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Microcogenerazione e motori a combustione interna

I motori a combustione interna (spesso MCI), studiati ed applicati fin dalla seconda metà del 1800, vantano ormai una storia secolare. Dalle loro prime rare applicazioni, nelle miniere di carbone, ne hanno fatta di strada, incredibile il loro sviluppo nel campo automobilistico e non meno importanti sono gli altri impieghi. Li ritroviamo infatti utilizzati, nel corso del secolo scorso, nella propulsione marina e ferroviaria e in molte applicazioni stazionarie: motopompe, compressori, gruppi elettrogeni, ecc.

Principio di funzionamento
La dizione utilizzata di “motori a combustione interna” ha origine dal principio di funzionamento della macchina, ovvero combustione interna alla macchina e movimentazione del fluido di lavoro tramite cinematismo alternativo. Pur essendo il principio unico esistono due tipologie di macchine, denominate in base al tipo di ciclo termodinamico utilizzato: macchine a ciclo Otto e macchine a ciclo Diesel. In base poi al numero di corse del pistone necessarie a realizzare il ciclo si distinguono macchine a due e quatto tempi. Le macchine a due tempi, non avendo alcuna rilevanza applicativa nella micro-cogenerazione, non verranno trattate, segue invece una breve trattazione dei cicli Otto e Diesel a quattro tempi, ideali e reali. Dal diagramma p-v di ciclo Otto ideale, esso si compone di quattro trasformazioni: due isocore e due isoentropiche. Le trasformazioni, tutte ideali, sono numerate secondo il loro ordine temporale. • Trasformazione isoentropica 1-2 compressione. Il pistone si muove dal punto morto inferiore (PMI) al punto morto superiore (PMS) determinando un forte aumento di pressione a spese di lavoro esterno. • Trasformazione isocora 2-3 combustione. Nel ciclo ideale avviene istantaneamente con pistone fermo al PMS. • Trasformazione isoentropica 3-4 espansione. Corrisponde alla corsa del pistone tra il PMS e il PMI, questa è la fase in cui si produce lavoro, è accompagnata da una brusca riduzione dei parametri intensivi del gas (pressione e temperatura). • Trasformazione isocora 4-1 scarico naturale. A pistone fermo dopo l’apertura della valvola di scarico i gas combusti escono dal cilindro. Nel ciclo reale sono necessarie altre due trasformazioni per completare il ciclo. • Trasformazione P-1 scarico forzato. I gas combusti vengono espulsi attraverso la valvola di scarico dal pistone durante la risalita al PMS. • Trasformazione 1-Q aspirazione. In questa fase, durante una corsa PMS - PMI, dalla valvola di ammissione viene aspirata la miscela aria-combustibile necessaria a compiere un nuovo ciclo. Ciclo ideale e ciclo reale di un motore Otto. Nel ciclo Diesel ideale, l’unica sostanziale differenza è nella combustione, che si ipotizza avvenire a pressione costante e non a volume costante. Nei cicli reali le differenze tra Diesel e Otto sono più numerose. Nel ciclo Otto il combustibile viene iniettato durante l’aspirazione nei collettori, la quantità di combustibile iniettata è tale da ottenere sempre un rapporto di miscela vicino allo stechiometrico, la parzializzazione del motore è regolata dalla quantità di miscela aria-combustibile aspirata nel cilindro, l’ignizione è controllata tramite scintilla scoccata, a fine compressione, dalla candela. Nel motore a ciclo Diesel il combustibile è iniettato ad alta pressione direttamente nel cilindro, nella corsa di compressione viene compressa solo aria, la regolazione del motore avviene variando la quantità di combustibile iniettata e quindi il rapporto di miscela, resta invece costante la quantità d’aria aspirata. La regolazione tramite iniezione del combustibile fa si che ai carichi parziali il rendimento del ciclo Diesel sia maggiore, rendimento che si mantiene maggiore anche in piena ammissione grazie ai maggiori rapporti di compressione ottenibili.

Caratteristiche e tecnologia costruttiva
I motori a combustione interna per loro natura possono utilizzare una grande varietà di combustibili sia liquidi (gasoli, benzine, oli pesanti) sia gassosi (gas naturale, propano, gas da discarica, biogas). Per applicazioni micro-cogenerative il combustibile principe è il gas naturale. Questo viene infatti preferito agli altri per il basso costo, il ridotto impatto ambientale, i minori costi di manutenzione e una maggiore vita utile della macchina. Anche per i cogeneratori alimentati a gas naturale distingueremo MCI a ciclo Otto e MCI a ciclo Diesel. I motori a ciclo Otto hanno rapporti di compressione oscillanti tra 9:1 e 12:1, simili a quelli di un motore alimentato a benzina, nonostante il gas naturale abbia un potere antidetonante maggiore. Come in un motore a benzina il gas viene iniettato nei condotti di aspirazione formando miscele stechiometriche e poi compresso nel cilindro. Per ottenere scarse emissioni di ossidi di azoto e alti rendimenti si utilizzano: motori a precamera, ove la miscela è ricca nella precamera ma povera nella camera di combustione principale; oppure motori a carica stratificata caratterizzati da miscela ricca in prossimità della candela che smagrisce allontanandosi dalla zona di ignizione. Molti cogeneratori a gas derivano costruttivamente da motori Diesel realizzati per altri scopi; questi motori vengono adattati al ciclo Otto con l’aggiunta della candela e con la riduzione del rapporto di compressione, con conseguente riduzione di potenza, al fine di evitare fenomeni di detonazione. I motori a ciclo Diesel sono motori “dual fuel” cioè a doppio combustibile; sono alimentati prevalentemente a metano e con una piccola aggiunta tra 1-10% di gasolio per evitare la detonazione della carica fresca. Il gasolio viene usualmente iniettato ad alta pressione direttamente nel cilindro; per il gas vi sono due strade: iniezione diretta ad alta pressione come per il gasolio, iniezione nel collettore e successiva compressione come in un motore Otto. In questo secondo caso vi è una riduzione della potenza erogata, come per gli analoghi motori a ciclo Otto, per evitare gli effetti detonanti del riscaldamento per compressione. La scelta tra le due soluzioni viene dettata dalla pressione di distribuzione del gas nella rete: se la distribuzione è ad alta pressione si utilizzano motori ad iniezione diretta; se è a bassa pressione si preferisce l’iniezione indiretta evitando gli oneri di acquisto e manutenzione di un compressore ausiliario per la compressione del gas. Il compressore ausiliario ridurrebbe inoltre del 4-7% la potenza meccanica prodotta dal cogeneratore. I motori con potenze superiori ai 300 kW sono solitamente dotati di un turbo-compressore radiale per la sovralimentazione. Il gruppo di sovralimentazione innalza la pressione dell’aria aspirata dal pistone aumentandone la densità e quindi incrementando, a parità di cilindrata, la potenza del motore. Questo dispositivo viene solitamente abbinato ad uno scambiatore che effettua la inter-refrigerazione, allo scopo di: ridurre ulteriormente la densità dell’aria, ridurre il lavoro di compressione del motore e aumentare la potenza specifica.

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