Motori a combustione interna

FASI DEL PROCESSO DI COMBUSTIONE:

1. Fase d’incubazione o sviluppo della fiamma: il

primo nucleo di miscela, acceso dalla scintilla,

brucia gradualmente, facendo aumentare la

pressione, che cresce oltre il valore previsto

dalla legge di compressione. In questo stadio

la fiamma laminare si propaga alla miscela, e

solo dopo un certo tempo (tempo di

incubazione, circa ∆ = 10° ÷ 20°) si riscon-

tra un aumento di pressione, dovuto alla

trasformazione graduale della fiamma da

laminare a turbolenta;

2. Fase di combustione turbolenta: rapida pro-

pagazione del fronte di fiamma, turbolento e

pienamente sviluppato, attraverso la maggior

parte della camera di combustione, il cui

volume varia di poco (pistone si muove at- 36

torno al PMS). La struttura e la velocità del fronte di fiamma dipendono dalle

condizioni di moto della carica, che variano con il regime di rotazione;

3. Fase di completamento della combustione: inizia dall’istante in cui il fronte di

fiamma incontra la parete più lontana della camera.

SVILUPPO DELLA PRESSIONE NEL CILINDRO:

Dall’andamento della pressione nel cilindro dipende il lavoro meccanico raccolto sul-

l’albero motore: dato che il processo di combustione non avviene istantaneamente, va

distribuito attorno al PMS per massimizzare la conversione di lavoro in energia ter-

mica rilasciata. Si agisce quindi anticipando il PMS, anche se un eccessivo anticipo

farebbe aumentare il lavoro di compressione del pistone sul fluido (lavoro negativo);

se invece si ritardasse l’accen-

sione il picco di pressione non

sarebbe in corrispondenza del

PMS, producendo una diminuzio-

ne di lavoro di espansione raccol-

to dal pistone: l’anticipo ottimo

garantisce il miglior compromes-

so tra questi due casi, e risulta

essere tanto più grande quanto

più è lenta la combustione (sim-

metrico rispetto al PMS).

LEGGE DI RILASCIO DEL CALORE:

L’andamento del processo di combustione viene analizzato mediante la legge di rila-

scio del calore (ottenuta da rilievi sperimentali di pressione). Applicando il 1° princi-

pio della termodinamica al sistema gassoso contenuto nella camera di combustione

(considerato omogeneo) si ottiene che, in corrispondenza di una generica posizione

dell’albero motore, il flusso di energia liberato dalle reaizoni di combustione

!

e l’apporto energetico dovuto all’eventuale passaggio di massa attraverso la superficie

di contorno ℎ , provoca una variazione di energia interna , uno

! ! !

scambio di potenzza meccanica con l’esterno (attraverso il pistone) e una

perdita di energia attraverso le pareti refrigerate :

!

! ! !

+ ℎ = + +

!

!

Questa equazione può anche essere scritta come:

1

! !

= + +

− 1 − 1

! !

L’integrale = ≈ quantifica l’energia totale liberata, oppure:

! ! ! !

! !

1 1

! ! !

= = = .

! ! !

! ! 37

DISPERSIONE CICLICA:

Anche in caso di funzionamento in condizioni

stazionarie, un ciclo non si ripete mai identica-

mente a quello precedente, originando la disper-

sione ciclica, che comporta una dispersione nella

forma del fronte di fiamma e nel volume di

miscela acceso tra un ciclo e il successivo; questo

fenomeno comporta anche sostanziali differenze

nelle curve di pressione, il cui sviluppo è legato univocamente allo sviluppo della

combustione. Le variazioni cicliche sono imputabili a:

Casualità ed irripetibilità delle condizioni di moto della carica nel cilindro;

• Miscelamento dei gas residui e di quelli ricircolati con la carica fresca;

• Differenze nella quantità d’aria, di combustibile e di gas ricircolati.

•

Le condizioni della carica in prossimità della candela influenzano lo sviluppo dello

stadio iniziale della fiamma, determinando la velocità delle reazioni chimiche, defor-

mando e ampliando il primo volume di miscela, in maniera differente da ciclo a ciclo; le

principali conseguenze della dispersione ciclica sono:

I parametri motoristici determinati empiricamente come miglior compromesso

• tra esigenze opposte (es. anticipo dell’accensione) fanno riferimento a un ciclo

medio, discostandosi dall’ottimo tanto più il ciclo si discosta da quello medio;

I cicli estremi impongono limiti alle condizioni di funzionamento del motore,

• che risultano quindi restrittive per molti cicli effettivi. Esempi:

Richiesta ottanica di un motore: dettata dai cicli più propensi a detonare

o (cicli con rapido sviluppo di pressione), imponendo un alto NO (Numero

di Ottano) inutilmente;

Il limite magro di funzionamento: imposto dai cicli estremi a combustione

o lenta (i più inclini a dare origine a una combustione incompleta e irrego-

lare), i quali necessitano di una miscela più ricca del ciclo medio, che por-

tano il motore ad essere alimentato con una miscela più ricca del previsto,

svantaggiando i consumi e le emissioni.

