Combustione e Sistemi di Alimentazione Diesel

Combustione completa e turbolenza in camera

1) Per avere una combustione completa è indispensabile che ci sia in camera molta più aria rispetto allo stechiometrico, perché va bene avere la turbolenza che ti permette di andare a miscelare l'aria con il combustibile, ma è meglio avere un'abbondanza d'aria per poter fare in modo che il combustibile raggiunga più facilmente la condizione stechiometrica; quindi, dobbiamo avere un lambda medio (>1,1, questo valore in realtà è già un valore critico).

2) Abbiamo detto che è fondamentale la presenza della turbolenza in Camera, quindi vedrete che tutti i motori diesel a iniezione diretta hanno una forma particolare dei condotti di aspirazione che devono generare una turbolenza nel cilindro che si chiama SWIRL, cioè devono generare un vortice all'interno del cilindro che presenta l'asse coincidente con l'asse del cilindro. Per esempio, qua vedete un condotto elicoidale? In pratica...

Un condotto che si avvolge intorno allo stelo della valvola e quindi costringe l'aria che deve entrare nel cilindro a ruotare intorno all'asse della valvola e quindi si forma appunto questo moto di swirl e aiuta moltissimo il processo di combustione, senza swirl le fasi diffusive e di completamento sarebbero disastrosamente lente e quindi non si avrebbe un completamento.

Se lambda > 1,5-2, quindi tipicamente tutte le volte che siamo a carico parziale, la combustione è completa e si hanno bassissime concentrazioni di idrocarburi incombusti e di ossido di carbonio, quindi molto inferiori al caso dei motori ad accensione comandata.

Le emissioni più significative sono quelle di ossidi di azoto (Nox) e di particolato (PM), che richiedono un sistema di trattamento specifico.

ANDAMENTO PRESSIONI

In conclusione, proviamo a studiare la combustione diesel normale guardando l'andamento della pressione nel cilindro e guardando l'andamento della frazione di combustibile.

bruciato. Facciamo esattamente come avevamo fatto per il motore accensione comandata, quindi prima analizziamo la pressione senza combustione, dunque abbiamo una traccia di pressione, è perfettamente simmetrica rispetto al punto morto superiore. Ora supponiamo di iniettare dal punto A quindi il punto -15 ° rispetto al punto morto superiore, che è zero. Quindi iniziamo a iniettare in A e terminiamo l'iniezione 15 ° dopo il punto morto, circa in D. Abbiamo un'iniezione di circa una trentina di gradi intorno al punto morto superiore. Allora vediamo di riconoscere le varie fasi che abbiamo descritto prima. Tra A e B l'andamento della pressione senza combustione e l'andamento della pressione con combustione sono esattamente coincidenti. Questa è la fase di ritardo, cioè la fase in cui il combustibile entra in camera, ma non si accende, cioè cominciano le fasi prima di evaporazione, poi miscelamento, ma solo nel punto B cominciamo ad avere.

Un primo rilascio del calore. Questo primo rilascio del calore diventa un rilascio molto violento, la linea tratteggiata rappresenta la velocità di combustione, cioè la derivata della frazione di bruciato x. Quindi abbiamo proprio un picco di velocità di combustione, perché siamo nella fase premiscelata dove tutta quella miscela che aveva raggiunto delle condizioni più o meno stechiometriche (anche se in realtà solo una parte era stechiometrica) tutto questo volume brucia e quindi si ha un brusco rilascio di calore e anche un brusco incremento della pressione.

Dopodiché, alla fine della fase premiscelata in C, la velocità di combustione subisce un tracollo cioè, abbiamo una combustione decisamente più lenta, che è quella diffusiva. Quindi la pressione nel cilindro dopo aver raggiunto un massimo più o meno sempre intorno ai 10, 15 °, comincia a calare.

In D smettiamo di avere l'iniezione,

ma può essere un problema per il motore stesso. Infatti, se la durata temporale dell'iniezione diminuisce troppo, potrebbe non essere sufficiente per garantire una combustione completa del combustibile. Questo potrebbe portare a una perdita di potenza del motore e a un aumento delle emissioni inquinanti. Per evitare questo problema, è necessario regolare correttamente il sistema di iniezione in base alla velocità di rotazione del motore. In questo modo, si può mantenere una durata angolare di iniezione costante intorno ai 30°, garantendo una combustione regolare e ottimale. In conclusione, il completamento della combustione avviene tra i punti D ed E, mentre il problema del ritardo nell'iniezione può essere risolto regolando correttamente la durata angolare di iniezione in base alla velocità di rotazione del motore.

Il problema è piuttosto il tempo di ritardo che non si riduce all'aumentare della velocità di rotazione, perlomeno non si riduce proporzionalmente la velocità di rotazione e rimane circa costante.

