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Motori alimentati ad ammoniaca: una nuova ricerca
Ottimizzando le condizioni di miscelazione aria-carburante per una combustione efficiente dell’ammoniaca, un nuovo studio ci avvicina ai veicoli alimentati ad ammoniaca.
Mentre il settore dei trasporti si sposta verso i veicoli elettrici, l’idea di utilizzare l’idrogeno come carburante pulito ed efficiente è stata esplorata da tempo. Questi veicoli emettono acqua durante la combustione. Poiché si basano sulla produzione di veicoli con motore esistente, si prevede che abbiano un’impronta di carbonio di produzione inferiore rispetto ai veicoli elettrici. Tuttavia, lo stoccaggio e il trasporto dell’idrogeno richiedono alte pressioni e basse temperature, processi ad alta intensità energetica. Per ovviare a questo problema, l’ammoniaca è stata presa in considerazione come potenziale vettore di idrogeno per le celle a combustibile o i motori a combustione. Ma l’ammoniaca è un combustibile difficile da bruciare e richiede la miscelazione con la benzina per una combustione efficiente.
Dal 2019, il professor Mitsuhisa Ichiyanagi del Dipartimento di Ingegneria e Scienze Applicate della Facoltà di Scienze e Tecnologie dell’Università Sophia di Tokyo, insieme a Emir Yilmaz e Takashi Suzuki, lavora alla progettazione di motori in cui l’ammoniaca possa essere utilizzata come carburante autonomo. Il loro lavoro si concentra sulle condizioni di apertura della valvola di aspirazione che migliorano la miscelazione dell’aria con il carburante all’interno del cilindro del motore per una combustione più efficiente. In uno studio pubblicato sulla rivista Energies i ricercatori determinano le condizioni di apertura della valvola che porterebbero a un flusso a vortice all’interno del cilindro di un motore.
“Il flusso d’aria all’interno dei cilindri influisce profondamente sulla combustione e sulle emissioni, influenzando il fenomeno della miscelazione aria-carburante”, afferma il Prof. Ichiyanagi. “Con l’obiettivo di bruciare solo ammoniaca, abbiamo studiato la relazione tra il sistema di aspirazione del motore e il flusso all’interno dei cilindri”.
Per flusso vorticoso si intende un andamento a vortice della miscela aria-carburante che entra nel cilindro del motore. Questo è vantaggioso perché favorisce una migliore miscelazione di aria e carburante, creando una miscela più omogenea. E ciò porta a una migliore combustione e a una riduzione delle emissioni. I ricercatori hanno condotto la loro indagine su un motore diesel monocilindrico ottico con cilindro e pistone in vetro. Per l’aspirazione dell’aria, il motore utilizzava porte di aspirazione tangenziali ed elicoidali convenzionali.
Per visualizzare i flussi d’aria nel motore, i ricercatori hanno introdotto particelle di silice con diametro di 4,65 µm come traccianti durante la fase di aspirazione. E ne hanno monitorato il movimento nel motore con una telecamera CMOS ad alta velocità. L’aria che entra attraverso la porta elicoidale si sviluppa in un disegno vorticoso, mentre l’aria proveniente dalla porta tangenziale inizialmente non produce alcuna struttura vorticosa. Tuttavia, quando viene reindirizzata dalle pareti del cilindro, finisce per generare strutture vorticose.
Negli esperimenti precedenti, i ricercatori hanno osservato che la velocità del flusso d’aria rimaneva relativamente costante nelle varie aperture della porta elicoidale. Quindi, lasciando la porta elicoidale completamente aperta, hanno variato l’apertura della porta tangenziale allo 0%, 25%, 50%, 75% e 100% per determinarne l’effetto sui flussi di aspirazione e all’interno del cilindro durante le corse di aspirazione e compressione.
Per visualizzare i flussi d’aria nel motore, i ricercatori hanno introdotto particelle di silice con diametro di 4,65 µm come traccianti durante la fase di aspirazione. E ne hanno monitorato il movimento nel motore con una telecamera CMOS ad alta velocità. L’aria che entra attraverso la porta elicoidale si sviluppa in un disegno vorticoso, mentre l’aria proveniente dalla porta tangenziale inizialmente non produce alcuna struttura vorticosa. Tuttavia, quando viene reindirizzata dalle pareti del cilindro, finisce per generare strutture vorticose.
Negli esperimenti precedenti, i ricercatori hanno osservato che la velocità del flusso d’aria rimaneva relativamente costante nelle varie aperture della porta elicoidale. Quindi, lasciando la porta elicoidale completamente aperta, hanno variato l’apertura della porta tangenziale allo 0%, 25%, 50%, 75% e 100% per determinarne l’effetto sui flussi di aspirazione e all’interno del cilindro durante le corse di aspirazione e compressione.
I ricercatori hanno notato la generazione di flussi vorticosi nella fase iniziale della corsa di compressione, quando l’apertura della porta tangenziale era superiore al 25%. È stato osservato che la formazione di flussi vorticosi è correlata a basse variazioni dell’energia cinetica turbolenta durante la corsa di aspirazione e a basse variazioni della posizione centrale dei vortici durante la corsa di compressione. L’osservazione dei flussi vorticosi nel cilindro apre le porte a una combustione efficiente dell’ammoniaca nel motore. I ricercatori intendono applicare i risultati di questo studio per studiare le caratteristiche di combustione di una miscela ammoniaca-benzina o della sola ammoniaca nel motore.
La domanda di litio, trainata soprattutto dai veicoli elettrici, dovrebbe superare i 2,4 milioni di tonnellate entro il 2030. Con un aumento significativo rispetto alle 130.000 tonnellate prodotte nel 2022. Secondo l’Agenzia Internazionale dell’Energia, ciò potrebbe portare a una potenziale carenza di litio già nel 2025. In questa situazione, l’ammoniaca emerge come un promettente combustibile pulito alternativo.
Anche se ci sono ancora problemi da superare prima che i veicoli alimentati ad ammoniaca diventino una realtà, questa ricerca è promettente per il raggiungimento degli obiettivi di decarbonizzazione attuali e futuri. “Lo sviluppo di veicoli con motore ad ammoniaca ridurrà le emissioni di anidride carbonica dei motori. E contribuirà anche a realizzare una società dell’energia a idrogeno”, afferma il Prof. Ichiyanagi.
Fonti: Ammonia-powered engines: A path to cleaner an | EurekAlert! Ammonia-Powered Engines: A Path to Cleaner and More Efficient Transportation | Sophia University
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