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Andamento della pressione e della temperatura durante la combustione
NO(≈1ms) e le condizioni di equilibrio chimico possono essere avvicinate.Vediamo quello che succede in c.c.Abbiamo un’andamento della P nel primografico, che cambia rispetto al ciclo trascinatodopo un pò di tempo che la candela è stataattivata e si raggiunge un picco di P pocodopo il PMS. Per la frazione bruciataabbiamo quell’andamento a S.In termini di T abbiamo il secondo grafico,abbiamo due andamenti, uno per la miscela dicombustibile che brucia per prima Xb = 0, euno per quella miscela che brucia quando ilfronte di fiamma è arrivato alle pareti. I gasche bruciano per primi raggiungono imassimi valori di temperatura (3000K) , masoprattutto rimangono un sacco di tempo atemperature superiori a 2500K (sogliacritica), questa zona in prossimità dellacandela vede molto favorita la formazione diNO. I gas che bruciano dopo sonoproblematici per la detonazione ma non per laformazione di NO.Vediamo il terzo grafico, per quanto riguardai gas vicinoalla parete prima rispetto al centro della camera di combustione. Quindi, la formazione di NO sarà più alta vicino alla parete rispetto al centro. Per riassumere, la curva tratteggiata rappresenta la concentrazione di NO che avremmo se il sistema fosse mantenuto a una determinata temperatura per un lungo periodo di tempo. Nella realtà, la concentrazione inizialmente sale lentamente, raggiunge un picco e poi diminuisce gradualmente. Inoltre, la formazione di NO è più alta vicino alla parete rispetto al centro della camera di combustione. Queste informazioni sono importanti per comprendere il comportamento della formazione di NO durante la combustione e per sviluppare strategie per ridurre le emissioni di NO.molto tardi quindi le conc all'eq cambiano in maniera istantanea, nel caso reale quindi avremmo conc basse all'inizio ma successivamente si manterrà una conc maggiore rispetto all'eq. Il risultato finale sarà una conc media data dalle conc relative alle diverse frazioni di miscela. Pag. 118 a 187 Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli In questo grafico abbiamo i risultati sperimentali. Le linea tratteggiate sono ottenute da una modellazione numerica secondo Zeldovich. Abbiamo due posizioni W2 e W3, W2 la sonda è stata posta vicino alla candela, mentre W3 è lontana dalla candela. Quello che si osserva è che per entrambe la conc di NO locale cresce rapidamente al passaggio del fronte di fiamma e poi resta costante. La conc del W3 è dimezzata rispetto a W2. Il contributo principale alla formazione di NO è quindi dato dalle frazioni più prossime alla candela. Infatti, anche se la maggior parte della massa di miscelaÉ bruciata nella seconda parte del percorso del fronte di fiamma, la [NO] per le frazioni bruciate ad x = 0 é circa di un ordine di grandezza superiore a quella delle ultime frazioni bruciate. Solo per gli NO è possibile fare previsioni numeriche, o perlomeno è più fattibile (grazie al bastardone di Zeldovich). Pag. 119 a 187 Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli
Analizzato il meccanismo di formazione, si possono individuare i parametri motoristici che maggiormente influenzano la concentrazione di NO allo scarico di un motore S.I.:
- α Titolo di miscela
- → Presenza di diluenti in c.c. (EGR) modo indiretto per controllare la T
- → Anticipo di accensione altro modo indiretto per controllare la T della fiamma
Cominciamo con il titolo di miscela: Il massimo di [NO] si ottiene per miscele debolmente magre, dell’effetto circa 16. Per questo valore abbiamo una combinazione della T e della carenza di Ossigeno. A sinistra abbiamo carenza
Di ossigeno, le T sono alte ma principalmente è l'ossigeno a influenzare maggiormente. Se ci muoviamo verso sinistra passiamo da una condizione di atmosfera ossidante a una riducente, significa che passiamo da eccesso di ossigeno quindi è promossa la formazione di NO a una situazione di carenza ossigeno e quindi viene promossa qualunque reazione che riporti alla disponibilità di ossigeno, quindi la reazione inversa di formazione degli NO.
