CAPITOLO PRIMO Breve introduzione Gli ultimi 25 anni hanno conosciuto un esplosiva crescita della ricerca nel campo dei propulsori diesel. Il limitato motore consegnatoci agli inizi del secolo è stato così oggetto di tale e profondo rinnovamento da potere oggi competere in termini commerciali, nel campo della trazione automobilistica, con i più moderni propulsori ad accensione comandata. La riscoperta di cui è oggetto tale propulsore si deve: alle doti d economicità d esercizio ed alle capacità prestazionali di cui oggi sono capaci i moderni rappresentanti di questa classe di motori. Tanta parte dei successi collezionati si deve alla generazione di nuovi combustibili e tecnologie di costruzione, alla rinnovata conoscenza della fase di combustione, ed agli studi effettuati sul fenomeno dello spray. Causa, poi, la necessità di rientrare nelle sempre più stringenti normative sulle emissioni inquinanti, l evoluzione di tali nuove motorizzazioni è, di fatto, da considerarsi un processo in fieri. Vista l elevata potenza di calcolo oggi disponibile dai moderni elaboratori si sta rivelando essenziale l applicazione di tecniche numeriche, unitamente alle indagini sperimentali, per la progettazione fluidodinamica delle camere di combustione. 1
1.1 CONFRONTO PROPULSORE DIESEL OTTO La classificazione tipica dei propulsori automobilistici prevede che questi si dividano in due categorie: - motore ad accensione comandata, più comunemente motore Otto; - motore ad accensione spontanea, più comunemente motore Diesel. Caratteristiche, in negativo, del motore diesel sono: - il più elevato rapporto peso potenza, gli organi meccanici risultano più massivi (a parità di materiale utilizzato) dovendo essere dimensionati per resistere a valori di pressione pressoché doppi in fase di compressione e di combustione, rispetto a quelli caratteristici di un motore ad accensione comandata; valori così elevati di pressione in camera si debbono agli elevati rapporti di compressione necessari per portate la pressione e la temperatura dell aria a valori sufficientemente elevati da causare l autoaccensione del combustibile nel momento dell iniezione; in aggiunta alle precedenti osservazioni si deve poi precisare che la potenza specifica del motore diesel risulta essere tale, rispetto a quella del motore otto, da portarne il rapporto peso potenza a valori circa tripli rispetto a quest ultimo; - la maggiore lentezza del processo di combustione, unita alle elevate masse degli organi in moto alterno (grandi forze d inerzia), confinano a bassi regimi di rotazione l impiego di tali propulsori; come conseguenza di ciò le potenze specifiche per unità di cilindrata risultano essere sensibilmente più basse (circa del 50%) se confrontate con quelle di motori ad accensione comandata di 2
caratteristiche equivalenti, con un conseguente maggior ingombro a parità di potenza; - la caratteristica ruvidezza della combustione, che per sua natura tende ad innescare vibrazioni della intera struttura del motore, rendendolo in media più rumoroso e di difficile e costosa installazione. Il motore diesel presenta però indiscutibili vantaggi in termini di: - miglior rendimento globale poiché, sebbene a parità di rapporto di compressione il massimo rendimento competa al ciclo con combustione a volume costante (ciclo otto), nel diesel sono realizzabili più elevati rapporti di compressione senza pericolo di fenomeni anomali di combustione (rapporti di compressione circa doppi di quelli tollerati dai motori ad accensione comandata sono necessari per una pronta autoaccensione del combustibile); - migliore funzione rendimento carico, grazie al non così repentino peggioramento del rendimento in corrispondenza della diminuzione del carico; ciò risulta essere diretta conseguenza del sistema di regolazione adottato, che permette di ridurre la potenza sviluppata dal motore aumentando progressivamente il rapporto aria combustibile, rendendo così il diesel particolarmente adatto per quelle applicazioni che richiedono un funzionamento spesso in condizioni di carico parziale. Il propulsore diesel, per quanto finora riportato, ha trovato il suo naturale campo di applicazione in quei settori ove il costo di esercizio del motore risulta prevalente rispetto ai problemi di peso e di ingombro; ciò ha fatto sì che questo propulsore coprisse la gamma di potenze medio alte, affermandosi principalmente come mezzo di propulsione nel settore dei trasporti industriali su 3
