Combustione e Sistemi di Alimentazione Diesel

Motori con accensione per compressione

In questo caso il combustibile viene introdotto durante il processo di combustione (mentre nel caso dei motori ad accensione comandata, la combustione inizia solo dopo che si è creata una miscela più o meno omogenea di aria e combustibile), qui invece, man mano che il combustibile entra, brucia. Il caso ideale è quello che il combustibile brucia istantaneamente man mano che entra in camera; in questo modo si avrebbe una combustione che è completamente controllata dall'iniezione. Ad esempio, se volessi avere un rilascio di calore più graduale, andrei ad allungare la durata dell'iniezione, viceversa, se volessi inserire il calore in tempo più rapido, ridurrei la durata dell'iniezione.

Purtroppo però non è possibile avere questa situazione ideale, perché per raggiungere la combustione, è necessario che si completino una serie di processi di natura fisica e chimica. I processi fisici sono la polverizzazione del combustibile liquido in gocce di dimensioni molto piccole, per velocizzare il processo fisico successivo ovvero la vaporizzazione e il miscelamento del vapore di combustibile con l'aria.

Per quanto riguarda i processi chimici, ricordiamo che idrocarburi più complessi si devono scomporre in idrocarburi più semplici; poi cominciano le lunghe catene di reazioni chimiche, le prime delle quali sono le reazioni endotermiche, quindi senza rilascio di calore, anzi con assorbimento di calore e solo alla fine abbiamo le reazioni esotermiche che liberano il calore.

Combustione nel motore diesel

Nel caso del motore diesel, i processi fisici sono quelli generalmente più lunghi e le reazioni chimiche tendono invece ad essere rapidissime, perché in camera tendiamo ad avere elevate pressioni e temperature grazie ad elevati rapporti di compressione. Inoltre, nei motori diesel usiamo dei combustibili molto più reattivi dal punto di vista chimico; il gasolio infatti tende ad accendersi molto più rapidamente rispetto alla benzina. Questo è dovuto non solo alla natura dell'idrocarburo ma anche attraverso la correzione con degli additivi specifici.

Nel caso del motore ad accensione comandata, mettevamo degli additivi per ritardare l'accensione; nel caso dei motori diesel hanno lo scopo opposto, cioè rendere il più possibile rapido il processo di autoaccensione.

Ritardo

Per definizione il ritardo è il tempo che intercorre tra l'istante dell'inizio dell'iniezione, cioè nel momento in cui cominciamo a introdurre combustibile in camera e l’istante in cui il combustibile comincia ad accendersi rilasciando calore. Rappresenta un intervallo di tempo che corrisponde al tempo impiegato dalle prime gocce di combustibile a vaporizzare, miscelarsi e a completare tutte le reazioni chimiche, almeno quelle endotermiche, perché poi quando si arriva alla fase esotermica, di fatto il processo diventa istantaneo.

È proprio il ritardo che rende la combustione diesel differente rispetto al processo ideale in cui il combustibile brucia istantaneamente man mano che entra in camera, quindi in qualche modo cerchiamo di ridurre il ritardo, per avvicinarci sempre di più alla condizione ottimale. Vedremo che la combustione nel motore diesel è fortemente legata al sistema di iniezione, e questa è una cosa piuttosto diversa rispetto al motore ad accensione comandata.

Ma perché non ha un'importanza così fondamentale nel motore ad accensione comandata il sistema di iniezione? Tutto sommato infatti anche con un vecchio carburatore e con un sistema meccanico piuttosto approssimativo il motore funziona egregiamente. Stessa cosa, invece, non si può dire del motore diesel, perché il sistema di iniezione deve essere fatto in un modo particolare.

Calcolo tempi di iniezione

Trascuriamo un attimo il problema del ritardo e supponiamo di volere nel motore una combustione in qualche modo simile a quella che abbiamo nel motore a benzina, quindi una combustione che duri 50°-100° di angolo di manovella. L’iniezione di combustibile dovrà essere sicuramente inferiore alla durata della combustione che vogliamo, perché sappiamo che la combustione è la somma del tempo che impieghiamo per iniezione, ma anche del tempo di ritardo. Grossomodo, se vogliamo avere una combustione che ha durate paragonabili a quelli motori cessione comandata, dobbiamo pensare di iniettare in un angolo di manovella che sta tra i 20° e i 40°, quindi consideriamo 30°.

