Presentazione standard di PowerPoint

Combustibili per motori a combustione interna
Ing. Claudio Forte
•
MCI sono macchine motrici termiche
che si propongono di convertire in
lavoro meccanico la parte più grande
possibile dell’energia termica liberata
bruciando combustibili all’interno
•
La combustione controlla la conversione
dell’energia chimica del combustibile in
calore
COMBUSTIONE
PRESTAZIONI
EMISSIONI
Cos’è la combustione?
Complesso processo di natura fisica e chimica attraverso il quale
il combustibile si ossida liberando calore
COMBUSTIBILE
COMBURENTE
INNESCO
Combustione in fase premiscelata
Combustibile e comburente sono in fase di vapore e uniformemente miscelati al
momento della combustione
Combustione diffusiva
Il combustibile si diffonde nell’aria, regolando in tal modo la velocità di combustione.
Nel caso di combustibile liquido la velocità di combustione è regolata dalla velocità di
evaporazione e diffusione nell’aria
I Combustibili per MCI
La selezione dei combustibili idonei ai MCI è fatta in base a:
• Abbondante disponibilità, facilità di preparazione e basso costo
• Alto potere calorifico per unità di massa e volume e facilità di
trasporto e stoccaggio
• Rapidità di avviamento e sviluppo del processo di combustione per
ogni temperatura ambiente
• Combustione completa senza prodotti di natura tossica
• Assenza di depositi carboniosi sulle pareti e di prodotti corrosivi
I combustibili per MCI
Situazione parco autovetture in Italia
Parco auto circolante Anno 2007
BENZINA
GASOLIO
GAS LIQUIDO
METANO
2007
0. 00
5. 00
10. 00
15. 00
20. 00
25. 00
30. 00
35. 00
40. 00
Il 98% dei combustibili utilizzati per motori in Italia
sono dei liquidi ricavati dalla distillazione del petrolio
PETROLIO – Part I
PETROLIO – Part II
Petroleum: From wellhead to pump
Explore
Produce
Natural Gas
Wellhead
Transport
Refine/Process
Natural Gas
Processing Plant
Natural Gas
Pipeline
Distribute
Market
Homes and
Businesses
Natural Gas
Pipeline
Truck
Oil
Pipeline
Underground Oil
Onshore Oil &
Natural Gas
Production
Refinery
Distribution
Terminal
Storage
Tanks
Cogeneration
Product Pipeline
Cogeneration
Imports
Gasoline,
Diesel, Jet
Fuel
What oil provides
 40 percent of the nation’s
energy supply
 97 percent of the nation’s
transportation fuels
Sources: American Petroleum Institute
U.S. Energy Information Administration
California Energy Commission
Petroleum Products from a Barrel of
Crude Oil in CALIFORNIA
Gasoline prices
What We Pay For in a Gallon of Regular
What We Pay For in a Gallon of
Gasoline
Diesel
(November 2007)
(November 2007)
Taxes
Distribution and Marketing
Refining
Crude Oil
13%
Taxes
9%
Distribution and Marketing
10%
68%
Source: Energy Information Administration
Based on U.S. average price per gallon
Refining
Crude Oil
14%
7%
17%
62%
Petroleum Refining
Petroleum Products from a Barrel of
Crude Oil in EUROPE
An oil refinery is an industrial plant where crude oil is
processed and refined into more useful petroleum
products.
Every barrel of
crude oil can be
refined into many
products or
fractions.
Chemistry of Petroleum
Temperature and number of carbon atoms determine the
form of petroleum
At Ordinary surface temperatures:
Less than 5 Carbon atoms
Gas
5 to 15 Carbon Atoms
Free-Flowing Liquids.
CRUDE OIL
Greater than 15
Thick viscous liquids to waxy solids.
Crude Oil
• Liquid petroleum recovered directly from the well is called
crude (unrefined or unprocessed) oil.
