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Combustibili per M.C.I.
Andrea Montorfano
Sommario
1. Introduzione: esigenze dei MCI
2. Tipologie di combustibili
3. Principali proprietà dei combustibili e metodologie per la loro
misurazione
4. Combustibili gassosi:
• Gas naturale
• Idrogeno
5. Biocombustibili
• Etanolo
• Biodiesel
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Introduzione
Nei motori a c.i. le reazioni chimiche di ossidazione del combustibile con
l’ossigeno dell’aria avvengono internamenteal cilindroe devono:
• completarsi in tempi brevissimi(qualche ms)
• non lasciare residui
• non produrre sostanze tossiche
Le caratteristiche ottimali della miscela aria-combustibile dipendono dal tipo di
motore (Otto o Diesel) e dal sistema di alimentazione del combustibile (iniezione
o carburazione):
• motori a carburazione/iniezione indiretta: il carburante deve evaporare
rapidamente,miscelarsi e formare una carica il più possibile omogenea
• motori a iniezione diretta: il combustibile deve polverizzarsi, evaporare e
miscelarsi con l’aria compressa
• La combustione deve avvenire all’istante desiderato (accendibilità/potere
antidetonante)
Ottimizzazione del binomio motore-combustibile
Introduzione
Esigenze dei M.C.I
Requisiti per i combustibili:
Disponibilità
Alto potere calorifico
Facilità di trasporto e stoccaggio
Rapidità di avviamento e sviluppo della combustione
Combustione completa
Emissioni non tossiche
Assenza di residui solidi
Queste esigenze sono state storicamente soddisfatte dai combustibili
liquidi derivati dal petrolio
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Introduzione
Combustibili Alternativi
I combustibil i liquidi derivati dal petrolio si sono affermati per
l’alimentazione dei m.c.i poiché relativamente disponibili e facilmente
elaborabili.
Tuttavia a partire dagli anni settanta la problematica della limitatezza
delle riserve disponibili di energia è diventata sempre più attuale.
Interesse crescenteverso combustibilialternativi:
• Combustibili gassosi (gas naturale, idrogeno)
• Biocombustibili• combustibili sintetici prodotti a partire dal carbone (liquidi o
gassosi)
Tipologie di Combustibili
SOLIDI:
Polverino di carbone
LIQUIDI:
Benzina (20 – 200 °C)
Gasolio (180 – 360 °C)
Olio combustibile (200 – 390 °C) Etanolo
Biodiesel
GASSOSI:
Metano (gas naturale)
GPL
Idrogeno
Biogas
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Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione (αst)
Resistenza alla detonazione (NO)
Accendibilità (NC)
Volatilità
Viscosità
Filtrabilità
Tenore di gomme
Percentuale di zolfo
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
rapporto di miscela (o dosatura):
rapporto di miscela stechiometrico: rapporto per il quale l’aria
impiegata per la combustione è quella minima per una
ossidazione completa del combustibile
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Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
reazione di ossidazione:
rapporto stechiometrico:
Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
rapporto di equivalenza:
indice di eccesso d’aria:
< 1: miscelamagra
> 1: miscelaricca
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Proprietà dei combustibili
Aria necessaria per la combustione
Andamento delle frazioni
molari dei costituenti dei
gas di scarico in funzionedi
Φ
Proprietà dei combustibili
Resistenza alla detonazione Detonazione forma di combustione anomala in un motore ad accensione
comandata
Resistenza alla detonazione è una importante proprietà del combustibile per
motori A.C.
