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 alllungare 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 e 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.

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, poi anche perché

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 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.

E’ 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, quindi cerchiamo adesso di capire quali sono le esigenze specifiche di

un sistema di iniezione diesel.

CALCOLO TEMPI DI INIEZIONE

Trascuriamo un attimo il problema del ritardo e supponiamo di volere nel motore di 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 1,67ms,

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.

Vediamo

adesso

nell’immagine

sottostante, come ricavare, trascurando il ritardo (cosa che è impensabile, ma è utile ai fini

didattici).

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, e

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 830kg/m3

.Vogliamo iniettare in 30° di angolo motore, la velocità di rotazione è di 3000rpm , 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.

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 dalle

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).

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 ad

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.

Il disegno qui a fianco

rappresenta questa

situazione, vedete questa

lingua cos