Lezione 2 - Motori ad accensione comandata

Lezioni Combustione 2 Lezione 2 5 marzo 2009
Motori ad accensione comandata
In questi tipi di motori è presente un dispositivo: il carburatore che provvede a formare una miscela
carburata che poi viene immessa nei cilindri per l’accensione. Questa miscela costituita da
combustibile e comburente risulta essere omogenea e quindi se è caratterizzata da un rapporto di
compressione molto elevato si auto accende; questo fenomeno non vogliamo che si verifichi
altrimenti si va incontro ad un altro fenomeno che è dannoso per la tenuta meccanica del motore che
è il Knocking. Quindi in questi motori si fa in modo che non si arrivi ad un rapporto di
compressione troppo elevato. Alla testa dei cilindri viene posto un dispositivo di accensione che è la
candela che provvede a realizzare l’accensione della miscela. All’interno delle camere di
combustione dei motori ad accensione comandata si verifica una propagazione laminare di fiamma.
In condizioni laminari la velocità di avanzamento del fronte di fiamma è di circa 1 m/s, se questo
avanzamento si verifica in una camera di combustione di 5 cm il tempo di avanzamento sarà di 5
centesimi di secondo ; possiamo ben capire che in motori che funzionano a 2000-3000 giri/min
questo tempo impiegato dal fronte di fiamma per percorrere tutta la camera di combustione risulta
essere troppo elevato. Quindi si può prevedere che questo tempo deve essere invece che di
centesimi di secondo,di millesimi di secondo. Tutto ciò che abbiamo detto vale a temperatura
ambiente; siccome però la temperatura nelle camere di combustione di un motore ad accensione
comandata arriva ad esempio a 400°C e la pressione a 10 bar in questo caso la velocità di
avanzamento del fronte di fiamma arriva a 2-3 m/s. Questa situazione non cambia di molto il tempo
di percorrenza della camera di combustione da parte del fronte di fiamma che rimane pertanto alto.
Infatti noi vogliamo una velocità di propagazione del fronte di fiamma almeno pari a 10-20-30 m/s.
Per ottenere questo risultato abbiamo una sola possibilità cioè quella di realizzare una turbolenza,
cioè facciamo in modo che intorno alla scintilla e dappertutto, la fiamma si propaghi non attraverso
una classica geometria sferica (propagazione laminare), ma attraverso una geometria sferica
convoluta di natura più complessa, che provoca tra l’altro uno stiramento delle fiamme e una
diffusione del fronte di propagazione all’interno della camera di combustione ancora in minor
tempo. In questo caso possiamo raggiungere velocità di propagazione (o di deflagrazione) del fronte
di fiamma anche 10-20 volte superiori a quelle che si avrebbero in propagazione laminare. Quanto
più risulta essere veloce la fase di combustione tanto più risulta essere piccolo l’angolo di
manovella dedicato a questa fase. Ciò comporterà un incremento del rendimento del ciclo. Infatti il
ciclo Otto ideale è quello che consente di comprendere tutta la fase di combustione nel punto morto
superiore in moto istantaneo. Andare a realizzare la combustione molto prima che il pistone sia
giunto al punto morto superiore comporta una perdita di lavoro perché l’esplosione si oppone alla
compressione del pistone; se la combustione si verifica quando il pistone si trova molto dopo il
PMS allora significa che sto perdendo in termini di rendimento del ciclo perché faccio avvenire le
trasformazioni a pressione più bassa. In definitiva con la turbolenza cerchiamo di ridurre sempre di
più l’angolo di manovella dell’albero motore dedicato alla fase di combustione. Dagli anni trenta
quindi ciò che si è tentato di fare in tutti i laboratori di ricerca delle case automobilistiche è
aumentare la turbolenza in camera di combustione, per fare questo ci sono 3 modi:
1. Fare il passaggio sulle valvole più stretto è possibile
2. Inserimento di elementi devianti (Swirlatori)
3. Inserimento nella camera di combustione di ostacoli (Turbolatori)
• Fare il passaggio sulle valvole più stretto è possibile
Siccome infatti noi abbiamo a che fare con una macchina volumetrica che aspira e scarica fluido,
avremo un certo riempimento del cilindro secondo un coefficiente. Durante l’aspirazione la valvola
resta aperta per un certo periodo di tempo dipendente dai tempi delle fasi del motore, la portata
massica di fluido è costante quindi se riduco la sezione d’ingresso del fluido per il rispetto
dell’equazione di continuità della massa questo dovrà aumentare la velocità. Ciò però comporterà