Nonostante il fenomeno della dispersione ciclica, la coppia erogata è costante, grazie

all’utilizzo del volano, che assorbe gli eccessi prodotti e li eroga quando la coppia

prodotta è in difetto.

FORME DI COMBUSTIONE ANOMALA:

Quando le condizioni di combustione normale non sono verificate (pagina 36) avviene

una combustione anomala, che provoca danni ai componenti meccanici del motore e/o

ne accresce la rumorosità, ne ridue la potenza sviluppata e/o il rendimento globale.

Tale fenomeno è un insieme delle seguenti forme principali: 38

a) Accensione a superficie: la miscela viene accesa, in un momento non ottimale, da

un punto caldo della camera di combustione (es. spigolo della valvola, deposito

carbonioso): la combustione può anticipare la scintilla (pre-accensione), oppure

avvenire successivamente (post-accensione);

b) Detonazione: una parte di miscela, prima di essere raggiunta dal fronte di fiam-

ma regolare, si trova in condizioni di autoaccensione spontanea, creando un

brusco aumento locale di pressione ed un sistema di vibrazioni nella massa gas-

sosa, che si propagano alla struttura del motore.

ACCENSIONE A SUPERFICIE:

à

Alcune parti della camera di combustione, soggette ad un elevato flusso termico e male

raffreddate, in particolari condizioni di funzionamento del motore possono essere

portati a livelli di temperatura tali da accendere localmente la miscela; tale fenomeno è

determinato dal livello di temperatura del punto caldo 900° ÷ 950° , dalle condi-

zioni di moto del fluido in prossimità della superficie calda e dalle condizioni fisiche

(pressione e temperatura). In seguito a tale fenomeno, un fronte di fiamma turbolento

si propaga attraverso la camera di combustione, partendo dal punto caldo, con carat-

teristiche simili a quelle di un fronte di fiamma generato dalla scintilla della candela,

eccetto che il momento dell’accensione è incontrollabile.

L’accensione può avvenire prima dello scoccare della scintilla (pre-accensione), che

genera un ulteriore fronte di combustione, oppure dopo che la candela ha avviato il

processo (post-accensione). Nel caso di pre-accensione molto anticipata, il massimo

delle pressioni cade prima del PMS, e ciò fa sì che il lavoro resistente, compiuto dal

pistone nell’ultimo tratto della corsa di compressione sui gas in fase di combustione,

supera quello motore raccolto nella corsa di espansione: le curve delle pressioni in

queste due corse risultano intracciate, e l’area della parte superiore del ciclo risulta

negativa (che si traduce in una perdita di lavoro utile globale). La preaccensione è

quindi la forma più svantaggiosa di tale fenomeno, poiché, anticipando l’istante ottimo

di accensione, si genera una minor quantità di lavoro meccanico utile; si genera inoltre

39

un incremento di temperatura dei punti caldi, anticipando ulteriormente l’accensione

nei cicli successivi, autoesaltando il processo.

Per prevenire tale fenomeno bisogna:

Eliminare gli spigoli vivi a causa del loro alto rapporto superficie/volume, che fa

• in modo che essi raggiungano facilmente alte temperature;

Ottimizzare il sistema di raffreddamento, garantendo una corretta circolazione

• del fluido refrigerante in prossimità dei punti critici;

Scegliere il grado termico degli elettrodi (il cui surriscaldamento è il principale

• responsabile della pre-accensione) in relazione alle caratteristiche del motore.

La geometria dell’isolante e la posizione dell’isolante che circonda l’elettrodo e

la posizione dell’anello di tenuta di pressione dei gas determinano il valore del

grado termico della candela; in particolare queste possono essere:

Ad alto grado termico (calde): l’elettrodo centrale si trova all’equilibrio

o termico ad un’elevata temperatura;

A medio gradio termico: minori superfici dell’elettrodo affacciate ai gas,

o minori flussi di calore e più brevi percorsi di smaltimento del calore;

A basso grado termico (fredde): superfici dell’elettrodo affacciate ai gas

o ulteriormente ridotte, flussi di calore ancora minori e percorsi di smalti-

mento del calore ancora più brevi;

DETONAZIONE:

à

La detonazione limita le prestazioni ed il rendimento dei motori (impedisce di supera-

re certi valori di rapporto di compressione e di anticipo dell’accensione) e impone

vincoli restrittivi alla formulazione dei carburanti; la detonazione provoca un rumore

metallico, simile ad un martellamento, una perdita di potenza, vibrazioni, un riscalda-

mento accentuato e, in condizioni estreme, il danneggiamento degli organi meccanici.

Tale fenomeno prende origine dall’autoaccensione, ovvero un insieme di reazioni di

prefiamma, le quali, liberando energia e fornendo dei prodoti instabili di parziale

ossidazione, portano all’avvio di un processo di combustione senza una sorgente

esterna (candela) ad un istante non controllabile: questa condizione si verifica quando

l’energia rilasciata dalle prime reazioni chimiche supera la quantità di calore ceduta

dal sistema all’ambiente esterno, provocando un aumento della temperatura della mi-

scela e quindi un’accelerazione delle reazioni di ossidazione. L’autoaccensione di una

miscela gassosa e perfetta