La detonazione è un fenomeno complesso che coinvolge:
• caratteristiche del combustibile
• parametri di progetto e funzionamento del motore
Per caratterizzare questa proprietà si fa riferimento a una misura su
di un motore standard , per integrare gli effetti reali di tutte le
variabili in gioco
Un apposito comitato di ricerca (Cooperative Fuel Research) ha fissato:
1. combustibili di riferimento
2. caratteristiche del motore di prova
3. metodologie di misura
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Misurazione della resistenza alla detonazione
Combustibili di Riferimento
Combustibili di riferimento per definire
la scala con cui misurare la resistenza
alla detonazione:
iso-ottano: struttura compatta,
resistente alla detonazione
NO = 100
normal-eptano: catena dritta,
facilmente detonante
NO = 0
Misurazione della resistenza alla detonazione
Numero di Ottano
Si definisce Numero di Ottano i l numero intero più vicino alla percentuale in
volume di iso-ottano in una miscela di iso-ottano + normal-eptano le cui
caratteristiche antidetonanti siano equivalenti a quelle del carburante in esame,
quando il confronto è eseguito su un motore CFR secondo una metodologia
standard.
100 28.28
1 0.736 1.0 1.472 0.0352
Per combustibili più resistenti alla detonazione rispetto all’iso-ottano, la scala
viene estesa a valori maggiori di 100, assumendo come riferimento l’iso-ottano
addizionato conpercentuali crescenti di piombotetraetile (T)
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Misurazione della resistenza alla detonazione
Motore CFR robusto monocilindroad accesso ottico
rapporto di compressione variabile
(r = 4-30)
collegato a motore elettrico asincrono che
mantiene costante la velocità di rotazione
dotato di detonimetro(sensore di pressione di
tipo magnetorestrittivo) che misura la derivata
rispetto al tempo della pressione nel cilindro
Misurazione della resistenza alla detonazione
Metodologia generale di misurazione
1. Il motore viene alimentato con il combustibile in esame, facendo variare il
rapporto di compressione f ino ad ottenere un’intensità di detonazione
standard.
2. Il rapporto di miscela viene regolato in modo da ottenere la massima intensità
di detonazione
3. Si individua il Numero di Ottano di prima approssimazione mediante tabelle
che fornisconoNO in funzionedel rapporto di compressione.
4. Si cercano due miscele di riferimento che, a pari rapporto di compressione,
abbiano intensità di detonazione superiore e inferiore a quelle del
combustibilein esame.
5. Il numero di Ottano del combustibile in esame è quindi calcolato per
interpolazionetra i NO delle misceledi riferimento.
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Misurazione della resistenza alla detonazione
Metodo Motore e Ricerca
Le condizioni di prova sono fissate da normative. Due metodisi sono imposti:
Metodo Motore (norma ASTM-D 2699)
Metodo Ricerca (normaASTM-D 2700)
Metodo Motore Ricerca
Alesaggio [mm] 82,6 82,6
Corsa [mm] 114,3 114,3
Cilindrata [cm3] 613 613
Rapp. Compress. [-] 4 – 16 4 – 16
RPM 900 600
Anticipo accensione 19° – 26° 13°
Temp. acqua [°C] 100 100
Temp. aria alim. [°C] 149 Libera
Umidità aria alim. [g/kgaria] 3 - 7 3 – 7
Rapp. miscela Max. det. Max. det.
Misurazione della resistenza alla detonazione
Sensitività
Il metodo Motore è più severo di quello Ricerca (miscela riscaldata, anticipo di
accensione crescente con r)
NumeroOttano Motore (NOM) < Numero OttanoRicerca (NOR)
Si definisce:
Sensitività = NOR – NOM
che indica la tendenza di un combustibile a comportarsi in modo diverso
dalle miscele di riferimento al variare delle condizioni di funzionamento del
motore
Paraffinici
Aromatici S
Olefinici Sensitività funzione della composizione chimica
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Misurazione della resistenza alla detonazione
NO strada Il numero di Ottano misurato in condizioni stazionarie su motore CFR tiene
conto in modo imperfetto del comportamento del combustibili in condizioni di
esercizio reale
Procedure per la determinazione del numero di Ottano in condizioni reali (su
strada o bancoa rulli):Numerodi OttanoStrada
Correlazioniper legare il Numero di OttanoStrada a NOM e NOR:
NO strada = a NOR + b NOM + c
Correlazioniper tenere conto del comportamento in accelerata:
NO strada = a + b NOR + c ΔR(100°C)
ΔR(100°C) : differenza tra i NOR del combustibile e quello della frazione leggera
che distillaa 100°C
Misurazione della resistenza alla detonazione
Richiesta Ottanica
Richiesta Ottanica di un motore (motore+veicolo): numero di Ottano minimo del
carburanteper evitarela detonazione
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Proprietà dei combustibili
Accendibilità
Ritardo di accensione deve essere limitato nei motori ad accensione per
compressione
Se il ritardo di accensione è troppo lungo buona parte del combustibile viene
introdotto prima che l’accensione avvenga, con eccessive velocità di reazione e
picchi di pressionenon appena la combustione si avvia.