strada, mezzi agricoli, macchine movimentazione terra, mezzi ferroviari e navali, nonché come generatore di potenza di impianti fissi (gruppi elettrogeni). Il motore otto, per contro, risulta particolarmente indicato a coprire il campo delle basse potenze, trovando impiego in quelle applicazioni (mezzi di trasporto leggeri ed impianti mobili di bassa potenza) ove siano rilevanti le doti di elevata potenza specifica, leggerezza, contenute dimensioni e dolcezza di funzionamento. 1.2 IL PROPULSORE DIESEL E LE EMISSIONI INQUINANTI L applicazione del motore ad accensione spontanea nel campo della trazione automobilistica lo ha posto in forte competizione, soprattutto in questo particolare momento storico, con il più diffuso motore ad accensione comandata; terreno di confronto non è solo l economicità d esercizio, prerogativa da sempre del diesel, ma anche: peso, costo di produzione, regolarità di funzionamento, comfort acustico e prestazioni. Le innovazioni, introdotte allo scopo di migliorare le caratteristiche dei propulsori, hanno fatto sì che vedesse la luce una nuova generazione di motori d impiego automobilistico denominati diesel veloci, prodotti di buon impatto commerciale. La seconda metà degli anni 80 ha visto al centro dei più imponenti sforzi nel campo della ricerca automobilistica: l abbattimento delle emissioni inquinanti, allo scopo di rientrare nelle sempre più stringenti normative. Il comportamento del motore diesel è notevolmente diverso rispetto a quello del motore ad accensione comandata per via dell elevato rapporto aria combustibile: la produzione di 4
ossido di carbonio (CO) e di idrocarburi incombusti (HC) è decisamente minore, ove invece i valori degli ossidi di azoto (NO x ) sono comparabili (almeno nel caso dei motori automobilistici). Il diesel risulta però in deficit per causa delle emissioni del particolato. Gli sforzi di ricerca hanno per ora consentito di ridurre notevolmente l impatto ambientale, nonostante i problemi del propulsore diesel connessi alla presenza di particolato, in maniera tale da rientrare nei limiti delle normative attualmente in vigore. La sorprendente evoluzione di cui è protagonista il motore diesel trae ragione nel: - miglioramento delle caratteristiche dei combustibili, - introduzione di nuovi materiali, - approfondito studio della fase di combustione, che ha fornito preziose indicazioni ai progettisti riguardo la conformazione della camera di combustione e le modalità di introduzione in essa del combustibile. La combustione è la fase determinante del ciclo di funzionamento di qualunque motore: è in questa fase che si ha la conversione dell energia chimica, contenuta nel combustibile, in energia meccanica; le modalità in cui questa trasformazione avviene influenzano non solo la resa del motore stesso, ma anche tutte le altre caratteristiche, non ultima la formazione degli inquinanti. Questo è ancor più vero per il motore diesel in cui, a differenza del motore ad accensione comandata, non si ha l introduzione in camera di una miscela di combustibile e comburente già formata in proporzioni abbastanza definite, ma la 5
fase di preparazione di detta miscela è in buona parte sovrapposta alla fase di combustione vera e propria. 1.3 LA COMBUSTIONE DEL MOTORE DIESEL Un motore ad accensione spontanea presenta un rapporto volumetrico di compressione sufficientemente elevato, (14 24), da provocare un aumento di 500 600 C nella temperatura della carica d aria immessa nel cilindro durante la fase d aspirazione. Per motori aspirati, la pressione che regna nella camera di combustione, nel momento d inizio dell iniezione del combustibile, è dell ordine di 3 4 MPa, mentre nei motori sovralimentati pressioni e temperature superano generalmente i valori indicati, in funzione del grado di sovralimentazione. Il liquido combustibile: - viene iniettato sotto forma di spray (generato dalla frammentazione del getto liquido) nella camera di combustione ove è presente aria ad alta pressione e temperatura poco prima che il pistone raggiunga la posizione di punto morto superiore; - successivamente vaporizza e si miscela con l aria, formando una miscela aria combustibile, la quale, per il fatto di trovarsi a temperature e pressioni superiori a quelle di autoaccensione del combustibile, dove il rapporto di miscela è prossimo allo stechiometrico, si accende spontaneamente dopo un ritardo dell ordine del millisecondo. Il conseguente aumento di pressione nel cilindro accelera le reazioni di preossidazione di quella parte di miscela aria combustibile già formata, che 6
accendendosi e bruciando rapidamente porta la temperatura del gas a valori superiori ai 2000 C e la pressione a 9 14 Mpa; come conseguenza la vaporizzazione e la diffusione dei vapori del restante combustibile viene accelerata notevolmente. L iniezione continua fino a quando la quantità di combustibile richiesta è stata introdotta nella camera, passando attraverso i vari processi d atomizzazione, vaporizzazione, diffusione e combustione. Infine, durante la fase d espansione, il mescolamento dell aria rimasta nel cilindro con i gas combusti o parzialmente ossidati, porta al completamento della combustione. In figura (1.1), è rappresentato l andamento della pressione nel cilindro nel caso di: regolare combustione (tratto pieno), assenza d iniezione di combustibile (tratteggio largo), definito convenzionalmente ciclo trascinato. Per un analisi più completa della combustione, si è soliti considerare insieme alla curva della pressione p(θ ), quella della frazione in massa di combustibile bruciato x(θ ) e del calore rilasciato dalle reazioni di ossidazione dq b /d(θ ). E possibile distinguere schematicamente, nel processo d iniezione combustione, quattro fasi: - la prima (AB = ritardo d accensione) avente inizio nell istante in cui il combustibile comincia a penetrare in camera di combustione e termina quando si avvia la fase di combustione, - la seconda (BC = combustone rapida) caratterizzata da una veloce propagazione della combustione a tutta la carica premiscelata combustibile aria formatasi durante il ritardo, provocando un forte incremento di pressione e rilascio di calore, 7
