Sviluppo e innovazione nei motori a combustione interna: teoria del corso

LOW TEMPERATURE COMBUSTION

La combustione a bassa T è una soluzione per ridurre le emissioni di NO_x. Esse possono esser ridotte tenendo T_comb < 2200 K.

• Produce poco particolato agendo su λ.
• Il particolato si riduce aumentando il miscelamento oppure raffreddando l'ossidazione.
• Ciò riduce il lavoro nella zona gialla.
• Low temperature > combustione unica > pregio del Diesel.
• La spark ignition con benzina.
• Alta efficienza del Diesel (η_c).
• Basse emissioni in combustione.

Il concetto principale dell'LTC è quello di creare una miscela povera e più omogenea possibile. Essa inoltre deve essere in grado di autoaccendersi.

Nel grafico si notano 2 zone:

• HCCI (Homogeneous charge compression ignition); caratteristiche: Bassi NOx e particolato
• LTC (Low-temperature combustion Diesel); caratteristiche: Particolato: pre-miscelimento (Combustione entro nella zona grigia)

La LTC prende in considerazione non vi è un gruppo di comubussione, ognuna deriva da una delle idee LTC.

Ogni tecnologia differisce dalla precedente per la creazione della carica da accendere. Ognuna lavora con un'accensione per combustione e ognuna mostra come limite della combustione la difficoltà di autoaccensione.

• Più la carica è povera e omogenea, più le emissioni sono basse e più difficile è l'accensione della combustione.
• Creare zone ricche all'interno della camera (al expo con la stratifificazione della carica) aumenta le emissioni ma facilita l'accensione della combustione.

La combustione HCCI fa parte delle tecnologie LTC e la capostipite. Essa consiste in 3 fasi:

• Preparazione della miscela: ultra magra per via indiretta (PFI nel condotto, di aspirazione) e per via diretta (DI nel cilindro ma in modo anticipato, rifondendo all'interno della miscela).
• La preparazione della miscela viene fatta anche utilizzando EGR con un ricircolo interno; aiutando la chiusura della valvola di scarico.
• Autoaccensione della carica: a caldo pressione, a causa dell'alto rapporto di compressione che fa arrivare la miscela alla T autoaccensione.

Il controllo del rilascio del calore usando diversi methods for raggiungere l'ottimo rendimento ed efficienza.

Vantaggi degli HCCI rispetto al Benzina a causa di:

1. Maggiori rapporti di compressione.
2. Minori perdite per irraggiamento e di scambio termico (grazie a T piu basse)
3. Combustione più completa
4. Eliminazione perdite per parzializzazione.

Il campo di funzionamento degli HCCI è rappresentato da:

Limiti superiori (aumentando il combustibile)

• Detonation, a causa dell'aumento b del carico.
• Un aumento del carico porta a diminuzione

Limiti inferiori (diminuzione di combustibile)

• Interviene dell'aumento di CO
• Missing, il combustibile non brucia e si ha calo senza accensione.
• Temperatura ambiente troppo bassa
• Ad basso carico serve tanta energia chimica per l'autoaccensione.

La sfida più importante degli HCCI è il controllo della combustione.

• Una combustione troppo anticipata potrebbe portare ad un picco.
• Una combustione molto ritardata potrebbe portare a una combustione incompleta.

Ci sono molte strategie per controllare la combustione negli HCCI:

1. EGR (exhaust gas recirculation)

L'EGR può essere esterna o interna:

• Esterna, eseguita con una valvola EGR.
• Interna, eseguita chiudendo anticipatamente la valvola di scarico.

Aumentando l’EGR si ha un ritardo sull’inizio della combustione, un più basso.

EMISSIONI INQUINANTI

I principali inquinanti sono: CO, HC, Particolato (PM), NO_x, SO_x/SO₃, e CO₂

I primi 4 inquinanti hanno un effetto nocivo sulle persone, mentre gli ultimi due sull'ambiente. Il particolato e la CO₂ che aggrava l'effetto serra.

Solitamente, si modifica un motore per diminuire le emissioni degli inquinanti primari, avendo un peggioramento dell'efficienza del motore che si traduce con un aumento della CO₂ che quindi non ci gioca un buon percorso.

In un MCI che ossida un combustibile in presenza di un comburente (O₂), durante il processo di combustione di un MCI gli inquinanti che si formano sono dovuti a:

• Combustione INCOMPLETA: CO, NO_x, idrocarburi incombusti (HC)
• Combustione COMPLETA: Come SO₂, SO₃, CO₂, H₂O

Questi sono tutti gas che si esaltano dell'ossidazione completa del combustibile. Quindi in volume CO₂ e H₂O, se in volume abbiamo combustione incompleta, avremo quei gas che rimangono e interferiscono col processo.

Attualmente, il motore più efficiente viene raggiunto nei motori Diesel (anche chiamati a ciclo Otto), che riducono gas come CO, NO_x, e PM.

I parametri che influenzano la produzione di inquinanti

• PARAMETRI BASE: P, T, tempo di miscelazione (in camera di combustione).
• PARAMETRI MOTORISTICI: volumi, accelerazione, pressione di iniezione, velocità, carico, geometria della camera di combustione.

I diagrammi che legano la produzione di inquinanti con il rapporto aria/combustibile sono i seguenti.

Da ricordare che:

• Nei MAS abbiamo solamente miscele povere, vale a dire λ>1.
• Si osserva che λ che causa alte produzioni di NO_x è 1.1, CO trascurabile alle miscele magre, sotto 3000 ppm, CO trascurabile alle miscele magre, PM trascurabile con miscele molto magre.

Attualmente sono fissati da norme limiti di m₁₀ a 2.1 PM₁₀ =