3) ha infatti una massa di circa 0,75 kg cui fa riferimento il prezzo di vendita che pertanto non è direttamente confrontabile con 1 kg di metano. Il costo al chilogrammo della benzina pertanto vale (considerando il prezzo medio al litro di Novembre 2013):

1 kg di metano: 1,00 Euro c.a.

1 kg di benzina: 2,50 Euro c.a. (1 kg di benzina corrisponde a circa 1,33 litri)

E’ inoltre opportuno considerare quanta energia ricaviamo da 1 kg di metano e quanta da 1 kg di benzina:

1 kg di metano libera 14,8 kWh di energia

1 kg di benzina libera 12 kWh di energia

Vi sono tuttavia degli aspetti negativi che sono analizzati nei “Contro”.

Contro dell’alimentazione a metano

Il metano necessiterebbe in realtà di essere impiegato in motori ad elevato rapporto geometrico di compressione, quindi in motori costruiti ad hoc esclusivamente per l’alimentazione a metano. La soluzione a doppia alimentazione metano-benzina non permette di sfruttare al meglio le caratteristiche del metano. Soluzioni mirate più al metano, come nel caso della VW Caddy MaxiLife Ecofuel che circola in Germania, hanno fornito risultati migliori.

Ridotto rendimento volumetrico. La miscela gassosa riduce il riempimento dei cilindri con perdite di potenza (e quindi di velocità massima) del 10% circa durante l’alimentazione a gas rispetto alla potenza ottenibile durante l’alimentazione a benzina dello stesso motore. Sebbene per molti la perdita di velocità massima sia considerata una pecca, in realtà, data la presenza fondamentale del codice stradale che normalizza il traffico dei veicoli sulle strade è opportuno riconoscere che in realtà la velocità massima non rappresenta alcun problema. Ciò che invece diviene un fattore di rischio è la perdita di coppia massima esprimibile dal propulsore e che risulta fondamentale per compiere in breve tempo, ed in sicurezza, l’accelerazione necessaria per affrontare un sorpasso.

Assente lubrificazione degli organi interni del motore al passaggio della carica.

Assente refrigerazione degli organi interni del motore al passaggio della carica.

Assente protezione degli organi interni del motore per la mancanza di additivi, altresì presenti nella benzina, in grado di formare uno strato protettivo che preserva ad esempio valvole e sedi valvole durante ogni chiusura ammortizzando l’urto.

Deterioramento precoce (per erosione, stress termico, indurimento) di valvole, sedi valvole, pistoni, elementi di tenuta, guarnizione della testata, paraoli delle valvole. Anche l’intera testata in seguito allo stress termico può fratturarsi (specie se presenta difetti di fonderia). Nel caso non vengano effettuate operazioni di manutenzione specializzata tramite opportune officine specializzate nella rettifica dei motori, le prestazioni tendono a calare drasticamente ed i consumi aumentano sia nel funzionamento a gas che a benzina.

La maggior parte dei costruttori non ha adeguato i propri motori per il funzionamento a metano e non ha raggiunto un’affidabilità analoga a quella maturata con l’alimentazione a benzina. In ogni caso, anche a seguito di un sufficiente adeguamento, un motore termicamente più sollecitato necessita di maggiori controlli e più frequentemente (costi da inserire in bilancio).

Spesso il risparmio quotidiano sul carburante viene reimmesso in bilancio in una volta sola quando il motore si danneggia e si arrivano a spendere anche cifre maggiori rispetto ai benefici inizialmente preventivati. Per questo il metano è particolarmente vantaggioso se si perccorre la maggior parte della strada in extraurbano e autostrada dando la possibilità di ammortizzare i maggiori costi di manutenzione e impianto anche in caso di rotture.