- la terza fase (CD = combustione controllata) caratterizzata dalla combustione, regolata da processi di diffusione, del nucleo centrale del getto e del combustibile successivamente iniettato in camera, per cui la quantità di calore liberata può essere graduata attraverso il controllo dell iniezione, - quarta fase (DE = completamento combustione) in cui l iniezione è terminata, e viene portata a termine la combustione del gasolio iniettato in precedenza. Figura (1.1) Ciclo di pressione caratteristico di un motore diesel 1.4 RITARDO D ACCENSIONE Nello studio della combustione nel motore diesel, grande importanza viene attribuita al ritardo d accensione (fase AB). L inizio del fenomeno viene 8
generalmente fissato in corrispondenza dell apertura dell iniettore, la fine, invece, coincide con l avvio della combustione; l inizio del fenomeno della combustione può essere definito individuando, sul diagramma della pressione in camera, l istante in cui l incremento di pressione, dovuto alla combustione, fa staccare la curva da quella di semplice compressione di una percentuale prefissata (tipicamente del 1%). L importanza del ritardo di deve non al fatto che sia di per se stesso nocivo, quanto al fatto che è causa della successiva fase di combustione (fase BC) quasi a volume costante. Quest ultima è vantaggiosa ai fini del rendimento termico, che raggiunge il massimo valore (a parità di rapporto di compressione) quando il calore è introdotto nel sistema a volume costante, ma altrettanto dannosa dal punto di vista della durata del motore e della rumorosità. Dalla quantità di carica premiscelata formatasi durante il ritardo, infatti, dipende la velocità d incremento della pressione e il suo massimo valore raggiunto, che influenzano: - la rumorosità di funzionamento, - le vibrazioni, - le sollecitazioni meccaniche, - la massima temperatura dei gas, dalla quale dipendono il calore che deve essere smaltito dal sistema di raffreddamento e le sollecitazioni termiche degli organi delimitanti la camera di combustione. Si è usi distinguere il tempo di ritardo all accensione in due parti, ciascuna delle quali caratterizzata da differenti tipologie di fenomeni: - di natura fisica (ritardo fisico), tali da modificare lo stato di aggregazione delle molecole di combustibile e le miscelano con l aria, 9
- di natura chimica (ritardo chimico), tali da produrre ossidazione delle molecole ed il cambiamento della struttura chimica. I processi di natura fisica si possono riassumere in: - disintegrazione del getto di combustibile con la formazione di goccioline, - riscaldamento delle gocce liquide ed alla loro evaporazione, - diffusione di questi vapori nell aria, fino a formare una miscela di aria e combustibile in grado di accendersi. Su tali processi influiscono soprattutto: - la finezza della atomizzazione del getto di combustibile (dipendenti dalla pressione di iniezione, geometria dell iniettore, ecc.), - le condizioni di moto dell aria (dipendenti dalla geometria della camera, regime di rotazione, ecc.), - la pressione iniziale e temperatura dell aria (dipendente dal rapporto di compressione, grado di sovralimentazione, raffreddamento, ecc.). I processi di natura chimica si possono riassumere in: - decomposizione degli idrocarburi a più alta massa molecolare in composti più leggeri, - attacco da parte di questi ultimi dell ossigeno con formazione di composti ossigenati intermedi (perossidi, aldeidi, ecc.) poco stabili, - avvio di reazioni a catena che portano all autoaccensione del combustibile. I primi due tipi di reazione avvengono con velocità molto bassa, (influenzata soprattutto dalla natura del combustibile), fino al momento della formazione di una concentrazione critica di componenti intermedi, aventi la capacità di avviare veloci reazioni a catena che portano all autoaccensione ed ai prodotti finali di 10
combustione. La componente chimica del ritardo si può quindi ritenere prevalentemente controllata dalle dimensioni e dalla struttura della molecola di combustibile, che la rendono più o meno attaccabile dall ossigeno. 1.5 COMBUSTIONE IN FASE PREMISCELATA E IN FASE DIFFUSIVA La figura(1.2) riporta la rappresentazione schematica di un getto di combustibile iniettato in aria mediamente turbolenta. Figura (1.2) Schematizzazione della struttura di un getto di liquido combustibile iniettato in aria con moto mediamente turbolento: a) il suo nucleo centrale appare compatto, con concentrazione di combustibile decrescente dall asse verso l esterno, b) si assiste poi alla formazione di una carica premiscelata in cui hanno origine i primi nuclei d accensione. 11