Grazie alla sua altissima densità energetica, il gas naturale compresso (GNC) è molto adatto per essere utilizzato come carburante nel settore automobilistico. Il GNC ha un numero di ottano di circa 120  e un calore di combustione che va da 9000 a 11000 kcal/kg o da 38 a 47 MJ/kg.

Inoltre, la combustione di GNC produce molte meno emissione di CO2 rispetto, ad esempio, alla combustione della benzina. E dato che in molti mercati il GNC è un combustibile particolarmente conveniente in termini di costi, i produttori stanno mostrando un interesse sempre maggiore nello sviluppo di veicoli in grado di funzionare con questa fonte di combustibile alternativa. 

La sfida principale nell’ottimizzare un motore a combustione interna facendo in modo che funzioni a GNC è la regolazione della pressione di iniezione nella guida del carburante.

Immagine 1: esempio di un sistema a due carburanti per benzina e GNC (fonte dell’immagine: Bosch Mobility Solutions).

Il GNC viene immagazzinato a circa 200 bar e viene generalmente iniettato tra due e nove bar, a seconda delle esigenze del motore – bassa pressione per una guida con consumo efficiente di carburante a basse velocità e pressioni più elevate quando sono richieste una potenza e una coppia maggiori. 

L’efficacia della combustione all’interno di un cilindro del motore è fortemente influenzata dalla temperatura e dalla pressione del GNC. Un aumento della pressione a volume costante si traduce in una maggiore densità di massa del gas, con conseguente aumento del suo potere calorifico. 

Ad ogni modo, anche se la temperatura iniziale e la pressione di iniezioni possono essere variate, i veicoli a gas naturale compresso, se non accuratamente calibrati durante la fase di sviluppo, possono soffrire di perdite di potenza e scarsa guidabilità. 

Iniettare il GNC sotto pressione

Il GNC viene generalmente fornito alla guida del carburante da un serbatoio ad alta pressione tramite un regolatore di pressione. Per una combustione efficiente del carburante, la quantità di gas naturale iniettato deve sempre essere conforme alla massa d’aria richiesta dal motore. A tal fine, la gestione elettronica del motore, utilizza di norma un flussometro per determinare la quantità d’aria esatta richiesta e, successivamente, la quantità di GNC da iniettare. 

Con l’iniezione a punto centrale (CPI – Central Point Injection), il GNC viene fornito al collettore di aspirazione da un distributore di gas naturale. Un sensore di pressione del fluido misura la pressione e la temperatura nel distributore, permettendo agli iniettori del gas naturale di fornire la quantità precisa di carburante richiesto. 

In alternativa, l’iniezione può avvenire anche senza il distributore di gas naturale, allineando ogni iniettore ad un corrispondente cilindro. Con l’iniezione a punti multipli (MPI – Multi-Point Injection), il gas viene iniettato sotto pressione in ogni tubo del collettore di aspirazione del cilindro, a monte della valvola di aspirazione. 

Dal momento che, nei veicoli che utilizzano il GNC come carburante, i cambiamenti nella pressione hanno un impatto significativo sulle prestazioni del motore, la coppia motore e le emissioni di scarico (CO, CO2, NOx e idrocarburi) devono essere registrate durante la fase di test del motore. 

Ottimizzare la pressione rail per tutte le condizioni di guida 

Per ottimizzare il sistema a gas naturale compresso è importante che durante le fasi di progettazione e di test la pressione all’interno del rail venga accuratamente misurata a diverse aperture della valvola a farfalla, incrociandola ai dati della coppia motore e delle relative emissioni dei gas di scarico. Per questo la maggior parte degli ingegneri di sviluppo richiedono trasmettitori di pressione di alta qualità. 

È importante che questi sensori forniscano letture accurate per un’ampia gamma di pressioni e, allo stesso tempo, conservino la loro integrità a temperature elevate. 

Sebbene un aumento nella pressione del gas naturale compresso porti alla riduzione di CO2, HC e NOx, aumenta la quantità di CO nel gas di scarico. Ciò rende essenziale registrare in modo accurato gli effetti della modulazione della pressione di iniezione del GNC. 

Durante i test viene utilizzato un regolatore di pressione per controllare la pressione di iniezione misurata da un sensore di pressione accuratamente calibrato posto sul rail, mentre un flussometro analogico, normalmente con una capacità di 2.5 m3/h, viene utilizzato per misurare e controllare il flusso d’aria d’ingresso. Un banco dinamometro a rulli viene infine utilizzato per registrare la coppia del motore. 

Per tutta la durata del test, la temperatura del gas e la velocità di flusso sono tenute costanti rispettivamente a 22°C e 0.1 SCFH. Un ventilatore ad alta potenza viene utilizzato per mantenere la temperatura del motore durante il test, mentre l’apparecchiatura per controllare le emissioni è attaccata al tubo di scarico al fine di registrare il contenuto di CO, CO2, idrocarburi e NOx nei gas di scarico. 

Questo processo è piuttosto complesso e richiede che la pressione rail, la coppia e le emissioni siano misurate a centinaia di punti di apertura della valvola a farfalla, cosicché l’unità di controllo del motore possa creare una mappa efficace dei requisiti del motore. 

Misurare, registrare e inserire tutti questi dati nelle relative tabelle è un compito che richiede molto tempo, pertanto gli ingegneri di sviluppo spesso ricorrono a strumenti di modellazione per velocizzare lo sviluppo. Questi strumenti forniscono solitamente un ambiente per la simulazione e la progettazione basata su modelli per sistemi dinamici e integrati, riducendo in tal modo il numero di versioni hardware necessarie per progettare il sistema. 

Il modello di simulazione è codificato con le informazioni acquisite dai test condotti in tempo reale e poi integrato su un file eseguibile utilizzando il compilatore C per girare su un sistema operativo in tempo reale. 

Una volta acquisiti i dati di base è possibile generare un numero infinito di simulazioni in tempo reale da applicare a qualsiasi aspetto del ciclo di progettazione: dal concept iniziale alla progettazione del regolatore, fino alle fasi di test e convalida grazie alle tecniche di verifica hardware in the loop (HIL). 

Un programma di test ben sviluppato che utilizza sensori di pressione da laboratorio e apparecchiature di controllo sblocca le prestazioni e la guidabilità dei veicoli alimentati a GNC, equiparabili ai loro equivalenti alimentati a combustibili fossili, ma con vantaggi in termini di costi ed emissioni.