Riassunto analitico
Questo elaborato presenta il processo di sviluppo di un motore a ciclo Otto heavy-duty, basato su un longblock CNG 6 cilindri 9 litri, alimentato con solo etanolo (senza l'utilizzo di alcun additivo). Il motore sarà utilizzato come prototipo per un gruppo elettrogeno in stazioni di ricarica off-grid per veicoli elettrici. Lo sviluppo si è basato su un motore CNG, pertanto sono stati realizzati tutti i test a banco necessari per supportare le modifiche richieste dal carburante etanolo.
Durante la selezione del motore iniziale si è optato per un motore con potenza tale da potere raggiungere circa 230 KW a 1500 e 1800 giri/min per fornire frequenze di 50 e 60 Hz. Il sistema di iniezione carburante del primo prototipo è di tipo single-point e utilizza dodici iniettori. Questi iniettori sono stati scelti sul mercato di ricambi automobilistici per ridurre le tempistiche di sviluppo. A causa della forma della testata iniziale non è stato possibile posizionare gli iniettori vicino alle valvole di aspirazione. Questo è stato un ulteriore motivo che ha portato ad implementare un sistema single-point. Il problema principale di un sistema tale è l'avviamento, ragione per cui è stata data grande importanza al processo di vaporizzazione del carburante per garantire un corretto processo di combustione. Il sistema progettato è composto da componenti riscaldati, candelette e una griglia di riscaldamento per l’aria in ingresso, per facilitare appunto la fase di avviamento e riscaldamento. Una volta che il motore è caldo, l'etanolo e l'aria comburente vengono riscaldati dal motore stesso. Per accelerare il processo di sviluppo, sono stati adottati iniettori Bosch per autovetture flex fuel brasiliane. La portata di questi iniettori è stata misurata sperimentalmente e dopo alcuni calcoli sono risultati necessari due iniettori per cilindro (per un totale di dodici).
I primi test condotti sul primo prototipo hanno confermato il funzionamento del sistema, ma la gestione della strategia del calore per l'avviamento non è ancora completa. Ulteriori test sono in corso e proseguiranno per i prossimi mesi. Nel frattempo è iniziata anche la progettazione di un secondo prototipo. Grazie ai dati rilevanti raccolti durante i test condotti sul primo prototipo, il secondo prototipo sarà dotato di una versione avanzata del precedente sistema SPI, al fine di migliorare il processo di vaporizzazione del carburante. Anche il rapporto di compressione (12:1) non è definitivo e necessita di ulteriori test. Al momento si possono raggiungere circa 130kW dei 230kW richiesti per problemi di detonazione. Tutte le simulazioni, calcoli ed esperimenti hanno dimostrato che il processo è tecnicamente fattibile. Il passo successivo sarà una migliore caratterizzazione della procedura di avviamento e run-up, infine la definizione della combustione a pieno carico.
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Abstract
This work presents the characterization of a heavy-duty Otto cycle engine, developed based on a 9 liter 6 cylinder CNG longblock, prepared to run only on ethanol without additives as a prototype generator set in charging stations for EVs. The base engine was designed to use CNG as fuel, therefore all the necessary bench tests were realized to support the required modifications in the engine to operate with ethanol. The generator set consists of the following main components mounted in a frame: piston engine, generator, control panel, fuel tank, fuel pump and cooling system.
As a premise for engine selection was considered: development cost, time and market potential niche. After these requirements, the selected engine to use, as a generator set using ethanol, was one that operate with CNG. It was opted for an engine in the power range that could reach approximately 230 KW at 1500 and 1800 RPM, once this rotational speed may provide frequency of 50 or 60 Hz when coupled to the generator. The cylinder head geometry allows the use of spark plugs and ignition coils. The fuel injection system of the first prototype is single-point type and uses twelve injectors. These injectors are already existing in the automotive market for small engines. Therefore the development time can be significantly reduced. In the existing cylinder head construction, the placement of six injectors close to the intake valves was not possible. This was another reason for the decision of implementing a Single-Point Injection system. The challenging problem for a single point ethanol fuel system is the engine start. For ethanol engines it is of fundamental importance to guarantee the necessary heat of vaporization, to allow the combustion process during the start phase. The system is composed of heated elements, glow plugs and a grid heater for the intake air for the start and warm-up phase. Once the engine is warm, the ethanol and the combustion air are heated by the thermic waste of the engine. To accelerate the development process, existing Bosch passenger car injectors (for Brazilian flex fuel vehicles) were adopted. The flow capacity of these injectors was experimentally measured and after calculations, it turned out that two injectors per cylinder (for a total of twelve) were needed.
The first tests confirmed the system works, but the handling of the heat strategy for the engine start is still subject of improvements. Other tests are being conducted on the first protype and will continue for the next months. In the meanwhile, the designing of a second prototype has started. Thanks to relevant data collected during the tests conducted on the first prototype, the second prototype will be equipped with an advanced version of the previous SPI system, in order to improve the evaporation process. Also the compression ratio (12:1) is not yet definitive and needs further testing. About 130kW of 230kW requested can be reached at the moment due to knocking problems. All simulations, calculations and experiments showed that the process should be technically feasible. The next step will be a better characterization of the start and run-up procedure and the definition of the full load combustion.
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