Lezioni esame Macchine

F

superano i 4000 rpm con un motore Diesel)

Le fasi della combustione in un motore ad accensione per compressione sono le seguenti:

1) Ritardo: periodo fra l’inizio dell’iniezione e l’inizio della combustione premiscelata. Fase a rilascio di

calore negativo (assorbe calore) perché il combustibile iniettato per vaporizzare necessita del calore

latente di vaporizzazione che assorbe dall’ambiente in cui entra.

2) Fase di combustione premiscelata: fase iniziale di combustione in cui si ha un picco di calore generato

molto alto a causa della quasi istantanea combustione di parte della miscela iniettata.

3) Combustione controllata: fase in cui si libera la maggior parte dell’energia del combustibile e che

avanza con meccanismo diffusivo.

4) Completamento delle reazioni: in questa fase tutte le zone che inizialmente hanno formato un (A/F)

troppo povero di combustibile vengono portate in giro per la camera dai vortici di turbolenza fino a

trovare zone in cui c’è una quantità di combustibile sufficiente a far bruciare anche queste parti fatte

principalmente di incombusti. In questo momento avverrà anche la combustione di quel

combustibile che inizialmente aveva colpito le pareti e dunque era stato soggetto a un calo di velocità

di vaporizzazione perché si era raffreddato a contatto con esse e si era diluito con l’olio combustibile.

Infine già in fase di espansione si ha il completamento dell’ossidazione del particolato solido (a

temperature intorno ai 650°C).

La combustione eterogenea utilizzata nei motori ad accensione per compressione da un lato consente la

regolazione di coppia regolando la quantità di combustibile introdotto a parità di aria aspirata (questo è

possibile perché data la disomogeneità della miscela anche se vario (A/F) complessivo avrò sempre zone

che si mantengono nel range di accensione), ma dall’altro canto quando i fronti di fiamma procedono

all’indietro si crea una situazione con molto combustibile e poca aria in presenza di alta temperatura che

porta a cracking molecolare.

Col cracking le molecole tendono a

spaccarsi e formare il particolato

solido che dopo essersi formato si

ossida fino a temperature molto

basse, lungo tutta la fase di

espansione.

L’ammontare di particolato che si

forma è molto alto, soprattutto ad

alto carico quando il λ globale è in

magro ma non di molto perché ho

zone particolarmente ricche.

Dunque il particolato è un

problema tipico della combustione

disomogenea che seppur con λ

globalmente in magro conserva

zone con λ molto in grasso.

Per limitare la combustione ruvida si dovrà plasmare diversamente la curva di rilascio del calore (dQ/dt), per

questo si ricorre a sistemi common rail che suddividono, grazie a particolari iniettori, l’iniezione in tante

piccole iniettate (ciascuna della durata di circa 150ms) per precondizionare la camera.

Da un punto di vista dell’energia se ho alto numero di giri e alto carico, la curva di rilascio dell’energia sarà la

seguente: Muovendosi verso la curva grigia si ha un rilascio di energia in

termini di picco raggiunto e in termine integrale (cresce la parte

premiscelata a fronte di un calo della parte diffusiva) che può

portare a rumori ed emissioni inaccettabili. Per tale motivo si

suddivide l’iniezione in più iniettate successive (tipicamente fino

ad 8 di cui le ultime 3 non generanti coppia) la curva cambia



aspetto presentandosi con una prima piccola premiscelata

seguita da una seconda premiscelata e poi da una coda di

combustione diffusiva (nel caso di 3 iniettate).

Riesco a limitare molto il picco di premiscelata con



conseguente riduzione del rumore.

L’energia liberata in fase premiscelata dipende dalla quantità di combustibile introdotto e dunque dipende

dalla portata di combustibile e dal tempo che passa tra l’istante di inizio dell’iniezione e l’inizio della

combustione premiscelata (in parte tale tempo è conseguenza del combustibile usato).

Infatti alla partenza della combustione premiscelata pressione e temperatura in camera sono basse e quindi

la cinetica chimica è lenta. Questo influisce sul tempo di autoaccensione del combustibile che noi vorremmo

fosse piccolo (al limite 0 nel caso in cui appena introdotto il combustibile questi si accenda liberazione



energia comandata dall’iniezione). Se il tempo di autoaccensione però non è nullo allora inietto e solo dopo

un po’ si libera energia. Nel caso in cui questo tempo sia lungo e il carico elevato, l’energia che si sprigiona è

alta nei motori ad accensione per compressione è importante avere un combustibile con basso tempo di

autoaccensione, ecco perché i combustibili usati in tal caso non si definiscono sulla base del numero di

numero di Cetano

Ottano, ma sulla base del che esprime il potere detonante di un combustibile. Si misura

anch’esso con un motore da ricerca in condizioni di temperature di aspirazione e scarico fissate, anticipo fisso

e rapporto di compressione che può variare così da ottenere un tempo di ritardo all’accensione che viene

confrontato con quello di una miscela di cetano (forte accendibilità N =100) ed eptametilnonano (scarsa

c

accendibilità N =15) che si accende a pari r .

c c

numero di Cetano (N )

DEF: il si definisce come la percentuale di cetano in una miscela di cetano e

c

eptametilnonano che porta, nel motore da ricerca in condizioni standard e con lo stesso r , allo stesso tempo

c

di ritardo all’accensione del combustibile che voglio testare.

