Progetto Europeo AIR-BOX AUTOMOTIVE 2014

AIR-BOX (gruppo filtro aria perfezionato) per motori EURO 6

APPARATO AIR-BOX
per la riduzione dei NOx e del CO2
e per l’incremento delle prestazioni del motore
mediante l’abbassamento della temperatura e dell’umidità dell’aria
da immettere nella camera di combustione del motore

Studio di ricerca e di tecnologia meccanica riguardante AIR-BOX AUTOMOTIVE indirizzato per tutti i veicoli dotati di motore a combustione interna

airbox

  

Premessa

E’ noto che la potenza erogabile da un motore a combustione interna è influenzata, in modo significativo, dai fattori ambientali quali la pressione, la temperatura e l’umidità dell’aria, in quanto ne modificano il coefficiente di riempimento.

airbox2

FIAT 500 L
Motore 1.4 16v Benzina
EURO 6
Potenza max 95 cv a 6000 rpm
Coppia max 127Nm a 4500 rpm

 

 

 

 

Ripresa 40 – 100 Km/h (in IV marcia)

airbox3

Nel riquadro qui sopra riportato si possono chiaramente notare le diverse prestazioni rilevate in base alle variazioni delle percentuali di umidità e delle temperature dell’aria destinata alla camera di combustione.
Le centraline elettroniche dei nuovi motori EURO 6 elaborano molteplici dati risultanti dalla combustione del motore termico e ne modificano in modo significativo il rapporto stechiometrico (aria / combustibile) variando la mappatura del motore al fine di limitare le emissioni inquinanti (NOx - CO2) con un conseguente calo delle prestazioni del motore stesso.
Pertanto diventa rilevante, al fine di poter ottenere le migliori performance per un motore a combustione interna, poter disporre di miscele ricche di ossigeno aventi basse temperature e con altrettante basse percentuali di umidità dell’aria da destinare alla camera di combustione al fine di limitare le emissioni inquinanti.
In mancanza delle ideali condizioni ambientali è possibile modificare i parametri temperatura e umidità dell’aria con un apposito apparato AIR-BOX in grado di creare un ambiente per ottimizzare il comburente destinato alla combustione.

 

Studio e obiettivo della ricerca

Nell'ambito dei programmi formativi e dei progetti europei della Fondazione OSF si è affrontato lo studio delle emissioni inquinanti (in particolar modo dei NOx e del CO2) oltre che al rendimento termico dei motori a combustione interna, utilizzati nei vari settori dell'automotive.
In questi ultimi anni nella ricerca di abbattere i consumi e di migliorare le prestazioni sono stati modificati i rapporti stechiometrici (utilizzando miscele “magre”) e i valori della compressione dei cilindri (mediante turbine di nuova generazione) al fine di ridurre i consumi e migliorare le prestazioni.
L’utilizzo di miscele “magre” e le maggiori compressioni nella camera di combustione hanno determinato un inevitabile innalzamento della temperatura dei gas nei cilindri generando in particolar modo i nocivi ossidi di azoto NOx.
Le sempre più severe normative sull’inquinamento hanno determinato (nei motori turbo compressi) l’introduzione del circuito (EGR) di ricircolo dei gas di scarico in modo tale da abbattere l’emissioni degli ossidi di azoto (NOx).
Infatti gli ossidi di azoto (NOx) si formano quando avviene un elevata temperatura nella camera di combustione (generalmente oltre i 1200 gradi C°) e l’introduzione nel ciclo di combustione di una parte del flusso dei gas di scarico (5 ÷ 15 % di tali gas combusti) permette di abbassare la temperatura con la conseguente diminuzione degli ossidi di azoto (NOx) prodotti.
In questa fase però le prestazioni del motore diminuiscono in quanto viene generalmente ridotto anche il flusso di carburante in modo proporzionale alla percentuale dei gas di scarico reintrodotti nel ciclo di combustione.

 

NOx e CO2

In generale i motori a combustione interna producono principalmente monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2), ossidi di azoto (monossido NO e biossido NO2, globalmente indicati come NOx), oltre agli idrocarburi derivanti dalla parziale combustione del combustibile (genericamente indicati come HC).

Esaminando i principali prodotti inquinanti emessi da un motore a combustione interna durante il suo funzionamento troviamo:

 

Prodotto
inquinante

Aumenta Diminuisce
CO2

Con miscele “grasse”
La quantità di CO2 aumenta
rapidamente all’arricchirsi della
miscela.