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un aumento del lavoro di compressione perché la riduzione della sezione d’ingresso della carica da
parte delle valvole comporta un aumento delle perdite di carico, quindi si dovrà andare a fare una
valutazione comparativa tra le varie soluzioni in gioco e vedere quale risulta essere la più
conveniente. L’aumento di velocità massima provocherà la presenza di gradienti di velocità nella
camera di combustione. Questa tecnica va bene fino ad un certo punto, perché sezioni sempre più
piccole mi comportano aumento di lavoro, e inoltre se aumento di troppo i gradienti di velocità
prima si realizza l’ondulazione però poi ad un certo punto il fronte di fiamma si spegne. In
combustione abbiamo visto che avere gradienti di velocità troppo elevati comporta un riduzione
dello spessore del fronte di fiamma fino allo spegnimento. Quindi la riduzione della sezione di
ingresso della carica si fa fino a quando questo comporta un aumento di potenza dopodiché si passa
ad altro. Questo modo di procedere è l’unico e il migliore per consentire una riduzione più spinta
dei consumi energetici delle moderne autovetture.
• Inserimento di elementi devianti (Swirlatori)
Per realizzare un aumento della velocità assoluta del fluido si può pensare di inserire degli elementi
devianti che introducano delle componenti tangenziali della velocità, questi possono essere visti
come delle alette che invece di raddrizzare il flusso lo deviano creando vortici e di conseguenza
turbolenza.
• Inserimento nella camera di combustione di ostacoli (Turbolatori)
L’inserimento di ostacoli a mezzo corpo tozzo provoca la formazione di microvortici che a loro
volta creeranno altri vortici e quindi turbolenza. Se all’interno di un condotto inseriamo dei
turbolatori questi mi incrementano la velocità sia perché mi creano dei vortici sia perché il loro
inserimento mi restringe la sezione di passaggio del flusso e quindi mi provoca un aumento del
gradiente di velocità.
Ci sono alcune camere di combustione che sono parte non solo del cilindro ma anche del pistone, in
pratica sulla testa del pistone si va a ricavare una cavità entro la quale il fluido che entra sarà dotato
di una turbolenza ancora maggiore per la conservazione del momento angolare della quantità di
moto( restrizione dei raggi di curvatura = aumento di velocità).
In questo caso le velocità del flusso sono dell’ordine di 100 m/s. Quando parliamo di swirl ci
riferiamo alla vorticosità del fluido, a volte però si può parlare anche di squish che è la quantità di
ricircolo verso l’interno nella camera di combustione. Un esempio di camera di combustione che
sfrutta questo fenomeno è quella squish-lip.
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La conoscenza del campo di moto all’interno della camera di combustione sta diventando una
pratica alla base delle odierne ricerche sulla ottimizzazione dei flussi, la scelta della posizione in cui
sistemare la candela che poi provocherà la scintilla e quindi l’accensione si basa sulla
determinazione proprio del campo di moto del fluido all’interno della camera di combustione,
infatti la scintilla verrà posta proprio nella zona in cui la turbolenza sarà maggiore.
Particolare del pistone camera squish lip
Motori ad accensione per compressione
In questo tipo di motore l’accensione del combustibile non avviene per mezzo di una scintilla
generata da una candela, ma per via dell’elevatissima pressione che si raggiunge nel cilindro
durante le fasi di compressione. Il problema di questo motore è che se la combustione avviene
proprio in prossimità del punto morto superiore , questa per le elevate pressioni raggiunte può
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essere molto violenta. Questo tipo di problema può provocare sia danneggiamenti di tipo meccanico
come lo spostamento del pistone rispetto all’asse del cilindro cosa che può provocare grippaggi; sia
lacerazioni del film lubrificante presente all’interno del cilindro. Infatti la parete interna di
quest’ultimo deve essere esposta ai prodotti di combustione per un tempo breve in maniera tale che
l’olio non venga bruciato integralmente. Nel motore ad accensione comandata la scintilla veniva
scoccata al centro della camera di combustione, in questo modo il fronte di fiamma raggiungeva la
parete del cilindro quando il pistone si era spostato già verso il PMI e cioè quando le pressioni e le
temperature erano più basse in modo tale da non avere problemi con il lubrificante. Per risolvere
questi problemi si è pensato di far avvenire il processo di combustione in modo più controllato.
