Sperimentazione idro-metano all’IETC Lab

L’idrogeno in forma gassosa anche introdotto in piccole quantità, può apportare una sensibile riduzione delle emissioni di CO2, con un conseguente risparmio dovuto alla ottimizzazione dello stoccaggio di carburante.

Nell’ambito di sviluppo della fase di studio del sistema di alimentazione gestita elettronicamente dalla centralina del veicolo, è stata realizzata un’apposita area di lavoro presso il laboratorio di sviluppo di elettronica ed automazione della Egenera Srl, al fine di analizzare le caratteristiche del sistema di gestione elettronica utilizzato dal veicolo da trasformare come dimostratore. Il progetto H2Power, ha difatti l’obiettivo tecnico di appurare quali sono le percentuali massime di idrogeno combustibile che possono essere erogate in un mix a base di metano in un veicolo con motore tipico ciclo Otto. Il mezzo utilizzato come test è un minibus Daily della Iveco da 106Cv, 3l, in dotazione presso la flotta mezzi pubblici dell’azienda regionale umbra di Umbria Mobilità. Le sperimentazioni svolte in questi ultimi anni da vari Istituti, Università e centri di ricerca hanno dimostrato come l’uso dell’idrogeno in forma gassosa introdotto anche se in piccole quantità, può apportare una sensibile riduzione delle emissioni di CO2 con un conseguente risparmio dovuto alla ottimizzazione dello stoccaggio di carburante. Le percentuali sinora testate di H2 sino al limite massimo stechiometrico, si attestano intorno al 7% del volume assorbito in camera di combustione, in motori tal quali, ovvero senza nessuna modifica se non con alcune semplici tarature sui tempi di iniezione. La sperimentazione avviata dal team di H2Power, intende verificare se questo limite può essere ridotto incrementando la percentuale di H2 attraverso una strategia di erogazione variabile in funzione della potenza di coppia. Il Lab IETC di Egenera si è quindi dotato di strumenti hardware e software per analizzare e studiare le configurazioni nominali del sistema elettronico di alimentazione del minibus, partendo dalla centralina ECU IAW 1AF di fabbricazione Magneti Marelli. Le misure effettuate sono state evidenziate con maggiore dettaglio nella relazione tecnica ed altri test sono stati eseguiti sul veicolo in movimento per individuare i possibili punti di output dei sensori distribuiti per poterne gestire in seconda fase di test al banco le funzioni variabili per ottimizzare il procedimento di introduzione graduale del mix idro-metano. Le misure sono state eseguite prelevando i punti test dal connettore a 55 pin del cablaggio cavo motore.

I punti di output maggiormente utili sono evidenziati in:

• Corpo farfallato

• PMS giri

• Giri volano

• Sensore pressione in collettore di aspirazione

• Termocoppia acqua e aria aspirata

• Sensore di fase

• Sensore Lambda

Il ruolo che opera la ECU (Engine Control Unit) nel sistema di gestione automatizzata in tutte le fasi della combustione è vincolante per qualsiasi variante si voglia operare su un mezzo con tipico motore endotermico, ed a questo proposito la prima analisi da effettuare è un’indagine sulle caratteristiche specifiche di funzionamento e sulle possibilità di poter operare su di essa per svolgere gli adattamenti necessari a compiere un’ adeguata stechiometria assumendo un combustibile composto e diverso dalla taratura di partenza.

Le proprietà chimico-fisiche dell’idrogeno si diversificano con una certa nettezza rispetto al metano: maggiore Potere calorifico (pci 143,0 MJ/Kg) , minore Densità (0,09 kg/m3), maggiore velocità di propagazione (264cm/s). Queste caratteristiche rendono necessaria una correzione dei tempi di iniezione in base alle percentuali di idrogeno da insufflare. Il progetto H2Power si propone di confezionare una soluzione facilmente trasferibile a qualsiasi veicolo che abbia una tipica iniezione CNG senza dover operare invasive modifiche al sistema di alimentazione e senza interventi nelle unità di controllo elettronico, con lo scopo di poter rendere fruibile l’uso di un combustibile a ridotta emissione di gas serra. In ottemperanza alle disposizioni del C.S.R.P.A.D. (Centro Superiore Ricerche Autoveicoli e Dispositivi) la sperimentazione deve soddisfare le istanze normative obbligatorie per un esercizio su strada dei veicoli ritoccati al nuovo combustibile.

In questa direzione l’IETC Lab sviluppa due linee di test:

• Test sperimentali con modifica delle mappatura ECU e mix dinamico

• Test applicati al banco finalizzato alla validazione legislativa

Nei test sperimentali, in fase di working in progress, si è evidenziato un elevato range di possibili configurazioni delle variabili che intervengono a regolare la combustione, permettendo una stechiometria di valori da 0,8 a >2. Questa malleabilità ottenuta in fase di simulazione con un dispositivo di I/O della NI con LabView – FPGI, permette di poter operare al banco test soluzioni a concentrazioni di elevata percentuale di H2 e O2. L’erogazione di idrogeno in collettore di aspirazione evidenzia la particolare bassa densità del gas e pone il problema della velocità di propagazione in camera di combustione. Questo, causa il veloce immagazzinamento a discapito dell’afflusso di ossigeno. La combustione tende pertanto a ridursi di potenza e a smorzare la coppia. Il Balance viene ottenuto variando il tempo di iniezione e l’attivazione della candela. Possiamo evidenziare che per ogni metro cubo di metano si produce la stessa proporzione di CO2, diversamente l’idrogeno si combina con l’ossigeno in modo stechiometrico, generando acqua pura. Sottraendo pertanto CH4 alla miscela combustibile si otterrà una sensibile riduzione della CO2.

L’effetto “idrogeno” comporta un’ulteriore amplificazione delle percentuali di riduzione di biossido CO2 a seguito di un processo che possiamo definire “endostechiometrico” portando a superare di molte volte la quantità di idrogeno immesso. La relazione, non ancora stabilita, individua empiricamente un rapporto di riduzione di circa 7 volte la percentuale. Se difatti introduciamo una percentuale del 7% di idrogeno otterremo una riduzione di anidride carbonica del 49%. L’apporto dell’idrogeno nella combustione acquisisce una valenza decisiva ai fini delle emissioni inquinanti.