Un diverso uso di due analoghi veicoli alimentati a metano può offrire livelli di affidabilità nettamente differenti. Percorsi urbani stressano molto più un motore a gas rispetto ai percorsi extraurbani, percorsi con molte salite e discese hanno lo stesso effetto, uno stile di guida sportivo anche, così come viaggiare con il veicolo carico o comunque con diversi passeggeri porta quantomeno ad un usura precoce del gruppo valvole – sedi valvole con il risultato che quando la tenuta tra questi due organi viene a mancare calano le prestazioni e aumentano i consumi. Se le valvole non chiudono bene infatti, parte dell’energia generata dalla combustione viene dispersa nei condotti e la spinta sui pistoni si riduce. La mancata corretta chiusura delle valvole viene innescata dalle forti sollecitazioni termiche subite che alterano la superficie di contatto tra valvole e relative sedi. Questo accade anche con l’alimentazione a benzina ma il fenomeno si verifica dopo un chilometraggio nettamente superiore.

I costruttori di parti specifiche per i motori a combustione interna alimentati a gas sostengono che le sollecitazioni cui vanno in contro organi cruciali come le valvole e le sedi valvole in seguito alla combustione del gas sono analoghe a quelle subite da un potente motore da corsa durante una competizione (da qui la nascita di kit sedi valvole sinterizzati altamente resistenti che mantengono la funzionalità per chilometraggi maggiori).

Spesso si informa un automobilista, che fa installare un impianto di alimentazione a metano, della possibilità di aumentare l’intervallo chilometrico tra un cambio dell’olio e l’altro in quanto il metano non va a contaminare l’olio lubrificante. Ciò è vero solo in parte in quanto il metano non contamina l’olio lubrificante ma quest’ultimo perde comunque le sue proprietà per il motivo principale per cui è impiegato: l’attrito. L’olio infatti porta con sé microresidui metallici che ingloba durante il funzionamento del motore e che in buona parte deposita nel filtro apposito. Inoltre il tempo varia le proprietà di un olio lubrificante anche se la vettura rimane a lungo ferma e percorre pochi chilometri.

In base alla qualità del gas utilizzato questo può contenere dei contaminanti (o svilupparli in seguito alla combustione) che degradano precocemente le proprietà lubrificanti dell’olio (tema che affronteremo in un articolo appositamente dedicato di questa rubrica).

Costi assicurativi del veicolo più alti, con spinta verso il downsizing motoristico e tutte le problematiche che tale scelta comporta in termini di potenza specifica elevata, minore affidabilità e obsolescenza programmata.

Costi di aggiunta dell’impianto.

Costi di manutenzione dell’impianto

Costi legati all’adeguamento del motore a combustione interna (sostenuti praticamente da nessuno in quanto, ad oggi, solo una minima parte delle modifiche necessarie sono disponibili sotto forma di kit aftermarket con particolare riferimento a guarnizioni, valvole e sedi valvole).

Costi legati alla manutenzione straordinaria richiesta dal motore in seguito all’installazione dell’impianto.

Ulteriore massa a bordo (circa 100 kg) che grava sui consumi facendo perdere di per sé una parte del risparmio.

Necessità di tenere sempre un contenuto minimo di benzina.

Stoccaggio e trasporto del gas problematici rispetto ai combustibili liquidi (i problemi sono però nettamente minori per il biogas che solitamente è distribuito dove è prodotto).

Stazioni di servizio con l’automatico del metano non ancora disponibili in Italia.

Peso e ingombro del sistema di stoccaggio a bordo oltre quattro volte maggiore rispetto al sistema equivalente utilizzato per la benzina (il quale è comunque presente a bordo, si tratta quindi di masse aggiunte e non sostituite).

Autonomia limitata.

Quando conviene alimentare un motore a combustione interna a metano?