La tendenza del combustibile ad avere piccoli ritardi di accensione viene espressa
dall’accendibilità
L’accendibilità viene espressa tramite una misura, eseguita su un motorestandard, che ne confronta il comportamento con quello di una miscela di due
idrocarburidi riferimento.
Misurazione dell’ accendibilità
Combustibili di Riferimento
Combustibili di riferimento per
definire la scala con cui misurare
l’accendibilità:
cetano: catena lunga e dritta,
numerosi punti di attacco per
l’ossidazione NC = 100
eptametilnonano: resistente
all’ossidazioneNO = 15
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Misurazione dell’ accendibilità
Numero di Cetano
Il Numero di Cetano si definisce in base alla composizione della miscela di
normal-esadecano e epta-metil-nonano, il cui ritardo di accensione risulta
equivalente a quello del gasolio in esame, quando il confronto è eseguito su di
un motore CFR Diesel normalizzato, secondo una metodologiacodificata.
Il numero di Cetano del combustibile in prova sarà dato da:
NC = n-esadecano [%] + 0.15 epta-metil-nonano [%]
Misurazione dell’accendibilità
Motore CFR
Alesaggio [mm] 82,6
Corsa [mm] 114,3
Cilindrata [cm3] 613
Rapp. Compressione [-] 8 –24
Regime [g/min] 900
Anticipo Iniezione 13°
Pressione d’iniezione [MPa] 10,3
Temp. acqua [°C] 100
Temp. aria alim. [°C] 65,6
Le caratteristiche del monocilindro di prova e le sue condizioni di
funzionamentosono stabilite dalla norma ASTM – D 61365
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Misurazione dell’accendibilità
Metodologia di misurazione
1. Con il combustibile in esame, variare r fino a portare l’accensione al PMS (con un
ritardo di 13° dall’iniezione)
2. Trovare due miscele di riferimento che accendano per r leggermente superiore e
inferiore a quello in prova (ΔNC<5)
3. Trovare NC del combustibile in prova per interpolazione.
Misurazione dell’accendibilità
Indice Diesel
L’indice Diesel cerca di prevedere l’accendibilità del gasolio in funzione della
percentuale di idrocarburi normalparaffinici presenti.
La percentuale di idrocarburi normal-paraffinici è individuata da due
proprietà semplici e facilmente misurabili:
punto di anilina: la più bassa T [°F] per cui un volume di gasolio ècompletamente miscibile in un ugual volume di anilina (misura del contenuto
di composti paraffinici)
densità, espressa in gradi API (American Petroleum Institute):
Densità API = 141.5/ρrel – 131.5
Indice Diesel = densità API x Punto di Anilina[°F] / 100
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Misurazione dell’accendibilità
Indice Diesel
Corrispondenza dei valori di Indice
Diesel e di Numero di Cetano
Valida per solo per gasoli di tipo
paraffinico ottenuti per distillazione
Proprietà dei combustibili
Volatilità La volatilità può essere calcolata a
partire da:
• curva di distillazione
• tensione di vapore
Nei motori Diesel influenza
l’evoluzione dello spray in camera
Nei motori Otto permette la
miscelazione del combustibile conl’aria
Viene data come frazione distillata a
diverse temperature
Es: benzina senza piombo AGIP
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Proprietà dei combustibili
Viscosità
Proprietà importante per un gasolio:
parametro fisico che influenza il processo di rottura e polverizzazione del getto
di combustibile all’uscita dell’iniettore
garantisce la lubrificazione e la tenuta degli accoppiamenti meccanici
dell’apparato di iniezione
influenza la potenza assorbita dalle pompe di circolazione e iniezione del gasolio
Proprietà dei combustibili
Filtrabilità
Proprietà che misura la tendenza di un gasolio a separare cristalli di paraffina a
bassa temperatura,provocando l’otturazione dei filtri.