Se ci muoviamo verso destra (più magra), abbiamo una temperatura di combustione che si abbassa rapidamente e quindi già di per sé è attenuata la formazione degli NO, ma sostanzialmente abbiamo anche una atmosfera ossidante che ostacola le reazioni di riduzione e produciamo meno ossidi di azoto e quella concentrazione la conserviamo fino alla fine del processo di combustione.
Quindi ricapitolando, verso sx andiamo ad aumentare le T e produciamo molto NO ma una parte viene fenomeno di riconversione è impossibile.
Perché l'atm non è riducente mariconvertito. Verso dx questo ossidante, però per fortuna le T sono più basse e quindi abbiamo meno NO.
Vediamo ora la presenza di diluenti:
Per diluente si intende una specie chimica (un gas) che sia inerte, che quindi non partecipi al processo di combustione. Abbiamo a disposizione nei fumi di un motore con miscela stechiometrica, non abbiamo più ossigeno, abbiamo N (inerte) e abbiamo i prodotti di combustione CO2 e H2O. Come obiettivo quindi abbiamo quello di aumentare il tenore di inerti rispetto a quella normale miscela con i residui di combustione che restano intrappolati alla fine del ciclo.
In un normale motore noi abbiamo sempre un pò di gas combusti che restano intrappolati nella cc, quando si un nuovo ciclo, iniziando dall'aspirazione ci ritroviamo anche questi gas che impicciano ma effettua contribuiscono ad abbassare la T del sistema. Si può quindi sfruttare questa cosa per ridurre la
Questa tecnica si chiama EGR: È possibile usare EGR fino a circa il 20-30% senza grosse penalizzazioni (a carico parziale, dove la portata d'aria non cambia molto con EGR), ottenendo una riduzione di [NO] fino a 200 ppm. L'effetto a valori di EGR è l'aumento della capacità termica dei gas in c.c., come verificato usando diversi diluenti:
Dal grafico a DX si può osservare che si hanno risultati simili per tutti i tipi di diluenti. Infatti il fattore determinante è il prodotto portata in massa x calore specifico, mentre la natura chimica (purché inerte) non è significativa.
L'effetto del ricircolo è di solito analizzato utilizzando il parametro Gas to Fuel ratio G/F:
X frazione di gas combusto in c.c.bE' il metodo più semplice sia nel benzina che nel diesel per controllare in cc la produzione di NO, in quanto ricordiamo che bastano poche decine di gradi in meno per abbassare di molti ordini di grandezza la produzione di NO.
SVANTAGGI
Il problema è che al di sopra di alcuni valori di EGR (%) l'efficacia sugli ossidi di azoto si mantiene ma si penalizza il comportamento del motore da tre punti di vista:
- in termini di stabilità del processo di combustione la combustione diventa molto lenta. Gli inerti devono essere perfettamente miscelati con l'aria fresca altrimenti si possono formare delle sacche dove il fronte di fiamma non riesce a propagarsi, con risultato che la combustione diventa zoppicante. Se il fronte di fiamma non riesce a propagarsi in alcune zone allora rischiamo di generare tante emissioni in termini di HC (idrocarburi incombusti).
- In termini di potenza erogabile in quanto sostituendo una parte
nelle condizioni di pieno carico questo motore detona sicuramente, il che è un peccato perché con un alto rapporto di compressione posso ottenere rendimenti molto alti, allora uso il motore normalmente finché non arrivo ad alto carico e in quel momento inizio a iniettare acqua così da limitare la detonazione. Il problema di questa tecnologia è che non è facile far evaporare l'acqua e l'acqua nella camera di combustione in forma liquida è un bel problema.
Formazione NOx dei Diesel
Vediamo nel dettaglio la formazione degli NOx per il DIESEL. La cinetica di base che porta alla formazione di NO ed NO è la medesima già analizzata per i motori S.I. e2. Abbiamo ossigeno e azoto molecolare nell'aria che può essere modellata secondo lo schema di Zeldovich. Sono stabili fino ad
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