In‡uenza dei parametri motoristici sulla combustione

Dosatura

Un importante parametro di cui si dovrà tenere conto nel controllo del mo- tore è la dosatura. Sperimentalmente si osserva che la velocità di combustione raggiunge il suo massimo per miscele leggermente ricche e che, arricchendo ancora la miscela, la velocità si riduce lentamente. E’ chiaro che la ragione di questo sta nel fatto che una maggiore quantità di combustibile diluito nella miscela porta ad una maggiore probabilità che avvengano collisioni fra le molecole di combustibile e di ossigeno. Passando invece dalla miscela ste- chiometrica ed impoverendo, la riduzione di velocità è più accentuata poiché una minore concentrazione di combustibile comporta una maggiore parte di calore spesa per la riscaldare l’inerte. Continuando ad aumentare l’eccesso d’aria e quindi impoverendo ulteriormente, si ha un’irregolarità del motore troppo accentuata per poter essere consentita anche se certamente si avrebbe una minore quantità di emissioni allo scarico (minori quantità di HC e CO ma maggiore NOx).

Di norma per motivi di stabilità è necessario limitare i possibili valori di dosatura ad un range di , inoltre sarebbe opportuno che tali valori fossero ristretti ad un piccolo intervallo centrato attorno al valore di l unitario, in questo campo di dosatura infatti si avrà una maggiore e¢cienza nello smalti- mento degli inquinanti da parte del catalizzatore trivalente, e quindi il campo di possibile variazione dovrà restringersi ulteriormente.

3.2. CENNI SULLA COMBUSTIONE 29 Regime di rotazione

Misurazioni e¤ettuate mostrano come l’andamento della pressione all’interno del cilindro abbia variazioni minime in un ampia gamma di velocità di ro- tazione. Questo non vuol dire che la velocità di rotazione non in‡uenzi la combustione, al contrario, il fatto che non ci siano variazioni apprezzabili nel ciclo delle pressioni è dovuto al fatto che al crescere della velocità di rotazione l’andamento della combustione varia in modo che si ottenga un adeguamento dei tempi di reazione.

Figura 3.3: In‡uenza della dosatura sulla combustione

Un aumento del regime di rotazione, infatti, si traduce in un incremento dell’intensità della turbolenza generata durante la fase di aspirazione, inoltre la corsa di compressione sarà e¤ettuata in un tempo minore e quindi si riduce il tempo in cui si ha il decadimento della turbolenza. Un maggiore trasporto di massa porterà quindi ad una maggiore rapidità della combustione.

Questa proprietà è tipica dei soli motori ad accensione comandata che conseguentemente avranno un buon funzionamento per un’ampia gamma di regimi di velocità.

Carico

Una riduzione del carico cambia in modo sensibile diversi fattori che fanno sì che si riduca in modo molto pesante la velocità del fronte di …amma.

I osservi infatti come cambino in modo signi…cativo sia l’andamento che il valore massimo della velocità di combustione che tende a spostarsi in ritardo rispetto al punto morto superiore man mano che il carico si riduce.

Questo causa un maggiore estensione angolare della fase di combustione che si prolunga anche durante l’espansione con conseguente calo delle prestazioni.

Nel dettaglio l’in‡uenza del carico si manifesta nei seguenti modi:

 un carico inferiore implica che la carica aspirata si riduca in densità, visto che a parità di volume disponibile è ridotta la massa che vi entra;  le perdite per scambio termico si fanno sentire in modo superiore al nor- male, condizionando la temperatura del ‡uido, che si riduce, e questo ha una diretta in‡uenza sulla velocità della combustione;

 i gas residui occuperanno una percentuale maggiore della massa comp- lessiva contenuta nella camera, diluendo maggiormente la carica fresca aspirata.