Con miscele “magre”
che si ottiene con l’aumento della densità dell’aria
presente nella miscela
Lo smagrimento della carburazione porta però un
inevitabile innalzamento della temperatura della
combustione (con il conseguente aumento dei NOx)

NOx

Con miscele “magre” le quali portano
ad un inevitabile innalzamento della
temperatura di combustione (oltre i
1200 gradi C°)
Con il surriscaldamento del motore
dovuto ad elevate temperature di
esercizio come ad esempio viaggiare
con giri motore sostenuti e/o con
accelerazioni decise oltre che ad
elevate temperature ambientali che
non permettono il regolare
raffreddamento del motore stesso.

Con miscele “grasse”
Con la temporanea diminuzione della potenza
massima del motore
Nei motori turbo compressi con il ricircolo dei gas
combusti nei condotti di aspirazione, miscelando il 5
÷ 15 % di tali gas combusti (prelevati dai condotti di
scarico) alla miscela introdotta nella camera di
combustione (tramite EGR). Chiaramente il ricircolo
viene escluso e/o limitato quando non necessario;
ad esempio quando la camera di combustione non
raggiunge elevate temperature di esercizio:
utilizzando per esempio miscele (aria /
combustibile) nel complesso fredde che permettono
minori temperature di combustione.

Come sopra evidenziato si può notare il compromesso che si deve sottostare per ottenere un sostanziale abbassamento delle emissioni inquinanti tra CO2 e NOx.

Infatti se aumentiamo la densità dell’aria (miscele “magre”) otteniamo minor CO2 però ci sarà il conseguente aumento dei NOx per via dell’innalzamento della temperatura di combustione del motore, a meno che non si intervenga modificando il parametro della densità e della temperatura della miscela aria/combustibile come di seguito evidenziato.

 

Test-drive e Telemetria – su motori EURO 6

Motore / Veicolo Test-drive Telemetria

FIAT 500 L
Motore 1.4 16v Benzina
Euro 6
Potenza max 95 cv a 6000 rpm
Coppia max 127Nm a 4500 rpm
Questo motore è caratterizzato da
un rendimento volumetrico
particolarmente elevato in tutto
l’arco di funzionamento

accelerazione
40-100
Km/h
in IV marcia
con partenza da 1500 rpm
che corrispondono a circa
36 Km/h
e poi rilevazione dati dagli
effettivi 40 km/h
Test-Drive:
- con motore caldo
- con motore surriscaldato

Telemetria GPS
STARLANE DigiRace-MMX Athon XS/SP

Grafico relativo al test-drive
con Umidità 39% e Temp. aria 29 C°

airbox4

 

Emissioni inquinanti e prestazioni del motore

Test-drive accelerazione in IV marcia (40-100 Km/h)
FIAT 500 L
Motore 1.4 16v Benzina 95cv EURO 6
Temperatura acqua 90°

Aria


Accelerazione
40-100 Km/h


Accelerazione
40-100 Km/h

Note (riferite alla 2° accelerazione)

Temp.
34 C°

Umidità 54%

19,21 sec.

20,69 sec.
Emissioni
inquinanti
consistenti

L’elevata temperatura dell’aria destinata al motore fa
aumentare inevitabilmente la temperatura di combustione,
a questo punto la centralina elettronica modifica la mappatura del motore al fine di poter limitare le emissioni
inquinanti (rilevate anche nel catalizzatore). La modifica dei parametri della mappatura della miscela aria / combustibile determina un inevitabile calo di prestazioni.

Temp.
27 C°
Umidità 81%

20,40 sec. 20,30 sec.

Emissioni
inquinanti
medie

il motore riscaldandosi ulteriormente raggiunge un miglior rendimento permettendo di evaporare al meglio l’umidità presente nell’aria.

Questo fattore migliorativo si noterà in tutti i TEST-DRIVE
ove è presente un elevata % di umidità nell’aria

Temp.
10 C°
Umidità 75%

 
18,20 sec.  

17,90 sec.
Emissioni
inquinanti
moderate
accelerazione
regolare e
VELOCE

la bassa temperatura dell’aria permette un elevata densità di ossigeno con un notevole miglioramento delle prestazioni. Inoltre, vista la bassa temperatura, il motore potendosi meglio riscaldare raggiunge un miglior rendimento,permettendo di evaporare al meglio l’umidità presente nell’aria, ottenendo una migliore accelerazione Questo si noterà anche nei dati test in seguito riportati
Differenze  2,20 sec.  2,79 sec.  

