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Combustibile espresso in BTU o in MJ

Andremo ad analizzare:

  • Btu e il suo significato.
  • La qualità del combustibile, contaminazioni e tracce di altri composti.
  • AFR (air fuel ratio).

Le Unita Termiche Anglossasoni (Btu) e i Mega Joule sono unita di misura dell’energia contenuta in un combustibile per unità volume. Un combustibile gassoso contenuto all’interno di un piede cubo conterrà 900 Btu/ft3 di energia, mentre nel sistema metrico un metrocubo conterrà 26,9 Mega Joule di energia o 26,9 MJ/M3. Al variare dei btu (a parità di condizioni) varierà il valore energetico del combustibile, determinando una miscela più ricca o più magra in camera di combustione.

Tracce di gas e le loro reazioni

TIPO DI GAS TIPOLOGIA DI COBUSTIBILE RISPOSTA
IDROGENO TUTTI COBUSTIONE NON REGOLARE
IDROCARBURI TUTTI PROMUOVONO LA DETONAZIONE
ALGOENI/ALOGENURI COMBUSTIBILI LIQUIDI CORROSIONE
ZOLFO E AGGREGATI TUTTI CORROSIONE
SILOXANI COMBUSTIBILI LIQUIDI, GAS DA DISCARICA E DI POZZO DEPOSITI

Tabella delle reazioni dei gas.

Altre tracce gassose nei combustibili possono essere trovate soventemente e comportano:

  • IDROGENO: una combustione non regolare che interferisce con la regolarità della fiamma in camera di combustione
  • IDROCARBURI LIQUIDI (HC): promuovono la detonazione anche con posca resistenza, hanno un potere calorifico molto basso.
  • ALOGENI E ALOGENURI ORGANICI: i composti contengono cloro, fluorina ecc. sono conosciuti per causare gravi corrosioni in pochissime ore di moto se non ridotti nei limiti accettabili. Nella camera di combustione l’acqua e l’ossigeno reagiscono con gli alogeni per formare acidi, quali acidi idrici e fluoridrici, per poi trovare la loro presenza nell’olio lubrificante.

Corrosione solforica

corrosione solforica

Corrosione dei cuscinetti bi o tri metallici operata dall’acido solforico

  • Limite per i composti componenti zolfo: 1000PPM (0,1%)
  • Verifica le tue analisi dell’olio.
  • Verifica i metalli “gialli” del motore.

Generalmente tutto ciò che è presente nel carburante si ritroverà nell’olio motore. I composti che contengo zolfo (H2s ecce cc), spesso trovabili nei processi di digestione anaerobica causeranno corrosione e andranno rimosi. Molti costruttori di motori limitano allo 0,1% il limite tollerabile dei composti di zolfo. Lo zolfo (SO2) presente nel carburante passerà attraverso le fasce elastiche e andrà a legarsi con l’olio motore, mentre l’acido solforico (H2sO4) si formerà all’interno dell’incastellatura dove è presente la condensa. L’annerimento dei materiali di rivestimento dei cuscinetti sarà la risultante della presenza dell’acido solforico.

I silossani

silossani

Effetti della silice sulla precamera

I composti dei silossani sono spesso presenti nel gas da discarca, nel gas da digestione anaerobica come depuratori acque nere, nel biogas prodotto nelle fattorie e recentemente trovato in alcuni gas di condotta.

I silossani provengono nella maggior parte dei casi dalle produzioni artificiali umane. Sono miscelati a lubrificanti, inchiostri, lucidanti, prodotti per la cura personale ecc ecc . Le saponette utilizzate per riattivare il pozzo gasiero, sono la fonte di silossani nel carburante estratto dalla testa del pozzo.

I silossani sono composti da silicio, ossigeno, e composti del metano. I composti dei silossani sono convertiti in gas dal processo di digestione anaerobica, il quale potrebbe formare depositi di colore bianco o grigio nella camera di combustione del motore a Ciclo Otto o Miller, avranno un aspetto soffice e polveroso, oppure avranno un aspetto ceramico lucido. Soventemente potranno essere anche confusi con i residui delle ceneri dell’olio prodotte durante il ciclo di scoppio del cilindro, potranno anche essere trovati come rivestimento sulla cella del catalizzatore e i sensori di ossigeno.

