Valutazione delle caratteristiche del segnale di corrente ionizzante in un motore otticamente accessibile alimentato a idrogeno

La crescente esigenza di ridurre le emissioni inquinanti e climalteranti costituisce una delle sfide più rilevanti nello sviluppo dei motori a combustione interna, orientando la ricerca verso soluzioni innovative finalizzate al miglioramento dell’efficienza energetica. In questo contesto, particolare attenzione è stata rivolta all’ottimizzazione del processo combustivo, incentivando lo sviluppo di strategie avanzate per il controllo della combustione. Nei motori ad accensione comandata, la fasatura della combustione è fortemente influenzata dall’anticipo d’accensione, tradizionalmente gestito tramite mappe predefinite, spesso conservative per garantire l’affidabilità in condizioni operative variabili. Un approccio più efficace prevede l’impiego di segnali di feedback provenienti dalla camera di combustione, come il segnale di pressione, il cui impiego è limitato dal costo e dalla complessità di integrazione dei sensori di pressione. Il presente lavoro si propone di valutare la fattibilità dell’impiego del segnale di corrente ionizzante come alternativa economica e meno invasiva per il controllo in retroazione della fasatura della combustione. Il segnale di corrente ionizzante, acquisito direttamente dal sistema di accensione, è stato analizzato sperimentalmente su un motore monocilindrico a quattro tempi dotato di accesso ottico, con particolare attenzione all’alimentazione a idrogeno in condizioni di miscela magra. A supporto dell’analisi, sono state condotte prove comparative anche con isoottano e metano. L’obiettivo della campagna sperimentale è stato quello di analizzare il segnale di corrente ionizzante, valutando l’influenza di diversi parametri operativi, quali il tipo di combustibile, il rapporto aria-combustibile relativo (λ), l’anticipo d’accensione e la pressione nel collettore di aspirazione. Il segnale è stato opportunamente filtrato per ridurre il rumore ad alta frequenza e confrontato con dati ottici sperimentali e con i risultati delle simulazioni del modello GT-POWER. È stato analizzato il livello di correlazione tra la posizione del picco della fase termica del segnale ionico e la posizione del picco di pressione in camera di combustione. La correlazione risulta elevata nel caso di alimentazione con isoottano, mentre si presenta meno marcata per i combustibili gassosi, metano e idrogeno. I risultati ottenuti confermano la potenziale applicabilità del segnale di corrente ionizzante per il controllo in ciclo chiuso della combustione. È stata osservata una chiara sensibilità del segnale ionico al fenomeno del knock, evidenziata da marcate oscillazioni e dalla presenza di picchi aggiuntivi nei cicli affetti da detonazione. A tal proposito, è stata valutata la capacità del segnale di corrente ionizzante di rilevare i cicli detonanti, analizzando l’efficacia di un indice di knock derivato da tale segnale. L’integrazione tra l’analisi ottica e il segnale ionico ha messo in luce il potenziale della corrente ionizzante nel rilevare fenomeni di combustione secondaria, associati alla presenza di fiamma residua nella camera di combustione. Le evidenze sperimentali confermano che la corrente ionizzante rappresenta un valido strumento diagnostico per il monitoraggio e l’analisi del processo di combustione.