E’ misurata da due indici:
punto di intorbidimento: temperatura alla quale, durante il raffreddamento
di un campione di gasolio, cominciano ad apparire cristalli di paraffina
dispersi nella fase liquida.
punto di scorrimento: temperatura alla quale il gasolio riprende a scorrere,
dopo essere stato portato a una temperatura sufficientemente bassa da
bloccare lo scorrimentodelle molecole.
A volte viene indicato il CFPP (Cold Filter Plugging Point): temperaturache provoca
l’otturazione di un filtro standard
Esempio: gasolio per auto AGIP (dati 2004)
• CFPP gasolio estivo: 0 °C
• CFPP gasolio invernale: -10°C
• CFPP gasolio alpino: -20°C
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Proprietà dei combustibili
Tenore di gomme
Proprietà che misura la tendenza di una benzina a lasciare depositi non
volatili(gomme) durante la sua evaporazione.
Le gomme sono il risultato di ossidazione di composti olefinici presenti nella
benzina.
Si accumulano nei punti del sistema di aspirazione dove la vaporizzazione è
più forte: punti caldi del condotto, stelo e fungo della valvola, getti del
carburatore.
Problemi funzionamento:incrostazioni, punti caldi,assorbimentodi HC
Proprietà dei combustibili
Tenore di zolfo
Il petrolio grezzocontieneun tenore di zolfo variabile con la sua origine.
Nei distillati il tenore di zolfo aumenta con il peso molecolare medio della sua
frazione: si passa da 0.1% per le benzine a 4% nelle frazioni più pesanti.
Durante il processo di combustione lo zolfo si trasforma in anidride solforosa,
che provoca:• inquinamento dell’ambiente
• formazionedi depositiin camera di combustione
• avvelenamentodei catalizzatori
• corrosione
Il contenuto di zolfo nei prodotti finali è regolato dalle direttive europee
< 10 mg/kg
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Combustibili alternativi
Combustibili gassosi
• Gas naturale
• Idrogeno
• GPL
Biocombustibili
• Etanolo• Biodiesel
Combustibili gassosi: effetti sulle prestazioni
+⋅+
=
476.41
1
mn
X fuel
( )22222
476.3
276.3
4 N mnO H
mnCO N O
mn H C
mn
+++⇒+
++
air air fuel fuel
fuel fuel
air fuel
fuel
fuel MM X MM X
MM X
mm
mY
⋅+⋅
⋅=
+=
air air fuel fuelmix MM X MM X MM ⋅+⋅=
Fraz. molare combustibile
Massa molecolare miscela
Fraz. massica combustibile
IVC
mix
IVC IVC IVC
T MM
R
V Pm
⋅=
fuelisair IVC comb H Y m E ,⋅⋅⋅= α
Massa aspirata (iniez.