 

Nel riquadro sopra riportato si nota chiaramente come la temperatura e l’umidità dell’aria determinano in modo rilevante le prestazioni del motore. Inoltre effettuando di seguito un secondo immediato test di accelerazione si può anche qui chiaramente notare come il surriscaldarsi del motore determina una variazione delle performance del motore stesso.

Non è sufficiente avere solo una bassa temperatura ma è necessaria anche una bassa % di umidità nell’aria per ottenere il massimo del rendimento per un motore a combustione interna. 
Inoltre destinando al motore aria fresca è possibile modificare il rapporto stechiometrico della miscela aria/combustibile potendo ottenere miscele “magre” con minori consumi senza peggiorare le emissioni inquinanti.

Con il surriscaldamento del motore (a temperature estive e primaverili) si possono notare i “buchi di erogazione” (evidenziati con le frecce rosse) determinati dalla centralina la quale modifica la mappatura del motore al fine di limitare le emissioni inquinanti. In questa critica fase le prestazioni diminuiscono anche in modo consistente con un evidente minor rendimento del motore termico.

Aria


Accelerazione
40-100 Km/h


Accelerazione
40-100 Km/h

Note

Temp.
34 C°
Umidità 54%

19,21 sec

20,69 sec.
Emissioni
inquinanti
consistenti
elevata
temperatura nella
camera di
combustione

Con le frecce rosse si notano i “buchi di erogazione” determinati dalla centralina che modifica la mappatura del motore per limitare le emissioni inquinanti determinando un consistente calo delle prestazioni

airbox5

Temp. 23 C°
Umidità 63%

19,31 sec.

19,10 sec.
Emissioni
inquinanti
moderate
Il surriscaldamento
del motore
permette di
evaporare al
meglio l’umidità
presente nell’aria
realizzando un
minor tempo di
accelerazione

Con la freccia rossa si nota il “buco di erogazione” determinato dalla centralina che modifica la mappatura del motore per limitare le emissioni inquinanti

airbox6

Temp. 18 C°
Umidità 92%

20,00 sec.

19,90 sec.
Emissioni
inquinanti
ridotte
accelerazione
regolare
Il surriscaldamento
del motore
permette di
evaporare al
meglio l’umidità
presente nell’aria
realizzando un
minor tempo di
accelerazione

l’elevata % di umidità nell’aria determina purtroppo la diminuzione della densità di ossigeno la quale non permette di ottenere elevate prestazioni

airbox7

Temp. 10 C°
Umidità 75%

18,20 sec.

17,90 sec.
Emissioni
inquinanti
moderate
accelerazione
regolare e
RAPIDA
Il surriscaldamento
del motore
permette di
evaporare al
meglio l’umidità
presente nell’aria
realizzando un
minor tempo di
accelerazione

la bassa temperatura dell’aria permette un elevata densità di
ossigeno con un notevole miglioramento delle prestazioni
del motore

airbox8

 

Condizioni ambientali e Prestazioni motore

La potenza erogabile da un motore è influenzata, in modo significativo, dai fattori ambientali quali la pressione, la temperatura e l’umidità dell’aria, in quanto ne modificano il coefficiente di riempimento.
Infatti la massa d’aria che entra nei cilindri durante un ciclo varia in modo concorde alla densità dell’aria, la quale, a sua volta, aumenta la pressione, che, al contrario, diminuisce quando aumentano la temperatura e l’umidità.
In un motore aspirato, al diminuire della densità, diminuisce il coefficiente di riempimento e quindi il motore ha a disposizione meno ossigeno per la combustione, con la conseguenza che risulta minore la benzina che può essere bruciata, ottenendo nel complesso minori prestazioni.
Pertanto, al contrario, aumentando la densità dell’aria, mediante l’abbassamento della temperatura e la contemporanea diminuzione dell’umidità dell’aria stessa si può ottenere un incremento di potenza per i motori a combustione.
Al riguardo i tecnici della Fondazione OSF hanno effettuato molteplici test-drive in svariate condizioni ambientali e qui di seguito si riportano alcuni dati comparativi rilevati con telemetria GPS

