CAPITOLO 4
PROGETTO DELLA CAMERA DI COMBUSTIONE PER UN MOTORE A.C. AD INIEZIONE DIRETTA E CARICA STRATIFICATA
4.1 Introduzione
La combustione è l’evento più importante tra quelli che hanno luogo in un motore a combustione interna ed influenza in modo essenziale il funzionamento e le prestazioni del motore.
Migliorarne lo svolgimento conduce a molteplici benefici: maggiore rendimento, maggiore potenza, minori emissioni inquinanti, minore rumorosità. La camera di combustione, che rappresenta il reattore chimico entro cui avviene la suddetta reazione, deve essere quindi pensata e realizzata in modo da massimizzare i benefici che si ottengono da una buona combustione compatibilmente con le altre esigenze motoristiche.
In questo capitolo verranno discussi qualitativamente i più importanti parametri di progetto di una camera di combustione per motori ad accensione comandata ed in particolare per quelli ad iniezione diretta e carica stratificata.
4.2 Rapporto di compressione
Il rapporto di compressione è uno dei parametri di progetto che influenza maggiormente il funzionamento del motore ed dato dalla (4.1):
V V Vcc +
ρ = (4.1)
dove:
ρ : rapporto di compressione;
Vcc
: volume della camera di combustione;
Fissando il rapporto di compressione si ricava il volume della camera di combustione (4.2):
− 1
= ρ
Vcc V (4.2)
Il rapporto di compressione influenza direttamente il rendimento termico ideale del motore, ovvero all’aumentare del rapporto di compressione si ha un aumento del rendimento termico ideale del motore secondo il grafico di figura 4.1.
Fig. 4.1: rendimento termico ideale in funzione del rapporto di compressione per un motore ad accensione comandata.
La funzione in esame è strettamente crescente, ma con derivata prima decrescente, ovvero la pendenza del grafico diminuisce e quindi all’aumentare del rapporto di compressione il rendimento termico ideale risente sempre meno di un aumento del rapporto di compressione.
Il rapporto di compressione deve comunque essere per un motore ad accensione comandata il più
alto possibile, compatibilmente con le altre esigenze motoristiche di cui non tiene conto la
formula 1.1 con cui è stato costruito il grafico di figura 4.1. Nella realtà il limite principale al rapporto di compressione è determinato dalla detonazione; aumentando il rapporto di compressione le pressioni e le temperature ad inizio combustione saranno più elevate e quindi la miscela ed in particolare gli end-gas avranno una maggiore probabilità di superare la temperatura di autoaccensione. Per un motore a carica stratificata, come discusso nel capitolo 1, il rapporto di compressione può essere 2-2,5 punti rispetto ad un motore ad iniezione indiretta. Nel caso in esame, visti i rapporti di compressione dei motori ad iniezione diretta sul mercato (tabella 4.1), si è scelto il valore di 12.
La cilindrata unitaria di progetto è 499,5 cm
3per cui il volume della camera di combustione che si ricava dalla (4.2) è 45,4 cm
3.
Motore Cilindrata
unitaria Alesaggio Corsa Rapporto di
compressione
Mitsubishi 466 81 89 12
Toyota 499,5 86 86 11,3
Renault 500 / / 11,5
Alfaromeo JTS 492,5 83 91 11,25
PSA 449 80,6 88 10.4
Audi FSI 496 82,5 92,8 12
Motore studiato 499,5 86 86 12
Tabella 4.1: caratteristiche dei motori GDI in commercio e del motore preso in esame in questo studio.
4.3 Percorso del fronte di fiamma
La lunghezza del percorso di fiamma dipende da:
• alesaggio;
• numero di candele di accensione;
• posizione della/e candela/e di accensione;
Il percorso del fronte di fiamma deve essere il minimo possibile per minimizzare la durata della combustione, e ridurre così anche la tendenza alla detonazione. Infatti con una combustione rapida l’introduzione di calore si avvicina ad una isovolumica e quindi il rendimento è più elevato; inoltre gli end-gas che provocano la detonazione vengono esposti per un tempo minore alle alte temperature derivanti dalla combustione e quindi diminuisce la probabilità che si superi la temperatura di autoaccensione per un tempo superiore a quello di latenza.
Anche la geometria della camera di combustione influenza il percorso del fronte di fiamma, ad esempio una camera più raccolta avrà un percorso minore di una camera aperta. Il percorso del fronte di fiamma aumenta con l’alesaggio e questo giustifica la scelta di alcune case costruttrici di fare motori con alto rapporto corsa/alesaggio. Usando due candele di accensione il percorso del fronte di fiamma risulterà minore. Utilizzando un solo punto di innesco, per minimizzare il percorso del fronte di fiamma, la candela di accensione deve essere posta sull’asse del cilindro in modo da risultare equidistante dalle pareti su un piano ortogonale all’asse stesso.
Per quanto riguarda il motore studiato in questo lavoro, è stata impiegata una sola candela sia per esigenze di ingombri, visto che si deve posizionare anche l’iniettore sulla testata, sia perché due candele non avrebbero portato per la geometria in esame nessun vantaggio.
4.4 Rapporto superficie/volume
Una camera di combustione, per essere razionale, deve presentare un basso rapporto superficie/volume.
Potenza Vol
Sup ∝ Scambi termici con le pareti (4.3)
Infatti, come indicato dalla (4.3), la superficie della camera è proporzionale agli scambi termici
che vi sono tra il fluido e le pareti, mentre il volume è proporzionale alla cilindrata e quindi alla
potenza. Un basso rapporto superficie volume garantisce quindi un bassa perdita di calore a
parità di potenza. I motori GDI a carica stratificata hanno un rapporto sup/vol piuttosto alto a
causa della particolare geometria del pistone necessaria per ottenere il confinamento della carica
attorno alla candela. Anche il pistone disegnato in questo lavoro presenta una protrusione ed un
profondo incavo e quindi il rapporto superficie volume non sarà ottimale, ma è comunque in
linea con quelli dei motori GDI in commercio.
4.5 Rapporto corsa/alesaggio
La superficie di scambio è la somma della superficie dello stantuffo, della superficie della testata più quella dovuta alle pareti del cilindro che al punto morto inferiore risulta dalla (4.4).
La superficie della testata (ST) varia con l’alesaggio e si può considerare per semplicità proporzionale alla superficie del pistone. Quindi la superficie di scambio (S) risulta una funzione della corsa (C) e dell’alesaggio (A).
A A C ST C
A S
Sup = = ⋅ + ⋅ ⋅ +
2 ) 4
,
( π
2π
(4.4)
4 A
2K SupPist K
ST = ⋅ = ⋅ π ⋅
(4.5)
2
4
24 cos A
C V t C A
V ⋅
= ⋅
⇒
=
⋅
⋅
= π
π (4.6)
A V K A
A
S
V t⋅
⋅ +
⋅ +
=
=
2 ) 2
1 ( )
(
2 cos