• Crude oil is comprised of a mixture of hydrocarbon
molecules
• Light (sweet) Crude
– low S impurities
– Can easily be refined to gasoline
– Produced in Nigeria, U.S. Gulf States, Canada
• Heavy (sour) Crude
– high S impurities
– Difficult to refine to gasoline
– Produced in Saudi Arabia, Mexico, Venezuela, Iraq
Crude Oil Fractions
Petroleum gas (1-4 Carbons)
used for heating, cooking, making plastics
Naphtha (8 Carbons)
dry cleaning solution; intermediate that will be
further processed to make gasoline
Gasoline (8 Carbons)
motor fuel
Kerosene (12 Carbons)
fuel for jet engines and tractors; starting material for
making other products
Crude Oil Fractions
Gas Oil or Diesel (16 Carbons)
used for diesel fuel and heating oil; starting material
for making other
Lubricating Oil (36 Carbons)
used for motor oil, grease, other lubricants
Heavy gas or Fuel oil (44 Carbons)
used for industrial fuel; starting material for making
other products
Residuals (80 Carbons)
coke, asphalt, tar, waxes; starting material for
making other products
Fractional Distillation
The hydrocarbons in crude oil
have different boiling points,
according to the number of
carbon atoms their molecules
contain and how they are
arranged.
Fractional distillation uses the
difference in boiling point to
separate the hydrocarbons in
crude oil.
The fractionating column is
cooler at the top than the
bottom, so the vapors cool as
they rise.
Components of a Refinery
Chemical Processing
Very few of the components come out of the fractional
distillation column ready for market.
Many of them must be chemically processed to make
other fractions.
For example, only 40% of distilled crude oil is gasoline
After distillation, one fraction can be changed into
another by two methods of chemical processing:
Cracking and Unification
Cracking
Cracking breaks large chains
into smaller chains.
After various hydrocarbons
are cracked into smaller
hydrocarbons, the products
go through another
fractional distillation column
to separate them.
Unification
Unification combines smaller
hydrocarbons into larger ones
A reformer combines chains
to make naphtha into
gasoline.
A significant by-product of
this reaction is hydrogen gas,
which is then either used for
hydrocracking or sold.
• Il petrolio è una miscela di migliaia di composti chimici che si estrae
dal sottosuolo.
• Il petrolio greggio si trova in tutto il mondo e varia moltissimo da
zona in zona in densità, contenuto di aromatici, zolfo e metalli.
• La maggioranza dei suoi componenti sono:
– Idrocarburi, quali alcani (chiamati paraffine),
cicloalcani (chiamati nafteni),alcheni, aromatici
(~10%),poliaromatici (PAH).
Petrolio
C 84-87%
H 11-14%
– Composti contenenti atomi come zolfo (tiofene
e derivati), ossigeno (acidi e fenoli), azoto
(carbazolo, chinolina).
S 0-6%
– Composti metallici, presenti in tracce – V, Ni, Fe,
Al, Na, Ca, Cu, e U.
O 0-2%
N 0-1%
Idrocarburi
– Alcani o Idrocarburi saturi: idrocarburi con soli
legami singoli.
• Lineari o alcani normali, n-alcani (paraffine normali)
• Ramificati (isoparaffine)
– Alcheni o Olefine: idrocarburi con legami doppi.
– Alchini: idrocarburi con legami tripli.
- Aromatici
La combustione nei MCI
VELOCITÀ DI COMBUSTIONE
MISURA DELLA VELOCITÀ DI COMBUSTIONE
•Velocità di consumo dei reagenti
•Velocità di formazione dei prodotti
•Rapidità con cui viene liberato il calore
(Dal primo principio della Termodinamica: Legge di rilascio calore)
 Ea 