Quando si percorre la maggior parte della strada in extraurbano.
Quando non si viaggia carichi di merci, bagagli, attrezzi.
Quando non vengono occupati costantemente tutti i posti del veicolo.
Quando non si affrontano frequenti dislivelli e quindi non si viaggia a ridotte andature con un carico elevato sull’acceleratore.
Quando non si effettuano frequenti accelerazioni e si viaggia pressappoco a regime costante o con variazioni dolci.
Quando il motore non verrà utilizzato unicamente a gas ma percorrerà alternativamente lunghi tratti a benzina.
Quando il veicolo non ha una massa considerevole.
Quando il veicolo ha un’aerodinamica efficace.
Quando il motore ha già percorso diverse decine di migliaia di chilometri esclusivamente a benzina.
Quando si ha una guida diligente, rilassata e priva di colleriche accelerazioni.
Quando il motore è stato disegnato per generare una turbolenza di tipo “tumble” in camera di combustione.
Quando si comprende la necessità di effettuare opportuni adeguamenti sul motore (sostenendo i relativi costi) e/o interventi di manutenzione mirata (tramite personale preparato) agli organi maggiormente sollecitati.

Link correlati

Lo studio di soluzioni “monovalenti” orientate sempre più al solo uso del gas naturale o
del biogas ha portato allo sviluppo di accorgimenti tecnici che aumentano l’affidabilità
dei motori che ne fanno uso (come vedremo in uno dei prossimi articoli di questa rubrica).
Città come Linköping o Norrköping in Svezia alimentano la totalità dei mezzi pubblici
di trasporto (bus e tram) con biogas prodotto da sostanze di recupero.
Image’s copyright: Van Hool

18 novembre 2013

Motori a combustione interna alimentati a biogas: Caratteristiche energetiche e motoristiche del metano

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare

Note di carattere energetico

Un chilogrammo di gas naturale può sviluppare in seguito alla combustione circa 14,8 kWh di energia (tale valore varia in base all’effettiva composizione chimica), contro circa 12 kWh di energia sprigionati da un chilogrammo di benzina ed i 0,160 kWh accumulabili in un chilogrammo delle migliori batterie di tipo commerciale. Tali valori possono essere fuorvianti per i non addetti ai lavori in quanto è sempre opportuno considerare il rendimento delle diverse macchine motrici che sfrutteranno il contenuto energetico delle diverse fonti. Maggiore sarà il rendimento e minore sarà la quantità di energia necessaria di cui necessita il sistema (a parità di autonomia).

Ad esempio un motore a combustione interna ciclo Otto alimentato a benzina ha un rendimento del 28% circa a rodaggio ultimato (valore che può calare drasticamente in base alla qualità del motore, dei suoi organi ed al livello di cura e manutenzione dello stesso) contro un rendimento superiore anche al 90% dei migliori motori elettrici per la trazione (o meglio delle macchine elettriche rotanti). Sebbene la quantità di energia accumulabile sia nettamente maggiore su un veicolo con motore a combustione interna alimentato a benzina, quello elettrico non necessiterà mai di dosi così massicce di energia per percorrere la stessa distanza. Ipotizzando infatti che il veicolo alimentato a benzina necessiti di 5 kg di carburante per percorrere 100 km, esso sfrutterà qualcosa come 60 kWh di energia mentre un veicolo elettrico come la Tesla Model S utilizzerà la medesima energia per percorrere ben 370 km (verificate voi stessi).

Il metano è l’idrocarburo più leggero, la sua molecola ha un rapporto idrogeno/carbonio pressappoco doppio rispetto agli altri idrocarburi. Questo significa che a parità di energia utile generata produce il massimo di acqua ed il minimo di anidride carbonica. Bruciato in centrali e nei trasporti si traduce in una soluzione ecologica intermedia. Può inoltre essere utilizzato per la produzione di idrogeno mediante reforming minimizzando così i gas serra prodotti.

Note di carattere motoristico

Per quanto concerne i motori a combustione interna alimentati a gas è importante tener conto di alcuni valori in particolare (trovi qualche utile conversione al termine di questo articolo):

Benzina

Energia specifica (ottenuta dalla combustione): 12 kWh/kg.
Potere calorifico inferiore: 43,6 MJ/kg.
Numero di Ottano: 95.
Tonalità termica: 0,860 kcal per litro di miscela aria-carburante.
Dosatura stechiometrica: 14,8 kg_a/kg_c.
Densità: 0,750 kg/dm^3.