Allora il tempo che impiega il motore a spazzare questo angolo è inversamente proporzionale alla velocità di rotazione n. Troviamo nell’esercizio proposto che il tempo a disposizione per 30° a 3000 rpm è di 1,67 ms, quindi un tempo già piuttosto piccolo.

Andiamo a vedere da cosa dipende il tempo di iniezione. Anzitutto l'iniettore è costituito da una serie di forellini di diametro molto piccolo dell'ordine del decimo di millimetro, che sono alimentati internamente da un piccolo volume che si chiama SAC. L'ingresso del combustibile in questo volume che poi alimenta a sua volta i fori, è regolato da uno spillo. Quando lo spillo si chiude, di fatto non possiamo avere l'ingresso del combustibile dentro al SAC, e quindi il combustibile non può fuoriuscire attraverso i fori; quando lo spillo invece si solleva abbiamo un’area di passaggio, per cui il fluido entra attraverso questo volumetto, poi può fuoriuscire attraverso i fori. I fori sono circa 4-5.

Tempo di iniezione e parametri coinvolti

Quindi il tempo di iniezione dipende da:

• Massa totale da iniettare
• Area totale dei fori
• Differenza tra pressione dentro all’iniettore e la pressione dentro al cilindro

Se siamo a pieno carico e dobbiamo iniettare masse relativamente elevate di combustibile, vediamo che l'unico parametro su cui possiamo intervenire per ottenere dei tempi di iniezione accettabili è la pressione di iniezione. Infatti, se guardiamo gli altri parametri, la massa totale da iniettare è in qualche modo un target che noi abbiamo. L’area totale dei fori è qualcosa su cui abbiamo poco margine di intervento, perché innanzitutto i fori hanno diametri piccoli in modo da avere delle gocce di combustibile molto piccole che consentano di vaporizzare e miscelarsi velocemente al fine di limitare il tempo di ritardo.

Possiamo allora aumentare il numero di fori? Non va bene, perché dopo succede che si rende difficile il miscelamento dell'aria con il combustibile, in pratica i getti di combustibile si rubano l'aria l'uno con l'altro e quindi anche questo porta ad un aumento del tempo di ritardo. Quindi sostanzialmente in questo calcolo del tempo iniezione, l'area di fori risulta un qualcosa su cui si può intervenire in maniera limitata. La densità ovviamente rimane costante.

Quindi ci rimane come unico termine su cui si può intervenire, la differenza tra la pressione di iniezione e la pressione nel cilindro. Quindi ad alti regimi, quando abbiamo dei tempi molto ridotti soprattutto a pieno carico, ed dobbiamo avere masse elevate, occorre avere pressioni di iniezione molto elevate (almeno due ordini di grandezza in più rispetto alle iniezioni che usiamo normalmente sui motori a benzina!).

Supponiamo di voler invitare 50 mg di gasolio che presenta una densità di 830 kg/m³. Vogliamo iniettare in 30° di angolo motore, la velocità di rotazione è di 3000 rpm, 6 fori con un diametro di 0,12 mm. Risulta alla fine che la pressione di iniezione ovvero la differenza tra la pressione di iniezione e la pressione del cilindro è 1179 bar. Quindi un numero veramente notevole se pensiamo che nei sistemi di iniezione nei motori a benzina parliamo di 3 bar.

Notate che usando questa formula, raddoppiando la velocità di rotazione, passando ad esempio da 3000 a 6000 rpm, la pressione di iniezione ha una relazione quadratica con il rapporto tra le velocità di rotazione; quindi, raddoppiare la velocità di rotazione significa aumentare di 4 volte la pressione, quindi invece di 1179, parliamo di quasi 4700 bar, numero esageratamente grande.

Se dimezziamo la massa, vediamo che la pressione è quattro volte più piccola, quindi questo significa che il problema delle pressioni di iniezione elevate sorge quando siamo a pieno carico, infatti nel momento in cui il carico diminuisce, quindi la massa gasolio diminuisce, cala anche di molto l'esigenza di avere una pressione di iniezione elevata.

Se raddoppiamo il numero di fori o l'area di ciascun foro, anche qui riusciamo a ridurre la pressione, però come abbiamo detto in precedenza che in realtà su questo parametro non abbiamo tanto margine di manovra, perché aumentare l'area dei fori significa aumentare il tempo di ritardo.

Caratteristiche del sistema di iniezione

Oltre a iniettare il combustibile in tempi rapidissimi, il sistema di iniezione deve avere anche qualche altra caratteristica:

• Fasare l'iniezione all’istante opportuno, quindi non solo la durata dell’angolo di manovella ma anche il punto esatto. Devo infatti iniettare poco prima del punto morto superiore, quindi bisogna che il sistema iniezione sia capace di iniettare al momento giusto.
• Regolare il carico, significa poter ridurre la massa iniettata quando non ho bisogno della potenza massima.