n  RT 
dc
r 
 Cp e
dt
Espressione di Arrhenius
C, n ed Ea (Energia di attivazione) sono costanti tipiche per ogni reazione
Valori tipici per MCI Ea=80 – 160kJ/(Mole K)
AUTOACCENSIONE
L’avvio della combustione avvia senza l’intervento di una sorgente esterna:
è il risultato finale di reazioni di prefiamma, le quali liberando calore e fornendo una serie di
prodotti instabili di parziale ossidazione portano all’avvio del processo di combustione.
Temperatura
Pressione
AUTOACCENSIONE
Composizione
Tempo di induzione
Miscelamento fluidi
TEMPO DI RITARDO ALL’ACCENSIONE
Intervallo di tempo che intercorre tra il momento in cui una miscela (di
data composizione) di combustibile e comburente è portata in fissate
condizioni di pressione e temperatura e l’istante in cui la combustione si
avvia in maniera apprezzabile.
 Ea 
 n  RT 
 a  Ap e
Autoaccensione: formazione fiamme fredde
Effetto nel campo visibile della energia rilasciata dalle
reazioni di prefiamma debolmente esotermiche
Motori ad accensione comandata
PROPAGAZIONE DEL FRONTE DI FIAMMA
La velocità con la quale il fronte di fiamma si muove rispetto alla
miscela fresca in direzione perpendicolare alla sua superficie è
detta velocità laminare di combustione
Motori ad accensione comandata
Velocità laminare del fronte di fiamma
Il valore di è determinato dalla rapidità con cui avvengono i fenomeni di trasporto di
massa ed energia nella zona del fronte di fiamma e dalla velocità
con cui procedono
le reazioni chimiche
cl 