Metano

Energia specifica (ottenuta dalla combustione): 14,8 kWh/kg.
Potere calorifico inferiore: 11.200 kcal/kg ≈ 47 MJ/kg.
Numero di Ottano: >100.
Tonalità termica: 0,820 kcal per litro di miscela aria-carburante.
Dosatura stechiometrica: 17,20 kg_a/kg_c.
Densità: 0,716 kg/m^3.

Gas naturale (metano + contaminanti)

Contenuto: metano + contaminanti (etano, propano, butano, entano e azoto).
In Italia per l’autotrazione abbiamo: 99,5% metano, 0,1% etano e 0,4% azoto.
Potere calorifico inferiore del gas naturale contenente dall’83% al 99% di metano:
Hi=33,96 MJ/s_cm³ dove s_cm³ significa metro cubo standard a 1,01325 bar a 15°C,
Hi=39,79 MJ/Nm³ dove Nm³ significa metro cubo normale a 1,01325 bar a 0°C.

Biogas (metano + CO2 + contaminanti)

Contenuto: metano (generalmente 50% – 80%) + anidride carbonica (fino al 30%) + contaminanti quali ammoniaca, azoto, idrogeno, idrogeno solforato, monossido di carbonio e ossigeno.

Il biogas non purificato contiene circa il 46% di metano.
Il potere calorifico inferiore del biogas non purificato vale: Hi=27,20 MJ/kg.

Il biogas purificato contiene fino al 95% di metano.
Potere calorifico inferiore del biogas purificato vale: Hi=37,7 MJ/kg.

La combustione del metano

Condizioni stechiometriche

Durante la combustione, in condizioni stechiometriche, il metano produce anidride carbonica, vapor d’acqua, ossidi di azoto NOx (l’aria infatti non è composta di solo ossigeno, essa è costituita per ben il 78% da azoto, per il 21% c.a. da ossigeno e per l’1% da altri gas) e minime quantità di radicali (CH3) che si ossidano e si ricombinano. Tale reazione di combustione non lascia residui solidi, non vi sono infatti zolfo o prodotti solforati in grado di generare anidride solforosa.

Miscela magra

Quando la miscela comburente combustibile è magra, ovvero la combustione avviene con un eccesso di aria rispetto alle condizioni stechiometriche, la percentuale di ricombinazione dei radicali CH3 è piuttosto bassa.

Miscela grassa

Quando la miscela comburente combustibile è grassa, ovvero la combustione avviene con un debito di aria rispetto alle condizioni stechiometriche, la percentuale di ricombinazione dei radicali CH3 diventa alta e si forma etano (C2H6). Dall’ossidazione dell’etano si forma acetilene (C2H2) che avvia il processo di formazione di fuliggine. Per fuliggine si intende l’insieme di quei composti carboniosi che rende particolarmente inquinanti i gas di scarico. In presenza di fuliggine inoltre l’acetilene non viene più ossidato ma polimerizzato dando luogo a poliacetileni. Più la miscela aria metano è grassa e più il fenomeno si aggrava.
Miscele grasse danno luogo anche alla formazione di monossido di carbonio, un gas tossico capace di impedire il funzionamento dell’emoglobina presente nel sangue.

Note sulle turbolenze in camera di combustione

In basso vengono riportare le immagini della simulazione eseguita da “InTech – Open Science” sulla combustione del metano in un ordinario motore a combustione interna. Viene inizialmente preso in esame il caso di un processo di combustione con turbolenza di tipo “tumble” e, successivamente, il processo di combustione con turbolenza di tipo “swirl”. Sinteticamente il risultato della simulazione evidenzia come nel primo caso (tumble, velocità della carica di 15 m/s, turbolenza iniziale pari a 250 rad/s e pressione di 20 bar) la combustione dell’intera carica sia ultimata in poco più di 1 millisecondo, la velocità più alta del flusso viene rilevata tra i due elettrodi della candela e la forma degli stessi non costituisce un particolare ostacolo. Nel secondo caso invece (swirl, velocità della carica di 15 m/s, raggio medio di rotazione pari a 1,5 cm con centro nella candela) la combustione della carica è fortemente influenzata dallo “swirl” e la velocità più alta del flusso viene raggiunta solo dal lato aperto degli elettrodi la cui forma genera una sorta di taglio del flusso (propagazione dei prodotti della combustione e della fiamma non uniforme, velocità del flusso tra gli elettrodi minore rispetto alla turbolenza di tipo tumble). Ne segue un prolungamento del processo di combustione, che dopo 4 millisecondi non è ancora completo, nonché maggiori perdite di calore attraverso le pareti dei cilindri ed un minore rendimento termodinamico.