Poiché, se nella fase di combustione premiscelata il tempo di ritardo all’accensione è alto, ho una grande

quantità di combustibile che si accende quando parte la premiscelata causando un picco di temperatura e

pressione elevato ci si spinge verso combustioni con tempo di accensione basso (N alto) e verso

 c

combustioni di tipo PILOT (gergo Marelli) che presenta una iniezione piccolissima prima del PMS che dopo il

tempo di autoaccensione rilascia energia andando a scaldare l’ambiente attorno all’iniettore o PRE-MAIN-

AFTER (gergo Bosch) che consiste nel suddividere l'iniezione principale in una sequenza di tre iniezioni

ravvicinate (Pre - Main - After) mantenendo la possibilità di attuare le iniezioni Pilot e Post in un arco

temporale più ampio. L'iniezione Pre riduce il rumore di combustione a freddo e contiene le emissioni;

l'iniezione After favorisce la post-ossidazione del particolato generato nella fase di combustione.

Queste tipologie di iniezioni servono a ottenere piccole combustioni premiscelate non fastidiose che però

scaldano la camera riducendo il tempo di ritardo all’accensione sull’iniettata principale. Si genera inoltre una

notevole riduzione di emissioni acustiche perché si riduce il dp/dϴ che è il motivo della rumorosità.

Mettendo insieme tante premiscelate ottengo da

una parte la limitazione della lenta fase diffusiva e

dunque degli inquinanti e dall’altra limito le

emissioni rumorose.

Esempio di iniezione PILOT: iniezione di 1mm ≈ 0,8mg di combustibile sottoposto a 2000 bar di pressione a

3

monte dell’iniettore. Tempo di apertura dell’ugello ≈ 150ms

Riprodurre queste condizioni migliaia e migliaia di volte è molto difficile soprattutto tenendo conto dei

fenomeni di usura ecco perché si adottano particolari iniettori piezoelettrici che rispondono meglio alle alte

frequenze rispetto a quelli comuni.

Risulta molto complicata la calibrazione di un sistema common rail poiché per tutto il piano di funzionamento

(rpm-coppia) bisogna stabilire quanto iniettare per ogni iniettata e quanto distanziare tra loro le singole

iniettate sulla base delle condizioni di funzionamento a cui si aggiunge l’ottimizzazione dell’EGR.

30 ottobre 2017

Le emissioni inquinanti sono prodotti anomali della combustione, sono altri prodotti oltre gli attesi H O e

2

CO . Occorre fare la distinzione tra gli inquinanti, che hanno effetto locale, e le sostanze climalteranti, che

2

hanno effetto planetario negli ultimi 40-50 anni dal punto di vista legislativo c’è stato un atteggiamento



diverso tra queste 2 emissioni: solo negli ultimi 10 anni si è preso in considerazione di limitare le sostanze

climalteranti (CO principalmente), prima ci si era interessati solo delle prime (già dagli anni ’70).

2

Inquinanti ossido carbonio (CO), idrocarburi incombusti (C H ), NO e NO (NO generici), particolato solido

 x y 2 x

[non è ovviamente una sostanza chimica, è diverso dagli altri essendo solido, inoltre non ha una formula

chimica particolare (ha base ovviamente carboniosa su cui si innestano specie chimiche di varia natura)].

Climalteranti CH , N O , CO

 4 2 2 2

È stato introdotto un indice detto GWP (global warming potential) il quale quantifica l’effetto serra delle varie

sostanze: per esempio il metano è molto più climalterante della CO , cosi come N O , tuttavia la CO è la

2 2 2 2

fonte principale dell’inquinamento essendo quantitativamente molto superiore agli altri.

Sul ciclo di omologazione un veicolo emette 100-140g al km di CO di solito. Gli inquinanti sono prodotti

2

“inattesi” della combustione e le quantità sono piccole (rapporto 1:1000 con la CO ). I limiti delle normative

2

sono nell’ordine dei 500-1000mg/km di CO e quantità più basse per gli altri. Anche CH e N O , a meno che

4 2 2

non sia veicolo a metano, sono quantitativamente enormemente inferiori a CO . Anche se il GWP di queste

2

sostanze è elevato, l’impatto complessivo è molto minore di CO , data la minor massa emessa, perciò esiste

2

una normativa solo per quest’ultima.

I limiti sulle emissioni CO hanno stimolato diverse soluzioni tecnologiche:

2

- usare combustibili senza carbonio (idrogeno), ma H non è una fonte primaria di energia, è un vettore

energetico non essendoci giacimenti. La maggior parte dell’idrogeno è prodotto con “steam

reforming” e “partial oxidation”, ovvero è ricavato da idrocarburi. Si può ottenere dall’idrolisi, ma

consumo grandi quantità di energia per produrre idrogeno dall’acqua (sarebbe quindi auspicabile

usare energia rinnovabile per alimentare questo processo), inoltre non si presta ad essere usato

come combustibile dovendo essere stoccato a -200°C.

- Altra soluzione può essere usare fonti con poco carbonio: metano o GPL (propano + butano) facendo

così calare del 25% l’impatto di emissione di gas serra. Si possono oppure usare combustibili di

provenienza vegetale: