Gli esperti del settore discutono del futuro del propano nei motori a combustione interna

Il mese scorso, l'Engine Technology Forum ha esaminato la fattibilità del propano come combustibile alternativo nei motori a combustione interna (IC) nel suo webinar intitolato "Come il propano si sta evolvendo per il futuro".

"Il propano come carburante offre diversi vantaggi, tra cui un elevato numero di ottano, un rifornimento capillare e la disponibilità presso oltre 3.500 distributori", ha dichiarato l'Engine Technology Forum in un comunicato stampa a seguito dell'evento. "In genere, presenta emissioni inferiori rispetto alla benzina o al gasolio, e tali emissioni possono essere controllate in modo economicamente vantaggioso utilizzando un catalizzatore a tre vie simile a quello della benzina".

Differenze di post-trattamento

Gavin Hale, direttore dello sviluppo prodotti e della produzione di energia per il Propane Education & Research Council (PERC), ha affrontato le differenze tra i sistemi di post-trattamento del diesel e del propano durante il webinar, affermando che la più grande opportunità per i produttori di motori e gli OEM di veicoli nei confronti del propano riguarda la semplificazione del post-trattamento dei gas di scarico.

Rifornimento di un camion per la consegna di propano. (Foto: Propane Education & Research Council)

"Riescono a ridurre le emissioni con un carburante disponibile e a mantenere la maggior parte dei contenuti progettuali del camion", ha affermato, "il che è fondamentale, perché molte altre fonti di energia alternative rappresentano un grande sforzo per gli OEM".

Descrivendo l'attuale tecnologia di post-trattamento dei motori diesel, Hale ha citato un sistema SCR Bosch per motori diesel pesanti a basse emissioni di ossido di azoto (NOx), pubblicato in un rapporto del California Air Resources Board (CARB) del giugno 2020. Ha osservato che i componenti di tale sistema di post-trattamento includono catalizzatori di ossidazione diesel primari e secondari (DOC), riduzione catalitica selettiva (SCR), catalizzatori di slip di ammoniaca (ASC), bruciatori di carburante, sensori di NOx e un filtro antiparticolato diesel (DPF).

"Il post-trattamento è molto più complicato del motore, in realtà", ha detto. "Diventa il fattore dominante."

Al contrario, Hale ha affermato che il post-trattamento per un motore a combustione interna alimentato a propano è considerevolmente più semplice.

"Con il propano di oggi, tutto ciò che serve è un catalizzatore a tre vie, simile a quelli che si trovano sulle auto oggi. Per le normative del 2027, probabilmente due catalizzatori."

Ha aggiunto che i limiti dei gas serra della Fase 3 potrebbero richiedere lievi modifiche.

"Questa rimane davvero la ricetta chiave, con l'aggiunta potenziale di SCR nel post-trattamento dei gas di scarico", ha affermato Hale. "Ma questo dipende dall'equilibrio tecnologico che saremo in grado di implementare nei cilindri per garantire la massima efficienza del motore, piuttosto che affidarci al post-trattamento per gestire tutto."

Esame dell'iniezione diretta

Secondo Allen Schaeffer, direttore esecutivo dell'Engine Technology Forum, l'innovazione è fondamentale anche per rendere il propano un combustibile alternativo valido per applicazioni su strada e fuoristrada. Una di queste innovazioni è l'iniezione diretta (DI) di propano. Nel comunicato stampa, ha affermato che la tecnologia DI ha "il potenziale per rivoluzionare l'estensione dell'uso della tecnologia del propano a più applicazioni".

L'azienda di produzione, ingegneria e collaudo Katech Engineering e lo specialista di sistemi di alimentazione Stanadyne hanno collaborato per studiare il propano DI nei motori a combustione interna. Hanno presentato i loro risultati durante il webinar.

Eric Suits, ingegnere capo di Katech, ha affermato che vale la pena esplorare l'iniezione diretta di propano per diversi motivi. Ha osservato che, per quanto riguarda i motori a benzina, l'iniezione diretta rappresenta una quota importante del mercato dei veicoli leggeri, con il 73% dei veicoli modello 2023 che utilizzano questa tecnologia, secondo un rapporto del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti del 24 febbraio .

"È già ampiamente accettato e presenta vantaggi naturali, efficienza ed emissioni migliorate, motivo per cui le percentuali degli OEM che lo utilizzano attualmente continuano ad aumentare", ha affermato Suits, aggiungendo che, se abbinato all'elevato numero di ottano del propano (105) e alle basse emissioni, "unire queste due tecnologie era un'area ovvia".

C'erano, tuttavia, ostacoli da superare. Uno di questi è il blocco di vapore, poiché il propano può esistere sia in forma gassosa che liquida a seconda della temperatura e della pressione, ha affermato Suits. Se durante il percorso verso la pompa del carburante il propano viene riscaldato fino a un certo punto e non si verifica un corrispondente aumento di pressione, vaporizza e causa una situazione di blocco di vapore.

Inoltre, Suits ha affermato che l'iniezione diretta di propano non è stata oggetto di studi particolarmente approfonditi. "Sono stati scritti alcuni articoli qua e là, ma dal punto di vista della fattibilità, nessuno aveva ancora preso in considerazione l'idea di affrontarla."

Test DI

Katech ha avviato il progetto DI con test di non accensione per confrontare i componenti di iniezione diretta di benzina (GDI) attualmente disponibili sul mercato, come iniettori e pompe, ha affermato Suits, per determinare quali fossero le carenze di tali componenti quando utilizzati con il propano. Ciò ha portato a test di accensione volti a confrontare la benzina con il propano, i cui risultati sono stati forniti a Stanadyne affinché l'azienda potesse determinare le caratteristiche specifiche richieste per l'utilizzo con il propano.

Il motore di prova General Motors L8T 6.6L GDI è stato aggiornato con componenti Stanadyne e funzionava con iniezione diretta di GPL. (Foto: Stanadyne)

Una volta sviluppati i componenti necessari per il sistema di alimentazione, Stanadyne ha testato il progetto utilizzando un motore General Motors V8 L8T da 6,6 litri ad accensione comandata come piattaforma di base, secondo Srinu Gunturu, ingegnere capo di Stanadyne. Ha affermato che Stanadyne ha modificato solo alcuni componenti hardware per l'utilizzo con carburante propano.

"Del motore, ci sono solo la pompa del carburante e l'iniettore", ha detto, "e il motore è stato utilizzato così com'è".

Gunturu ha affermato che Stanadyne ha dovuto migliorare l'efficienza volumetrica della pompa e apportare modifiche all'iniettore per ottenere un flusso di carburante maggiore, così da fornire la giusta quantità di carburante al motore.

"Abbiamo aggiunto un ingresso secondario per assicurarci che non si verificasse alcun blocco di vapore all'interno della pompa, soprattutto nella zona dello stantuffo e del manicotto", ha affermato.

I giudici hanno affermato che i test sul motore sono stati effettuati con una lambda di 1,0, aggiungendo che questo era importante dal punto di vista delle emissioni.

"Con l'entrata in vigore delle normative del 2027, l'arricchimento durante i test in condizioni di piena aria non sarà più consentito", ha affermato. "E con il propano, possiamo farlo facilmente senza limiti o preoccupazioni per la temperatura dei gas di scarico (EGT), e questo permette al catalizzatore di funzionare come dovrebbe".

Risultati del test DI

I test condotti da Stanadyne e Katech sono andati oltre il semplice esame delle prestazioni del motore e dei componenti.

"Abbiamo testato il motore fino a 250 ore di funzionamento per dimostrare che questo motore DI è promettente per i sistemi a propano", ha affermato Gunturu.

Suits ha aggiunto che i test di durata includevano cicli di prova su strada e fuoristrada, nonché cicli di prova dell'Agenzia per la protezione ambientale statunitense (EPA) e del CARB.

Dopo aver effettuato i test di durata, Stanadyne ha esaminato i componenti del suo sistema di alimentazione.

"Per quanto riguarda le pompe, non abbiamo notato alcun cambiamento nelle prestazioni dopo 250 ore di funzionamento a propano", ha affermato Gunturu. Tuttavia, ha aggiunto, si è registrato un certo cambiamento nelle prestazioni dell'iniettore di carburante.

"Abbiamo notato una certa usura dovuta alla variazione di portata nei nostri iniettori", ha detto. "E siamo riusciti a identificare cosa fosse cambiato, cosa avesse causato la variazione di portata. Siamo riusciti a fare delle riparazioni."

Gunturu ha affermato che un esame più attento ha evidenziato l'usura tra l'indotto e il fermo, che Stanadyne ha attribuito alla diminuzione della portanza.

"Avevamo già implementato una correzione progettuale per risolvere questo problema di sollevamento e usura dell'indotto e del fermo", ha affermato. "Inoltre, stiamo già pianificando di effettuare ulteriori test". Stanadyne sta collaborando con gli OEM per testare queste azioni correttive, ha aggiunto Gunturu.

Suits ha affermato che, per quanto riguarda il motore, i test di resistenza non hanno evidenziato alcuna usura meccanica significativa.

"Spesso, all'inizio, forse la formulazione – 10, 20, 30 anni a propano – era che bisognava aggiornare le sedi valvole, perché funzionava a propano e non c'era liquido che passava sopra le valvole", ha detto Suits. "Ma i moderni motori a iniezione diretta tengono conto di questo aspetto. I materiali e le tecnologie che li caratterizzavano sono avanzati. Quindi, non si è verificata alcuna recessione delle valvole, in nessun punto del motore, durante il funzionamento a propano, nemmeno in un profilo di test piuttosto severo."

Per quanto riguarda il blocco del vapore, Suits ha affermato che Katech ha risolto con successo questo problema come parte del progetto.

"Uno dei principali ambiti su cui si è concentrata Katech, con Stanadyne come fornitore dell'hardware, è stato quello di realizzare un sistema hardware e software che erogasse correttamente il propano alla pompa e non consentisse mai una condizione di blocco del vapore", ha affermato.

Suits ha affermato che, tramite alcune valvole e sistemi di controllo, Katech è stata "in grado di fornire propano liquido alla pompa in tutte le condizioni di prova".

Un programma di ricerca rivela la fattibilità dell'iniezione diretta di GPL nei motori di media cilindrata. Finanziato da PERC e condotto da Katech Engineering, il progetto ha utilizzato software e hardware appositamente progettati da Stanadyne per contribuire a superare il blocco di vapore.