Motori endotermici alternativi (parte 2)

LAMINARE

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Combustione normale motore ad accensione comandata

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F 24 start

Soci of

combustion

end of

FOC : combustion

TDC

Curva rossa: curva del motore senza combustione (motore trascinato); simmetrico rispetto al TDC

Curva blu: curva di pressione

Curva verde: curva di frazione del bruciato

-25°: Inizio della scarica elettrica tra gli elettrodi: accensione

-15°: la traccia in combustione comincia a staccarsi da quella in trascinato

-10°: brusco cambio di pendenza della curva del bruciato: transizione da propagazione laminare a

turbolenta

+10°: brucia metà del combustibile

+13°: picco di pressione massima in camera

+25°: nuovo cambio di pendenza della curva del bruciato poiché il fronte di fiamma ha raggiunto le

pareti più lontane, fase di completamento

+45: non vi è più alcun sensibile rilascio di calore.

Fase Laminare (durata 15°, brucia meno del 5% del combustibile disponibile): la cinetica chimica

è molto lenta per via delle basse pressioni e temperature, il fronte di fiamma ha una superficie

regolare approssimativamente sferica e si propaga in modalità laminare la velocità di propagazione

del fronte di fiamma (e quindi la velocità con cui viene bruciata la miscela) dipende da: pressione,

temperatura, composizione della miscela; NON dipende, o dipende debolmente dalla turbolenza.

Fase turbolenta (durata 35°, brucia circa 85% del combustibile disponibile):

date le crescenti temperature e pressioni in camera, la cinetica chimica diventa molto più rapida

dei fenomeni di trasporto di massa e di energia,

il fronte di fiamma presenta allora una superficie corrugata che ne amplifica enormemente l’area, e

si propaga in modalità turbolenta;

maggiore è la turbolenza, maggiore è il corrugamento della superficie, più rapida è la combustione;

forma della camera di combustione,

fondamentale è anche la che deve permettere al fronte di

fiamma di espandersi il più liberamente possibile, fino al raggiungimento delle pareti più lontane

della camera (camere di forma schiacciata tendono invece a limitare l’estensione del fronte di

fiamma) nella fase turbolenta, la miscela viene sempre bruciata più rapidamente rispetto alla fase

laminare; la velocità di propagazione del fronte di fiamma in questa fase risulta debolmente

influenzato dalla composizione della miscela (anche miscele magre possono bruciare rapidamente

se i livelli di turbolenza sono elevati).

Fase di completamento (durata circa 20°, brucia circa il 10% del combustibile)

Anche se il fronte di fiamma ha raggiunto le pareti più lontane, una piccola parte del combustibile

disponibile non è ancora bruciato per vari motivi (reazioni chimiche più lente in prossimità delle

pareti raffreddate, miscela che si annida nelle “crevices”).

Il crollo delle temperature e pressioni durante la fase di espansione rallenta fortemente la velocità

delle reazioni chimiche;

la combustione potrebbe quindi anche non completarsi, lasciando idrocarburi incombusti allo

scarico; in questa fase la turbolenza ha un’influenza molto debole.

L’anticipo di accensione è fondamentale per massimizzare il lavoro indicato: non deve essere

troppo grande (lavoro negativo in compressione), né troppo piccolo (se il rilascio di calore avviene

tutto in fase di espansione, le pressioni si riducono per via dell’aumento contemporaneo di volume)

L’ANTICIPO OTTIMALE SI HA QUANDO LA FRAZIONE DI BRUCIATO RAGGIUNGE IL 50% A

8-12° DOPO TDC.

Influenza della dosatura: con miscele leggermente ricche (λ=0.85-0.90) si massimizza il lavoro

raccolto; con miscele leggermente magre (λ=1.05-1.1) si massimizza il rendimento.

Il picco di pressione massima viene di solito limitato per contenere le sollecitazioni meccaniche

(<90 bar per gli aspirati, 100-150 bar per i sovralimentati).

gradiente massimo di pressione

Va limitato anche il (tipicamente <5 bar/°) per la rumorosità della

combustione.

Limiti dea combustione

Situazioni anomale da tenere sotto controllo:

Dispersione ciclica:

1. essendo la combustione un processo aleatorio, ogni ciclo sarà diverso

dal precedente nonostante possano esserci stesse condizioni. Le differenze sostanziali sono

nella prima fase (accensione e propagazione laminare del fronte di fiamma) della combustione.

La dispersione ciclica deve essere limitata poiché si può arrivare alla non accensione della

carica (misfire). È un fenomeno limitabile ma non cancellabile.