Il sistema che inventò Robert Bosch nel '29 “pompa di iniezione in linea”, aveva già tutte queste funzioni, in particolare la fasatura era ottenuta con un albero a camme che veniva trascinato dal motore, un po’ come le valvole, e il carico veniva regolato tramite una cremagliera, un sistema che funziona talmente bene che viene usato ancora oggi, con qualche modifica, che però non cambia sostanzialmente il funzionamento. Non verrà chiesto all’esame però è un bel pezzo di ingegneria. Pensata quasi cent'anni fa funziona bene anche adesso.

Descrizione della combustione, iniezione diretta

Ci concentriamo sulla tipologia di combustione più tipica, ovvero a iniezione diretta, dove il combustibile è introdotto direttamente all'interno del cilindro. Osserviamo da questa immagine che la camera di combustione, è ricavata quasi interamente nel pistone. Quindi c'è una tazza del pistone che questa forma particolare a Omega.

Questa è una sezione evidentemente del pistone, la particolarità di questa BOWL o tazza è che è perfettamente assialsimmetrica rispetto all’asse del cilindro. L'iniettore viene posizionato il più vicino possibile, idealmente dovrebbe essere esattamente sull'asse del cilindro, e i fori sono disposti in modo da generare dei getti assialsimmetrici rispetto all'asse del cilindro. Questo cono formato dai getti che escono dall'iniettore ha un angolo di apertura tra i 120 e 180°.

Altra osservazione, la testa del motore è piatta e le valvole sono verticali. Tra la testa e il pistone, quando siamo al PMS la distanza è molto piccola, è proprio limitata al massimo (Motori automobilistici moderni sono intorno a 0,7 mm).

Fasi della combustione

Come procede la combustione in questo sistema di combustione? Supponiamo di avere un iniettore con un certo numero di fori, per esempio 6 fori. La combustione procede seguendo quattro fasi distinte:

• Ritardo: le prime gocce di combustibile vengono iniettate ad altissima velocità, cioè se voi calcolate con la formula che abbiamo visto all'inizio la velocità c1 del combustibile per una pressione di, ad esempio 1000 bar, vengono fuori delle velocità di qualche centinaio di metri al secondo, quindi vuol dire che il combustibile si troverà iniettato in camera ad una velocità altissima rispetto alla velocità dell'aria che circola all'interno della camera di combustione. Quindi è come se il combustibile andasse a scontrarsi contro un muro d'aria ferma. Quindi le prime gocce si polverizzano molto bene e quindi evaporano molto rapidamente. Dato che siamo ancora all'inizio del processo di iniezione, queste prime particelle di combustibile trovano tantissima aria, quindi si miscelano subito con l'aria e tendono a formare facilmente delle miscele che hanno composizione prossima a quella stechiometrica che permette l'avvio delle reazioni chimiche, almeno quelle endotermiche.
• Combustione premiscelata: nella miscela aria-combustibile formata fino a quel momento si ha un’autoaccensione nei punti dove il rapporto aria combustibile è più prossimo al valore stechiometrico. In brevissimo tempo, però, tutta la regione premiscelata brucia, perché, partendo da queste zone che sono circa stechiometriche, anche le zone di miscela molto ricca o molto magra, vengono scaldate dalla combustione delle zone stechiometriche e quindi accelerano subito la loro cinetica chimica. Il rilascio di calore è molto violento però, di norma, in una combustione diesel normale, la quantità di combustibile che è stato iniettato fino a quel momento in camera è ancora molto limitata, quindi possiamo arrivare al massimo al 20-30% del combustibile, quindi anche se questo combustibile brucia istantaneamente, date le limitate quantità, l'incremento di pressione e di temperatura in camera è comunque accettabile, non crea problemi.
• Combustione diffusiva: in questa fase il combustibile che entra in camera non riesce più a evaporare così facilmente, perché non è più vero che l'aria all'interno del cilindro è ferma, adesso è stata messa in movimento nella prima fase dell'iniezione e anche dalla combustione che si è generata, quindi il combustibile non riesce a evaporare in quanto non riesce a polverizzare così bene, quindi si forma un getto di combustibile liquido circondato da aria, vapore di combustibile e gas combusti distribuiti in maniera disomogenea.