Questo può essere realizzato aggiungendo un diluente nella miscela oppure inserendo l’aria e quindi
realizzare una miscela super diluita; questa tecnica prende il nome di HCCI (Homogeneous charge
compression ignition = carica omogenea con ignizione per compressione). Mentre nel processo di
combustione in un motore ad accensione comandata l’ossidazione del combustibile, come si è detto,
si sviluppa con un fronte di fiamma che spazza la camera di combustione a velocità relativamente
limitata, nel processo di combustione HCCI la combustione interessa contemporaneamente tutta la
miscela omogenea e si innesca quando la sua temperatura raggiunge il valore di autoaccensione a
causa della compressione. Ne segue, quindi, che nel primo caso si ha una combustione progressiva,
mentre nel secondo tutto il combustibile avvia la combustione contemporaneamente. Questa pratica
consente di far avvenire la combustione in modo controllato. Sperimentalmente si è visto che queste
tecniche HCCI rispondono molto bene sui motori al banco mentre su strada il raggiungimento di
determinati obbiettivi prestazionali è stato ottenuto mediante l’utilizzo dell’elettronica. L’altra
tecnica è quella che prevede una carica stratificata cioè il combustibile viene iniettato mediante
un’elettrovalvola o uno spillo 10 gradi d’angolo di manovella prima del punto morto superiore. Il
mescolamento si verifica solo quando sono in gioco elevate velocità dei fluidi(Combustibile e
comburente). Il delta di manovella a disposizione per realizzare una giusta omogeneizzazione di
combustibile e comburente è di circa 40° :
-10°
PMS
30°
Durante questa omogeneizzazione solo una quota parte della miscela sarà raggiunta dal fronte di
fiamma in condizioni stechiometriche od entro i limiti di esplodibilità, in questo modo allora
ottengo che io non esplodo tutta la quantità di combustibile nella camera di combustione, ma solo
una quota parte in un determinato volume, successivamente man mano che questa viene alimentata
si ha una fiamma a diffusione che provoca l’accensione del resto della miscela.
L’apice delle innovazioni in campo motoristico negli ultimi anni è stato raggiunto dal common rail.
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Questo motore è in grado di raggiungere pressioni elevatissime (anche 2000 bar) che unito al fatto
di creare fori di iniezione estremamente ridotti consente al combustibile entrante in camera di
raggiungere velocità elevatissime e quindi migliori combustioni. In questo motore ci sono due
problemi tecnologici rilevanti :
- Realizzazione di un pompante adeguato
- Realizzazione di un otturatore adeguato per i fori di iniezione
I fori infatti di cui stiamo parlando hanno dei diametri dell’ordine di 100µm che non possono
essere occlusi mediante gli spilli tradizionali (utilizzati per fori con diametri di 200 µm ). Infatti i
sistemi di otturazione dei fori di iniezione per i Diesel tradizionali si basavano sull’utilizzo di spilli
che realizzavano la chiusura del foro andandosi ad inserire in una cavità di forma conica che
costituiva anche il foro di iniezione.
Il problema più grande che riguardò il Common Rail fu la realizzazione degli otturatori infatti il
sistema pompante fu realizzato senza troppi problemi. Il problema fu risolto dalla Bosch
realizzando i fori per l’iniezione mediante dei laser in ambienti sottovuoto accoppiati con delle
elettrovalvole che realizzavano la chiusura dei fori. Le velocità del combustibile raggiunte in questo
sistema sono dell’ordine dei 1000m/s ed inoltre questo arriva in camera di combustione ormai già
nebulizzato in goccioline di pochissimi micron tali da realizzare un’ omogeneizzazione completa. Il
problema che quindi ci si pone è dove poter mettere il foro di iniezione o i fori di iniezione e questo
si realizza mediante simulazioni fluidodinamiche che mirano ad ottimizzare i flussi. Oggi con le
elettrovalvole si possono stilare i tempi di apertura in millisecondi dei fori di iniezione in camera.
Elettrovalvola
Deflagrazione : Quel processo che procede per diffusione e si propaga quando la pressione finale è
più bassa della pressione iniziale