  cp
 r
cl  f ( P, T ,  )
Motori ad accensione comandata
Velocità laminare del fronte di fiamma

P
cl  cl 0   
 P0 
T 
 
 T0 
Limiti di infiammabilità

Relazione di Metghalchi e Keck
Motori ad accensione comandata
Combustione turbolenta
Velocità di combustione turbolenta: descrive la propagazione di un fronte
di fiamma in un flusso turbolento.
È chiamata turbolenta perché la turbolenza corruga il fronte di fiamma
aumentandone l’estensione superficiale e favorendo la velocità di
intrappolamento della miscela fresca all’interno del fronte di fiamma.
Motori ad accensione comandata
Combustione normale nei motori ad accensione comandata
1.
Fase di incubazione o sviluppo di fiamma
2.
Fase di combustione turbolenta
3.
Fase di completamento della combustione
3
2
Motori ad accensione per compressione
Motori ad accensione per compressione
Vantaggi:
Non soffrono del problema della detonazione, i motori Diesel possono
operare con rapporti di compressione più elevati e, quindi,
con rendimenti termodinamici più alti dei motori a ciclo Otto.
Non regolano il carico parzializzando la portata d’aria (valvola a farfalla):
minori perdite di pompaggio.
Utilizzano miscele magre -> Minori consumi, minori emissioni inquinanti
Inoltre presentano:
• Basse velocità di rotazione -> processo di combustione completo.
• Bassi rapporti superficie/volume -> minore perdite termiche.
• Elevati rendimenti termodinamici
Motori ad accensione per compressione
Svantaggi:
Difficoltà nelle partenze a freddo
Rumorosità (soprattutto i motori ad iniezione diretta)
Bassa velocità di combustione: ciò impone basse velocità di rotazione
-> limite alla potenza erogabile dal motore.
• ALTO rapporto PESO/POTENZA (Soprattutto i motori aspirati)
• Emissioni di ossidi di azoto e particolato (ai carichi elevati)
Motori ad accensione per compressione
Nei motori ad accensione per compressione uno dei problemi principali
consiste nel controllo del ritardo all’accensione
La durata del ritardo all’accensione dipende non solo dalle condizioni di
funzionamento ma anche dalle condizioni fisiche (volatilità, viscosità, calore
specifico, etc) e chimiche (struttura della molecola) del combustibile
Motori ad accensione per compressione
Ritardo di natura fisica
•Disintegrazione del getto di combustibile e formazione di goccioline
•Riscaldamento gocce e loro vaporizzazione
•Diffusione dei vapori nell’aria e formazione di una miscela in grado di
accendersi
Ritardo di natura chimica
•Decomposizione degli idrocarburi a più alta massa molecolare
•Loro attacco de parte dell’ossigeno con formazione di composti instabili
intermedi
•Avvio di reazioni a catena che portano all’autoaccensione
 Ea 
 n  RT 
 a  Ap e
A=0.029
n=1.19
Ea/R=4650
Proprietà dei combustibili
Accendibilità
Per quantificare l’accendibilità di un combustibile si è deciso di integrare tutti i fenomeni
coinvolti in una misura sperimentale di un caso di un motore standard che ne dia una
quantificazione numerica.
Il ritardo all’ignizione nei motori diesel (motori ad autoaccensione) è il tempo che
intercorre tra l’iniezione del combustibile e l’autoaccensione
Il numero di cetano (CN) caratterizza i diversi gasoli e combustibili per motori diesel sulla
base del ritardo all’ignizione in condizioni standard.
Il cetano (n-esadecano), più rapido all’ignizione, viene posto arbitrariamente a 100.
l’iso-cetano (eptametil-nonano) ha numero di cetano 15.
Il combustibile viene confrontato con la miscela di riferimento in un motore diesel
standard e ancora confrontato con le caratteristiche della miscela dei composti di
riferimento.
Il numero di cetano della miscela di riferimento viene definito come:
CN = (%cetano) + 0.15 (% iso-cetano)
Il test viene condotto a 900 rpm, con aria preriscaldata a 150°F.
Accendibilità
Spesso si utilizza un altro indice per definire l’accendibilità di un combustibile
che è legato alla percentuale di idrocarburi normalparraffinici presenti. Si tratta
dell’ indice diesel ed è calcolato in funzione di due grandezze facilmente
misurabili:
IndiceDiesel  densitàAPI  PuntodiAnlina[F ] /100
-il punto di anilina, cioè la più bassa
temperatura (°F) alla quale un dato volume
di gasolio è completamente miscibile con un
uguale volume di anilina
-La densità espressa in gradi API, dove
densitàAPI 
141.5
 rel
 131.5
Volatilità
I combustibili sono una miscela di componenti con diverse temperature
di ebollizione:
la volatilità di un combustibile può essere espressa in base alle
temperature alle quali esso è stato distillato ed in funzione della
tensione di vapore
•La viscosità di un liquido è la resistenza al flusso dovuta alle forze
d’attrito tra strati adiacenti del liquido. La viscosità diminuisce con
l’aumentare della temperatura e determina la possibilità di pompaggio
ed atomizzazione. La viscosità dinamica (assoluta) si misura in poise (N
s/m2).
.
•Il cloud point è la temperatura in cui si formano i primi nuclei solidi. Il
pour point è la temperatura minima in cui il combustibile congela
completamente.
•Il flash point è la minima temperatura cui il liquido prende
(rapidamente) fuoco se esposto in prossimità di fiamma libera. Il flash
point è di conseguenza la massima temperatura cui il combustibile può
essere trattato senza rischi di incendio.
La temperatura di autoignizione è la minima temperatura richiesta per
sostenere la combustione in ambiente esposto all’aria atmosferica in
assenza di scintilla o fiamma pilota.
La temperatura di autoignizione della benzina è di circa 370°C.
La benzina ha ‘flash point’ di -43°C
Il gasolio diesel, con ‘flash point’ di +52°C, è così poco volatile a T ambiente
per cui le miscele ottenibili sono troppo povere per poter bruciare.
MASSA D’ARIA TEORICA
La massa d’aria teorica è la quantità d’aria strettamente necessaria per la combustione
completa dell’unità di massa di combustibile
m r
m
m r