FIAT 500 L
Motore 1.4 16v Benzina
Euro 6
Potenza max 95 cv a 6000 rpm
Coppia max 127Nm a 4500 rpm
Questo motore è caratterizzato da
un rendimento volumetrico
particolarmente elevato in tutto
l’arco di funzionamento

accelerazione
40-100
Km/h
in IV marcia
con partenza
da 1500 rpm che
corrispondono a circa
36 Km/h
e poi rilevazione dati
dagli effettivi 40 km/h

Telemetria GPS
STARLANE DigiRace-MMX Athon XS/SP
Grafico relativo al test-drive
con Umidità 39% e Temp. aria 29 C°

airbox9

Umidità aria 81%
Temperatura aria 27 C°

20,40 sec.

Umidità aria 92%
Temperatura aria 18 C°

20,00 sec.

Umidità aria 34%
Temperatura aria 36 C°

19,31 sec.

Umidità aria 63%
Temperatura aria 23 C°

19,31 sec.

Umidità aria 54%
Temperatura aria 34 C°

19,21 sec.

Umidità aria 39%
Temperatura aria 29 C°

18,40 sec.

Umidità aria 75%
Temperatura aria 10 C°

18,20 sec.

Si può notare che per ottenere buone prestazioni non è sufficiente poter disporre di una ridotta temperatura dell’aria ma anche di una bassa percentuale di umidità (v. umidità 39% e Temp 29 C°) La differenza rilevata è molto chiara. Oltre due secondi in meno che a 100 Km/h corrispondono a circa 65 metri di differenza (oltre mezzo campo di calcio) per raggiungere la stessa velocità.

Progettazione e Prototipazione

AIR-BOX
(gruppo filtro aria perfezionato)

 

airbox10

Gli studi per la riduzione delle emissioni inquinanti e per il miglioramento delle prestazioni del motore a combustione interna, come in precedenza evidenziati, si sono indirizzati per la progettazione e per la successiva prototipazione di un apposito apparato AIR-BOX che possa:
- ridurre la formazione delle emissioni inquinanti (NOx e CO2)
- e migliorare le prestazioni e le performance del motore
La soluzione è l’ottimizzazione del comburente mediante l’abbassamento della temperatura e dell’umidità dell’aria (in un apposito apparato AIR-BOX) che permette di ottenere miscele fresche e ricche di ossigeno per l’immissione nella camera di combustione del motore.
Inoltre sono stati progettati anche nuovi manicotti con intercapedine per il collegamento dell’apposito apparato AIR-BOX agli elementi dei motore. Questi particolari manicotti hanno lo scopo e la funzione (in base al tipo di motore aspirato/sovralimentato) di:

  • favorire il mantenimento della temperatura nel passaggio dell’aria fresca indirizzata al motore
  • raffreddare ulteriormente il circuito di ricircolo dei gas di scarico e la stessa valvola EGR per l’abbattimento dei Nox
  • raffreddare l’apparato di sovralimentazione turbo per limitare l’aumento della temperatura dell’aria durante la compressione.

Qui di seguito vengono illustrate (su uno dei motori banco prova diesel) alcune delle prime fasi della progettazione e alloggiamento prototipazione di un apposito apparato filtro AIR-BOX collegato all'mpianto del condizionatore dell’autovettura.

airbox11

airbox12

airbox13 airbox14

AIR-BOX
Nel quale viene alloggiato
un evaporatore sotto il
filtro dell’aria

AIR-BOX
con evaporatore
predisposto per i
collegamenti
all’impianto clima
dell’autovettura

AIR-BOX
con evaportore collegato all’impianto del
condizionatore dell’autovettura questo permette di abbassare la temperatura
dell’aria e l’umidità dell’aria stessa (anche in
inverno)

Con questo studio la Fondazione OSF ha messo in evidenza la possibile realizzazione di un apposito apparato AIR-BOX (predisposto di EVAPORATORE) per ridurre la formazione degli ossidi di azoto NOx e del CO2 (tramite l’abbassamento della temperatura e dell’umidità del comburente aria) e nel contempo poter migliorare il rendimento termico dei motori a combustione interna mediante l’incremento della densità dell’ossigeno che può essere introdotta nei cilindri (ottenuta anche in questo caso con la riduzione della temperatura e dell’umidità dell’aria tramite apposito apparato AIR-BOX).

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