Turbolenza

In quanto detto precedentemente si è già sottolineata l’importanza della pre- senza di un moto turbolento all’interno della camera di combustione. Le tur- bolenze hanno il duplice e¤etto positivo di distorcere il fronte di …amma (au- mentando il rapporto super…cie volume) e di accrescerne lo spessore. Questo ovviamente accade soltanto se la turbolenza ha un andamento coerente, come un vortice con asse parallelo all’asse del cilindro (swirl) o ortogonale ad esso (tumble). Questo tipo di turbolenze, dovute a quello che accade durante l’aspirazione si riducono drasticamente durante la fase di compressione, per- ciò l’e¤etto bene…co apportato alla combustione è senz’altro inferiore a quello auspicabile. Per le suddette ragioni è possibile e consigliabile indurre delle turbolenze in prossimità della …ne della compressione, in modo che esse non abbiano il tempo di estinguersi. Questo è possibile sagomando opportuna- mente lo stantu¤o e la testa in modo che una parte delle loro super…ci si trovi quasi a contatto alla …ne della corsa di compressione. In questo modo il ‡uido verrà spinto verso la parte libera della camera innescando un moto (detto di squish) che si svilupperà contemporaneamente alla combustione.

3.3. MFB E MODELLI PER IL CALCOLO DEL RILASCIO DEL CALORE31 Le turbolenze portano anche ad un incremento degli scambi termici fra il ‡uido e le pareti, ed inoltre se troppo elevate possono portare a fenomeni di mancata accensione (mis…re).

In‡uenza dell’anticipo

Il processo di combustione non è istantaneo. Come si è detto la fase iniziale della combustione interessa una percentuale minima della carica (e quindi il calore che si sviluppa è una piccola parte di quello complessivamente lib- erabile) ed inoltre occupa un arco di manovella considerevole. Per queste ragioni è bene distribuire l’arco della combustione a cavallo del PMS, in modo che la fase di combustione rapida possa iniziare prima che lo stantu¤o lo abbia raggiunto. In tal modo si cercherà di far sì che la parte più im- portante dello sviluppo di calore avvenga in corrispondenza di un volume minimo e poco variabile. Occorrerà pertanto stabilire un angolo di anticipo, talvolta cospicuo, che permetta di realizzare quanto detto. Nella scelta di tale anticipo dovranno considerarsi due e¤etti contrastanti: un anticipo el- evato implica che il pistone dovrà compiere un lavoro maggiore durante la fase di compressione, in questo modo però la pressione massima si andrà avvicinando sempre più al PMS superiore aumentando il lavoro raccolto in espansione. Bisognerà tener conto di questi due fattori in modo da bilanciare i loro e¤etti ottenendo un buon compromesso. L’anticipo ottimo viene de- terminato in maniera sperimentale, si intuisce che dovrà essere tanto grande quanto più lenta è la combustione. Solitamente è ottimale l’anticipo che po- siziona il picco di pressione 15-20 gradi di manovella dopo il PMS ed il 50% del combustibile bruciato a 10

dopo il PMS.

3.3

MFB e modelli per il calcolo del rilascio

del calore

La frazione di massa combusta, MFB1_{, è, per de…nizione, il rapporto fra la}

massa di miscela già bruciata in un certo istante della combustione e la massa complessiva della miscela:

xb = mbr m = mbr mbr + mf (3.7)

dove mbr2 è la massa già bruciata e mf è la massa di miscela fresca, non

ancora investita dal fronte di …amma.

La frazione di massa combusta fornisce indicazioni sulla percentuale di calore già sviluppato, in corrispondenza di un certo angolo di manovella, rispetto a tutto il calore che la massa di combustibile inserita nella miscela può generare.

Il suo andamento in funzione dell’angolo di manovella ha la caratteris- tica forma ad S; data la de…nizione, xb avrà valore nullo …no all’inizio della

combustione e valore unitario in corrispondenza della …ne della fase di com- bustione, anche se in realtà non tutta la miscela riuscirà a bruciare e quindi la funzione vi tenderà soltanto.