Cn H mOr   n     O2  3.773N 2   nCO2  H 2O  3.773  n    N 2
4 2
2
4 2


Inserendo nell’espressione i valori dei pesi atomici delle varie specie si ottiene la formula per
il calcolo dell’aria stechiometrica in funzione della composizione del combustibile
m 2r 

4

   34.562
 ma  
n n 
s    
 mc  12.011  1.008 m  16 r
n
n

  reale
 stechio
 ma 


m
 c reale

 ma 


 mc  stechio
 kg a 


 kg c 
 1 miscela grassa

  1 miscela stechiometrica
 1 miscela magra

Potere calorifico
Il potere calorifico di un combustibile definisce la quantità di calore
sviluppata nel corso della combustione completa dell’unità di massa di
combustibile
La combustione si definisce completa quando gli elementi ossidabili
presenti nel combustibile (C, H, S, N) vengono ossidati rispettivamente a
CO2, H2O, SO2 e N2.
Si distingue poi tra Potere Calorifico Superiore ed Inferiore a seconda che
si consideri (PCS) o no (PCI) condensata l’acqua presente nei prodotti di
combustione
Generalmente i motori a combustione interna scaricano a temperature
elevate e non è quindi possibile recuperare il calore latente di
vaporizzazione dell’acqua
Potere calorifico
Calorimetro di Junkers
Il calorimetro Junkers è utilizzato per il calcolo del potere
calorifico dei combustibili gassosi
Il gas in esame proveniente dal contatore viene bruciato
nella camera di combustione ;
i prodotti di combustione sono fatti circolare in
controcorrente all'acqua di raffreddamento ;
i gas di combustione escono dopo aver ceduto all'acqua
tutto il calore acquistato durante la combustione ;
Il flusso dell'acqua è regolato con rubinetto e ci sono due
termometri per la misura della T di entrata ed uscita;
l’acqua da combustione condensata e viene raccolta.
Modalità di prova:
Una volta avviata la combustione si regola la portata di acqua in ingresso
al calorimetro in modo da raggiungere, a regime, la condizione tf=ta=tgas;
si può così scrivere il bilancio energetico del calorimetro
mgas K s  mH 2O c(t2  t1 )
Bomba Calorimetrica
La bomba calorimetrica è utilizzata per il calcolo del
potere calorifico dei combustibili liquidi e solidi
Recipiente forma cilindrica in acciaio inossidabile,
capacità 500cm3
Chiuso sup. da coperchio a vite con 2 valvole per
introduzione O2 e scarico prodotti
gassosi di combustione.
2 asticciole metalliche, una delle quali serve da
supporto ad un crogiolino di Pt nel quale e' introdotto il
combustibile in quantità nota
asticciole collegate da spiralina di ferro
introduzione O2 fino a P = 25atm
Bomba immersa in calorimetro con quantità nota di
acqua, termometro ed agitatore
Bomba Calorimetrica
Procedura:
1. Si mette in moto l'agitatore e si legge T finche' non diventa costante.
2. Si applica ddp alle due asticciole: la spiralina si arroventa, reagisce con ossigeno
e si polverizza, innescando la combustione.
3. Il combustibile brucia in modo completo, il Q sviluppato è trasmesso alla bomba
e al sistema calorimetrico.
4. La T del termometro aumenta fino a max e poi diminuisce.
DT  P  A  1
Ks 
p
Dove: DT= aumento T in gradi Celsius
P= m acqua in calorimetro in Kg
A= equivalente in acqua del calorimetro = quantità di acqua tale che la sua
capacità termica sia uguale a quella della bomba, del calorimetro e dell'agitatore.
p = quantità di combustibile bruciato in Kg
.
Combustibili Gassosi
Combustibili Liquidi
[kg/dm^3]
Grazie della vostra attenzione
Claudio Forte
[email protected]
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