indiretta)
Energia disponibile
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benzina(iso-ottano)
Metano Idrogeno
Composizione 8 C - 18 H 1 C - 4 H 0 C - 2 H
Fraz molare combustibile 1.7% 9.5% 29.6%
Fraz molare aria 98.3% 90.5% 70.4%
Fraz massica combustibile 6% 5% 3%
Fraz massica aria 94% 95% 97%
A/F stechiometrico 15.1 17.2 34.5
Massa di miscela aspirata [mg] 609 556 421
Aria aspirata [mg] 571 526 409
Massa di combustibile IVC [mg] 38 30 12
Pot. calorifico inferiore [kJ/kg] 42500 38100 120000
Energia disponibile [J] 1606 1165 1424
Confronto con motore a benzina 100% 72% 89%
Combustibili gassosi: effetti sulle prestazioni
Possibilità di usare miscele
molto magre
Resistenza alla detonazione
Bassa temperatura
(minori NOx)
Minore riempimento
Gas naturale: proprietà
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Esempio di composizione di GN [% vol]
• Metano 88.33
• Etano 6.3
• Propano 1.38
• Iso-butano 0.19
• Iso-pentano 0.05
• Esano e IC superiori 0.04
• Azoto 2.35
• CO2 1.32
• Elio 0.04
Proprietà medie
• αst [-] 15.86
• Hi [MJ/kg] 46.2
• H/C 3.81
Gas naturale: composizione
Veicoli leggeri (automobili)
• Status: comunemente considerati veicoli “poveri”, poco brillanti
• Target: equivalenza con veicoli a benzina, mantenendo buone qualità
ambientali
Veicoli pesanti (autocarri, autobus)
• Status: motori originali Diesel modificati: potenza di targa limitata da carichi
termici
• Target: equivalenza con veicoli Diesel, mantenendo buone qualità ambientali
Motori a gas naturale: caratteristiche
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Motori a gas naturale: prestazioni
Motori a gas naturale: caratteristiche costruttive
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1) Da gas naturale
Steam Reforming
Ossidazione parziale
Autothermal Reforming
CH 4 + H 2 O + Q CO + 3H 2
CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Q
CH 4 + ½ O 2 CO + 2 H 2 + Q
CO + H 2 O CO 2 + H 2 + Q
C(s) + H 2 O + Q CO + H 2
Catodo:K + + e - K
K + H 2 O K + + H + OH
H + H H 2
Anodo:OH - OH + e –
OH ½ H 2 0 + ½ O
O + O O 2
2) Da carbone:
3) Da acqua (elettrolisi):
Produzione dell’idrogeno
Main properties
Idrogeno: proprietà
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Motori ad idrogeno: caratteristiche
Richieste modifiche a:
• Candela
• Iniettori• Sedi valvola e iniettori
• Rapporto di compressione
• Moti della carica
• Punti caldi
• Fasce elastiche
Grande capacità antidetonante:
• Possibilità di aumentare il rapporto di
compressione
L’idrogeno è molto reattivo:
• Grande campo d’infiammabilità
• Bassa energia d’attivazione
Tendenza a forme anomale di
combustione:
• Preaccensione
• Flashback
Punti caldi del motore:
• Elettrodo
• Valvole
• Spigoli acuti
• Depositi
Motori ad idrogeno: riempimento
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Motori ad idrogeno: coppia
• Combustibile derivante da materiali naturali di origine recente (contrapposto ai
combustibili fossili)
• Forma rinnovabile di energia, che deriva dalla conversione di energia solare in
biomassa, tramite fotosintesi
• Bilancio CO2 favorevole rispetto ai combustibili fossili, grazie alla fotosintesi
• Minori emissioni
• Disponibilità geografica maggiore• Prima generazione: derivati da coltivazioni alimentari (mais, canna da zucchero, soia,
colza, ecc...)
• Seconda generazione: derivati da scarti (cellulosa) o colture dedicate
Biocombustibili
Principali biocombustibili per motori a C.I.
• [Bio]-etanolo
• [Bio]-Diesel
• [Bio]-gas
• [Bio]-idrogeno
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Biomassa
Syn-oil Syn-gas Altri prodotti
BioetanoloBiodiesel
trattamento
Conversione termochimicaConversione biochimica
PirolisiGassificazione
Liquefazione
Biocombustibili: produzione
• Sostanza pura: una sola temperatura di transizione di fase (90 °C)
• La benzina, invece, ha un’ampio range di evaporazione essendo una
miscela di più componenti.