Allora cosa accade? Accade che aumenta la durata angolare del ritardo, quindi aumenta la frazione combustibile che si trova a bruciare in fase premiscelata.

La quantità di combustibile che si trova a bruciare nella fase premiscelata dipende dal ritardo, più il ritardo è grande, più vuol dire che sto iniettando combustibile senza che cominci a bruciare.

Quindi all'aumentare del ritardo, la combustione tende a diventare più brusca, facendo aumentare di molto il picco di pressione in camera, generando elevati carichi meccanici e termici sul manovellismo, inoltre aumenta anche il rumore, qui vediamo proprio la esemplificazione di questo discorso. Passiamo dalla curva tratteggiata nera, alla curva tratteggiata rossa con un picco di

velocità di combustione molto più elevata e di conseguenza vediamo che la pressione nel cilindro a un certo punto parte quasi verticalmente a causa di questa combustione premiscelata così brusca e ovviamente questo non è una cosa desiderabile. Quindi, con i moderni sistemi di iniezione ad alta pressione si arriva fino al 2000 bar, il limite di velocità di rotazione dovuto a questo problema di ruvidità è intorno ai 4000-4500 giri al minuto. Se fossimo ancora negli anni '90 con i sistemi di iniezione che arrivavano a 600, massimo 800 bar, si faceva fatica persino a superare i 3000 giri. CONSIDERAZIONI GENERALI SULLA COMBUSTIONE DIESEL (INIEZIONE DIRETTA) Abbiamo visto in precedenza le modalità con cui avviene la combustione nei motori diesel ad iniezione diretta, adesso confrontiamo queste modalità con quelle che abbiamo visto per il motore ad accensione comandata. Possiamo notare i seguenti vantaggi: - Possiamo avere un RENDIMENTO DI COMBUSTIONE che

è praticamente sempreUNITARIO. Ovviamente occorre che il sistema di combustione sia opportunamenteottimizzato. E questo rendimento unitario ce l'abbiamo in tutte le condizioni operative,sia a pieno carico che a carico parziale. Questo è un vantaggio perché invece ilmotore accensione comandata richiede a pieno carico spesso la presenza di miscelericche, avere una miscela ricca (lambda circa 0,9-0,8) vuol dire che 10 20% dicombustibile non può bruciare, quindi il motore accensione comandata hasicuramente a pieno carico dei rendimenti di combustione più bassi.- Altro vantaggio del diesel è il MAGGIOR RENDIMENTO DI ADIABATICITA’ INTUTTE LE CONDIZIONI e questo si ha soprattutto a basso carico. Come maiabbiamo minori perdite di calore attraverso le pareti? Innanzitutto perché latemperatura di combustione è più bassa nel diesel, questo è dovuto al fatto cheusiamo dei rapporti globali di aria/combustibile

decisamente più alti. Poi proprio è la modalità stessa con cui avviene la combustione, per cui se noi guardiamo la distribuzione di temperatura dei gas all'interno del cilindro durante la combustione, ci accorgiamo che i gas più caldi rimangono generalmente confinati al centro della camera, mentre sulle pareti, abbiamo gas relativamente più freddi, questo fa sì che lo scambio termico nel diesel sia un po' meno forte che nel motore ad accensione comandata. Ecco questa cosa si nota soprattutto ai carichi parziali perché, ai carichi parziali nel motore ad accensione comandata continua ad avere le stesse temperature di combustione perché mantiene sempre gli stessi rapporti aria/combustibile. Il motore diesel invece queste temperature di combustione crollano perché abbiamo grandi eccessi d'aria e di conseguenza si riduce anche lo scambio termico. - RENDIMENTO TERMODINAMICO PIÙ ELEVATO perché nonciclo termodinamico.

Rapporto di compressione, quindi avere la possibilità con il motore diesel di avere una combustione più rapida, significa avvicinarsi al ciclotermodinamico ideale (ciclo otto) e quindi avere la possibilità di incrementare leggermente il rendimento termodinamico.

E nel motore accensione comandata a carico parziale, la combustione non solo non diventa più veloce in termini angolari, ma addirittura tende ad aumentare, quindi tendenzialmente il rendimento termodinamico del motore ad Accensione comandata, cala seppur leggermente, al diminuire il carico.

Altro vantaggio del motore diesel è il fatto di avere delle EMISSIONI DI MONOSSIDO DI CARBONIO E IDROCARBURI INCOMBUSTI intrinsecamente PIÙ BASSE, soprattutto il monossido di carbonio ha concentrazioni che sono molto inferiori rispetto a quelli di un motore accensione comandata, in quanto la combustione avviene sempre con grandi eccessi d'aria, quindi il monossido.