Combustione omogenea con combustibili per motori ad A.S

Vale quanto scritto per il caso precedente, con la differenza che, fuori dal funzionamento HCCI il motore deve funzionare con combustione diffusiva come i normali motori ad A.S.

Utilizzando la combustione omogenea in questi tipi di motori si evita di avere all’interno della camera di combustione sia zone eccessivamente ricche di combustibile, che sono responsabili della formazione di particolato in quanto difficilmente raggiungibili dalle molecole di ossigeno, sia picchi locali di temperatura, che se associati ad elevate pressioni parziali dell’ossigeno provocano la formazione di NOx.

L’elevato rapporto di compressione (maggiore di 15:1) utilizzato nei motori ad A.S., unito alla buona propensione all’auto accensione del combustibile diesel (elevato numero di cetano), rende possibile l’autoaccensione della miscela anche ai bassi carichi ed in condizioni di minimo. Il problema che presenta il gasolio è legato alla sua bassa volatilità che rende difficoltosa la creazione di una miscela omogenea; questo è dovuto al fatto che ha bisogno di elevate temperature per l’evaporazione ed il miscelamento. Lo stesso combustibile però ha anche una notevole reattività a bassa temperatura, che porta ad una rapida accensione non appena si superano gli 800K.

La desiderata miscela omogenea nei motori diesel può essere ottenuta in tre differenti modi che differiscono in base al metodo con cui viene introdotto il combustibile [4]:

Figura 6.3 - Differenti metodologie di preparazione della carica omogenea.

 Premiscelazione (PFI, Port Fuel Injection), si inietta il combustibile nel condotto a monte della valvola di aspirazione, esattamente quello che accade in un motore ad A.C. ad iniezione indiretta. Questa tipologia di iniezione prevede però l’utilizzo di alcune accortezze quali: un preriscaldamento dell’aria aspirata in modo tale che il combustibile riesca

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ad evaporare evitando che si accumuli sulle pareti del condotto di aspirazione causando l’ingresso nel cilindro di grosse gocce di combustibile che provocherebbero un aumento delle emissioni di particolato e con la possibilità che tali gocce restino attaccate alle pareti del cilindro andando a diluire l’olio lubrificante. Con questo tipo di tecnica la tempistica di iniezione non determinerà più l’istante di accensione della miscela.

Sarà necessario ridurre il rapporto di compressioni fino a valori 8-13:1 a seconda della temperatura dell’aria aspirata e della quantità di EGR altrimenti si può incorrere in accensioni anticipate e detonazione.

 Iniezione diretta anticipata (Early DI HCCI): questo è il metodo più utilizzato per ottenere la combustione HCCI. Diversamente da quanto accade nei comuni motori diesel in questo caso si fa un’iniezione pulsata di combustibile come riportato nella Figura 6.4.

Figura 6.4 - Strategia di iniezione nel caso Early DI HCCI.

Iniettando durante la corsa di compressione le maggiori temperature all’interno del cilindro favoriscono la vaporizzazione del combustibile e di conseguenza il mescolamento, inoltre non è necessario un riscaldamento dell’aria aspirata e quindi vi è una minore propensione all’autoaccensione anticipata e anche un migliore coefficiente di riempimento del motore.

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Nella fase iniziale il gas all’interno del cilindro ha una bassa densità per cui sono richiesti impulsi brevi con ridotte velocità di iniezione e l’intervallo tra un’iniezione e l’altra può essere sufficientemente ampio. Quando il pistone si muove verso il PMS la pressione e la temperatura nel cilindro crescono e di conseguenza la penetrazione del combustibile si riduce, di conseguenza la durata degli impulsi deve essere maggiore così come la loro frequenza.

Alla fine della corsa di compressione la distanza tra l’iniettore e il pistone si riduce fortemente, di conseguenza la massa iniettata si deve ridurre al fine di evitare che il combustibile si depositi sul pistone.

A differenza del caso in cui la miscela venga creata esternamente al cilindro e quindi vi sia il tempo necessario per creare una miscela omogenea, in questo caso invece il tempo a disposizione è minore e di conseguenza si ottengono minori benefici a livello di abbattimento di emissioni inquinanti quali particolato e NOx.

 Iniezione diretta ritardata (Late Direct Injection): questo tipo di tecnica è stata sviluppata da Nissan Motor Co. ed è conosciuta con il nome MK; per poter ottenere una miscela omogenea prima che avvenga l’accensione si ricorre ad un’elevata turbolenza in camera di combustione.

Il sistema MK ha le seguenti tre caratteristiche, vedi figura:

1. Ritardo dell’iniezione del combustibile che può variare dai 7° PPMS (Prima del Punto Morto Superiore) fino a 3°DPMS (Dopo il Punto Morto Superiore).

2. Elevati valori di EGR al fine di ridurre la concentrazione di ossigeno dal 21% al 15%.

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Figura 6.5 - Schematizzazione del sistema MK.

Per ottenere un elevato rapporto di swirl è stato progettato un sistema che utilizza due condotti di aspirazione indipendenti l’uno dall’altro, uno dei due ha una forma tale da imprimere all’aria che lo attraversa un elevato moto di swirl mentre l’altro fa sì che l’aria entri tangenzialmente nel cilindro generando un ridotto effetto swirl; questo secondo condotto è anche dotato di un ulteriore valvola per regolare ancora più finemente il rapporto di swirl.

È stato dichiarato che questa soluzione consente una riduzione delle emissioni di NOx a 50 ppm senza incremento delle emissioni di particolato. Si può anche osservare un incremento del rendimento termico rispetto ad un diesel convenzionale.

Sono state effettuate anche delle modifiche sulla forma della testa del pistone, portando il diametro della bowl dagli iniziali 47 mm a 56 mm,

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questo ha permesso di ridurre notevolmente le emissioni di idrocarburi incombusti [4].

Figura 6.6 - Differenti tipologie di realizzazione della carica omogenea.