• Spesso, quindi, l’etanolo è usato in miscela con la benzina per
aumentarne la volatilità
• Le miscele più usate sono: E10 (10% etanolo)
E85 (85% etanolo) usato soprattutto per autovetture
E100 (100% etanolo)
AGE-85 (85% etanolo)
Etanolo: introduzione
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Property EtanoloBenzina
E85(NO = 87)
Formula C2H5OH Da 4 a 12 C *
Composizione 52 C, 13 H, 35 O 85-88 C, 12-15 H 57 C, 13 H, 30 O
NO 98-100 86-94 96
Hi, [kcal/kg] 12133 19500 13190
Litri equivalenti1,5 1 1,4
(rispetto alla benzina)
Dimensione serbatoio(stessa autonomia benzina)
+1,5 1 +1,4
Tensione di vapore [Pa] 15858 34473-103421 41368-82736
Temperatura critica [C] 454 257 *
Avviamento a freddo Cattivo Buono Cattivo
A/F stechiometrico 9 14,7 10
Etanolo: proprietà
Etanolo: consumi
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• Temperatura della carica fresca:
( )vhambamb IVC T T T T T T −+=∆+=
• T h : aumento di T per scambio
termico con le pareti
• T v : diminuzione di T per
evaporazione del combustibile
• Rispetto alla benzina, l ’etanolo ha
maggior calore latente di
vaporizzazione (minore Tv) e
maggior capacità termica(maggiore Th).
• Fino ad una miscela in rapporto
20% prevale l’effetto
dell’evaporazione
Etanolo: effetti sul riempimento
Etanolo: emissioni
CO HC
Minori emissioni di incombusti (CO e HC) per la maggior frazione molare di ossigeno
nell’etanolo
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Introduction
• Biodiesel: combustibile alternativo derivatoda olii vegetali
• Composizione: esteri metilici degli acidi grassi
• Proprietà molto simili a quelle del combustibile Diesel tradizionale
Biodiesel: introduzione
Il processo di conversione degli olii in combustibile è detto trans-esterificazione
TrattamentoProduzione BiodieselRecupero del
glicerolo
• raccolta semi
• pulitura
• estrazione dell’olio
• filtrazione, ecc...
• De-gommaggio
• de-acidificazione
• Trans-esterificazione
• Purificazione
• Separazione del glicerolo
• Recupero del metanolo
• distillazione
• purificazione
Olio crudo Olio neutro Biodiesel Glicerolo
Olio + metanolo + catalizzatore → biodiesel + glicerolo
Biodiesel: produzione
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Biodiesel: proprietà
Biodiesel applied to different engines:
• B100 : 100% biodiesel
• B20 : 20% biodiesel, 80% diesel fuel
Motori funzionanti a biodiesel
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Nessuna modifica ai motori è richiesta se il biodiesel è usato in
miscele fino a 20-30%. Lievi modifiche per usare biodiesel puro
Maggiori problemi riscontrati
• Compatibilità e durata dei materiali (corrosione)
• Problemi agli iniettori
• Prestazioni
• Avviamento a freddo
• Consumi
Motori funzionanti a biodiesel
T o r q u e [ N m ]
Air fuel index excess λ
Motori funzionanti a biodiesel: prestazioni
B S F C [ g / k W h ]
Air fuel index excess λ
Confronto fra:
• • Biodiesel da colza
• + Biodiesel da olii alimentari
• Diesel tradizionale
Il biodiesel ha minore potere calorifico:
• Maggiori consumi per ottenere le stesse prestazioni
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% biodiesel % biodiesel
Motori funzionanti a biodiesel: emissioni
% biodiesel
• Aumento della temperatura di
fiamma
• Aumento di NC
• Maggiore tenore di ossigeno
Motori funzionanti a biodiesel: emissioni
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Motori funzionanti a biodiesel: emissioni