La fotografica sopra dettagliata mostra un deposito di silossani che hanno impaccato le precamere dell’ingresso del combustibile in camera di combustione. L’analisi dell’olio riportava più di 400PPM di silice, fu erroneamente contrassegnato come sporco che era entrato nel filtro dell’aria.

Il trattamento della pulizia del gas richiede di portare il limite entro i 25µg/l onde evitare problemi di funzionalità della macchina.

lista dei contaminatori

Lista dei contaminatori

Migliore economia per il motore

Per il carburante a gas naturale, i rapporti aria-carburante di interesse principale ricadono in due intervalli generali, stechiometrico (da 15,5:1 a 18,0:1 AFR) e combustione magra (da 24,5:1 a 32:1). La ragione per cui esistono motori a combustione magra è che le emissioni di scarico sono inferiori e il risparmio di carburante è aumentato. I termini “migliore potenza” e “migliore economia” sono utilizzati solo con motore stechiometrico (non a combustione magra).

Non tutti i motori a combustione magra funzionano con lo stesso AFR. Alcuni funzionano con più di AFR, a seconda del tipo di carburante, della costruzione del motore e dei requisiti di emissione. Ci si può anche aspettare che un motore con un AFR più magro raggiunga il minor consumo di carburante e abbia minor inquinamento presente nei gas di scarico.

Diagramma di correlazione delle emissioni rispetto al rapporto aria / carburante

Diagramma di correlazione delle emissioni rispetto al rapporto aria / carburante

Il grafico mostra cosa accade agli inquinanti quando il rapporto aria/ carburante (AFR) cambia avvicinandosi al un rapporto stecchiometrico. Più arrichiremo la miscela, più le aliquote di monossido di carbonio (CO) e d’idrocarburi (HC) aumenteranno significativamente. Più impoveriremo la miscela, più l’ammontare dell’aliquota NOx aumenterà fino a quando la temperatura della combustione sarà sufficemente ridotta e inizierà a ridurre il livello della produzione degli ossidi di azoto.

Emissioni a miscela povera sull’anticipo motore

Il grafico illustra un aumento degli NOx quando andremo ad anticipare il punto di accensione. Aumentando l’anticipo andremo a creare un tempo di reazione tra ossigeno/nitrogeno più lungo ed un picco pressorio/temperatura maggiore nei cilindri. I due gas di scarico aumenteranno entrambe perché l’ossigeno verrà utilizzato per produrre gli NOx e sarà meno presente l’aliquota disponibile per produrre l’anidride carbonica (CO2).

Finestra operativa delle emissioni con miscela povera rispetto all’angolo di accensione

Finestra operativa delle emissioni con miscela povera rispetto all’angolo di accensione

La regolazione con miscela povera non tollera molto grandi scostamenti tra l’angolo di accensione e il rapporto aria/carburante (AFR). Tutte le variazioni dai parametri “normali” potrebbe avere effetto sul livello di emissione nei gas di scarico, ma non meno importanti danni strutturali causati dalla detonazioni anche prevalenti.

Per un motore operante a miscela povera è importante per una lunga funzione lavorativa rimanere nei parametri di collaudo/funzionamento previsti dal costruttore.

Le emissioni in ATM rispetto al rapporto aria/ carburante

Le emissioni in ATM rispetto al rapporto aria/ carburante

Il grafico sopra riportato mostra i livelli di gas inquinanti sul rapporto stechiometrico/una poverissima miscela. Tanto più si regola il rapporto aria/carburante (AFR) in modalità povera dal punto stechiometrico tanto più bassa sarà la temperatura di combustione. Nei motori a miscela povera, anche in presenza di molto ossigeno, il calore non sarà sufficiente per produrre un alto livello di NOx, motivo perché la loro produzione rimarrà molto bassa.

Potere calorifico su sistema anglosassone dei combustibili (BTU)

Propano 2.316
Gas di Pozzo 1.000 – 1.200
Gas Naturale 900 – 950
Gas da digestione anaerobica 500 -550
Gas da discarica 450 – 550
Alessandro Perucca

Alessandro Perucca

Titolare e Fondatore della Energy Solution srl di Recco, Motori a Gas, Ricambi e Servizi per l'Industria Energetica.