La dispersione ciclica dipende da:

pressione e temperatura

• della carica a fine compressione. Più elevate sono p e T, meglio è per

la dispersione ciclica: se T aumenta aumenta anche la rapidità delle reazioni chimiche. Se p

aumenta, l'accensione è favorita però, pressioni troppo alte determinano un rallentamento del

fronte di fiamma laminare (i fenomeni di trasporto sono limitati). A carichi parziali, la carica entra

con pressione inferiore, di conseguenza è più difficoltoso accendere la miscela. Queste

condizioni sono solitamente un po' più critiche.

dosatura:

• con miscele magre la dispersione aumenta. La dosatura ideale è 0,8<λ<1.

Caratteristiche candela:

• capacità di smaltire il calore. Le candele fredde, hanno un'alta capacità

di dissipare il calore, aiutano il problema della detonazione, dall'altro lato rendono più difficoltosa

l'accensione della miscela.

Velocità dei gas sotto candela:

• i gas devono avere velocità ridotte nel momento dell'

accensione (effetto soffio sulla candela).

Autoaccensione.

2.

Autoaccensione

L'autoaccensione spontanea è un fenomeno da eliminare. I fenomeni di autoaccensione possono

classificarsi in due categorie:

Autoaccensione a superficie:

1. nel cilindro si trova una zona calda che innesca un secondo

fronte di fiamma senza la scarica elettrica. Questo fenomeno è deleterio soprattutto quando

questa accensione si verifica prima di quella principale. In questo modo si aumenta l'anticipo di

accensione e di conseguenza aumentano anche le pressioni e temperature in camera. Il punto

caldo si scalda ulteriormente creando l'autoaccensione sempre più anticipata e sempre più

dannosa. L'autoaccensione a superficie che avviene dopo l'innesco della scintilla nella candela

è meno dannosa ma comunque da evitare.

Autoaccensione a volume:

2. si ha un intero volume di fluido che si autoaccende. Questo

fenomeno viene di solito rilevato misurando la traccia di pressione nel cilindro. Nella traccia di

pressione si nota un 'seghettamento'.

AutoAccensione

Midure :

X

↑ fiamma

fronte

V .

↓ reattività gas

mus

Se queste oscillazioni aumentano il problema peggiora perché:

• il calore rilasciato spontaneamente non viene convertito in lavoro. È un fenomeno impulsivo che

porta un incremento del flusso termico verso le pareti, surriscaldandole. Il surriscaldamento porta

rotture meccaniche.

Dove avviene l'autoaccensione?

L'autoaccensione avviene nelle zone più lontane rispetto alla candela perché in queste zone la

pressione e la temperatura crescono: a un certo punto si innescano le reazioni chimiche dove il

fronte di fiamma non è ancora arrivato. È un fenomeno che vede due processi in contrasto:

1. Propagazione del fronte di fiamma

2. Reazioni chimiche che avvengono lontane dalla candela (end gas). Se il fronte di fiamma arriva

agli end gas prima del completamento delle reazioni chimiche, allora non avviene

l'autoaccensione.

Si può ridurre la probabilità di detonazione agendo su questi due punti.

Da un lato aumentare la rapidità di propagazione fronte di fiamma; dall'altro si deve ridurre il più

possibile la reattività degli end gas. Agendo su entrambi i punti si ottiene il massimo risultato.

Da cosa dipende la rapidità del fronte di fiamma nel raggiungere le pareti più lontane?

Intensità della turbolenza:

1. aumentando la turbolenza il fronte di fiamma si muove più

rapidamente

Dosatura:

2. per massimizzare la velocità di propagazione del fronte si deve utilizzare una

dosatura ricca. La dosatura ricca però crea problemi riguardo la reattività degli end gas.

Forma della camera:

3. una camera compatta che consente alla miscela di essere il più

compatta possibile vicino alla candela, sicuramente favorisce la rapidità le fronte di fiamma.

Reattività degli end gas: come ridurla?

1. Pressione e temperatura nelle zone più lontane devono essere ridotte. Questi parametri

dipendono da:

• Rapporto di compressione;

• Pressione di sovralimentazione se il motore è sovralimentato;

• Anticipo di accensione

• Scambio termico con le pareti: se le pareti intorno agli end gas sono molto alte, favoriscono le

reazioni chimiche.

Dosatura:

2.

• magra: λ>1 riduce la reattività ma anche la velocità di propagazione del fronte di fiamma. Non va

bene perché viene penalizzata troppo la propagazione del fronte

• Leggermente ricca: 0,9<λ<1, per la velocità del fronte di fiamma ma non per la reattività degli end

gas che si accendono facilmente.

soluzione.

• Decisamente ricca: λ<0,8 è la Con questa miscela non si penalizza eccessivamente la

velocità del fronte di fiamma ma viene smorzata contemporaneamente la reattività degli end gas.

Perché la miscela decisamente ricca riduce la reattività degli end gas?

• La capacità termica di una miscela è proporzionale alla quantità di combustibile immesso nella

miscela. Quindi una miscela più è ricca più è alta la sua capacità termica: comprimendo la

miscela si scalda di meno e fa sì che la temperatura finale della compressione sia più bassa

• Il combustib