Conclusioni

La combustione del metano nell’autotrazione genera basse emissioni inquinanti solo quando il propulsore lavora con miscele magre o, al limite, stechiometriche. Se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo swirl non risulta particolarmente adatto per essere alimentato a metano. Ulteriori aspetti di carattere motoristico e analisi dei Pro e Contro sono trattati nel prossimo articolo di questa rubrica (vedi i link correlati).

Conversioni

1 J = 0,2388459 cal
1 cal = 4,1867999409 J
1 Nm³ = 44,61 moli
1 s_cm³ = 47,114 moli
s_cm³ significa metro cubo standard a 1,01325 bar a 15°C.
Nm³ significa metro cubo normale a 1,01325 bar a 0°C.

Link correlati

Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “tumble”
rispettivamente dopo 0,5 ms (sulla sinistra) e 1,2 ms (sulla destra).
Simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) eseguita da InTech Open Science.
Image’s copyright: InTech – Open Science www.intechopen.com

Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “swirl”
rispettivamente dopo 1 ms (sulla sinistra) e 4 ms (sulla destra).
Simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) eseguita da InTech Open Science.
Image’s copyright: InTech – Open Science www.intechopen.com

Il Rocker Boss non ha una traduzione in italiano diretta, si tratta comunque del supporto che sostiene il perno del bilancere delle punterie.

Scatti di un frangente del montaggio di un motore 3 cilindri (che equipaggia la piccola Smart) in seguito alle operazioni di rettifica necessarie al ripristino dello stesso. Per cortesia dei miei amici e colleghi Giorgio e Peppe.

Pensate ad una cosa… sicuramente c’è un’alternativa : ) Image’s copyright: www.ippinka.com

*Nel momento in cui è stato scritto l’articolo. **Non comprensivo dell’ammortamento dell’impianto e dei costi ordinari/straordinari di manutenzione.

Distributore automatico di biogas per autotrazione (in Svizzera), aperto 24h, non necessita di assistenza del personale ed è rapido. Image’s copyright: www.erdgas.ch

*Esistono infatti motori, seppur rari, progettati per l’esclusivo uso a metano. In tali motori alcune problematiche vengono notevolmente ridotte mentre altre permangono invariate.

Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “tumble” rispettivamente dopo 0,5 ms (sulla sinistra) e 1,2 ms (sulla destra). Simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) eseguita da InTech Open Science. Image’s copyright: InTech – Open Science www.intechopen.com

Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “swirl” rispettivamente dopo 1 ms (sulla sinistra) e 4 ms (sulla destra). Simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) eseguita da InTech Open Science. Image’s copyright: InTech – Open Science www.intechopen.com

Il Rocker Boss non ha una traduzione in italiano diretta, si tratta
comunque del supporto che sostiene il perno del bilancere delle punterie.

Scatti di un frangente del montaggio di un motore 3 cilindri (che equipaggia la piccola Smart)
in seguito alle operazioni di rettifica necessarie al ripristino dello stesso.
Per cortesia dei miei amici e colleghi Giorgio e Peppe.

Pensate ad una cosa… sicuramente c’è un’alternativa : )
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*Nel momento in cui è stato scritto l’articolo.
**Non comprensivo dell’ammortamento dell’impianto e dei costi ordinari/straordinari di manutenzione.

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rispettivamente dopo 0,5 ms (sulla sinistra) e 1,2 ms (sulla destra).
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Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “swirl”
rispettivamente dopo 1 ms (sulla sinistra) e 4 ms (sulla destra).
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