La propulsione del veicolo è solitamente ottenuta per mezzo di motori, noti anche come motori primari, cioè dispositivi meccanici in grado di convertire l’energia chimica di un combustibile in energia meccanica. A proposito, il termine inglese “motore”, è probabile che abbia un’origine francese nell’antica parola francese ” engin “che a sua volta si pensa provenga dal latino” ingenium “(condividendo la stessa radice di” ingénieur “o”ingegnere”).
L’energia chimica del combustibile viene prima convertita in calore attraverso la combustione e quindi il calore viene convertito in lavoro meccanico per mezzo di un mezzo di lavoro. Questo mezzo di lavoro può essere un liquido o un gas. Infatti, il calore prodotto dalla combustione aumenta la sua pressione o il suo volume specifico e, grazie alla sua espansione, si ottiene un lavoro meccanico.
Nei motori a combustione interna (ICE), i prodotti della combustione (ad es. aria e carburante) sono utilizzati come mezzo di lavoro, mentre nei motori a combustione esterna, i prodotti della combustione trasferiscono calore a un diverso mezzo di lavoro per mezzo di scambiatore di calore. Inoltre, mentre nel GHIACCIO la combustione avviene all’interno del cilindro, nei motori a combustione esterna, la combustione si ottiene in una camera separata, solitamente chiamata bruciatore.
Poiché il processo di combustione di un GHIACCIO cambia le caratteristiche del mezzo di lavoro, il funzionamento ciclico può essere ottenuto solo attraverso una sostituzione periodica del mezzo di lavoro stesso, cioè attraverso un ciclo aperto. Il termine” ciclo ” per ICE si riferisce quindi al ciclo di lavoro del motore che deve essere periodicamente sostituito e non a un ciclo termodinamico del fluido di lavoro. I combustibili devono avere caratteristiche compatibili con il funzionamento del GHIACCIO, il che significa che i loro prodotti di combustione dovrebbero consentire di essere utilizzati come mezzi di lavoro (ad esempio, la combustione non dovrebbe formare ceneri come nel camino, il che causerebbe l’incollaggio del meccanismo del motore).
Motore a combustione interna
I motori a combustione interna alternativi sono solitamente selezionati per la propulsione di veicoli terrestri con alcune eccezioni (motori elettrici per tram, filobus o auto elettriche), a causa della loro densità di potenza favorevole e dei loro costi di produzione e di servizio relativamente bassi (rispetto alle turbine a gas, ad esempio).
Nel GHIACCIO alternativo, il movimento di un pistone in un cilindro, chiuso all’estremità opposta dalla testa del cilindro, produce una variazione ciclica del volume del cilindro. Il pistone è collegato ad un’asta e una manovella all’albero, la cui rotazione costante provoca un movimento ciclico del pistone tra due posizioni estreme, il punto morto superiore (PMS, più vicino alla testa del cilindro) e il punto morto inferiore (BDC, maggiore distanza dalla testa del cilindro). Queste due posizioni corrispondono rispettivamente al volume minimo del cilindro (volume di gioco, Vc) e al volume massimo del cilindro (volume totale, Vt). La differenza tra volume massimo e minimo è chiamata volume spazzato o cilindrata e denominata Vd. E infine, il rapporto tra volume massimo e minimo è chiamato rapporto di compressione (rc).
Classificazione del GHIACCIO
I motori a combustione possono essere classificati in diverse categorie. I due più importanti sono basati sul processo di combustione (accensione a scintilla contro accensione per compressione) e sul ciclo di lavoro (2 colpi contro 4 colpi). La classificazione aggiuntiva può essere basata sulla presa d’aria (aspirata o turbocompressa), sul rifornimento (iniezione indiretta o diretta) e sul sistema di raffreddamento (raffreddato ad aria o raffreddato ad acqua). In questo articolo verranno presentate solo le differenze tra i processi di combustione.
Accensione a scintilla e accensione per compressione
Accensione a scintilla
Nei motori ad accensione a scintilla vengono utilizzati combustibili con reattività relativamente bassa come benzina, gas naturale compresso (GNC) o gas di petrolio liquefatto (GPL). Tali combustibili vengono miscelati con l’aria per formare la miscela aria/carburante combustibile omogenea e quindi compressi nel motore per raggiungere temperature di circa 700 K (400 °C) e pressioni di circa 20 bar, senza alcuna accensione spontanea.
Questo comportamento può essere spiegato sulla base del combustibile molecola caratteristiche: idrocarburi combustibili utilizzati in accensione a Scintilla (SI) i motori sono realizzati a corta catena, struttura rigida e compatta molecole (come CH4 METANO o iso-ottano C8H18 per la benzina) per il quale anche a temperature e pressioni elevate, il tempo necessario per avviare il processo di combustione è abbastanza lunga. Tuttavia, questo concetto non deve essere confuso con la capacità di un combustibile liquido di evaporare a temperatura ambiente e formare una miscela combustibile nell’aria ambiente. Questa capacità è elevata con la benzina e determina il rischio di esplosione se viene fornita una fonte di accensione.
Nei motori SI, il processo di combustione può quindi essere avviato solo (almeno per una combustione classica) con una fonte di energia esterna come una scintilla elettrica. L’energia aggiunta alla miscela dalla scarica elettrica è piccola (circa 10 mj magnitude) ma è comunque essenziale per avviare il processo di combustione.
Dal primo nocciolo acceso dalla scintilla, la combustione si diffonde quindi attraverso la miscela: strato dopo strato, il fronte di fiamma attraversa la camera, principalmente grazie a uno scambio termico convettivo tra gas bruciati e miscela fresca, fino a raggiungere le ultime zone (chiamate “gas di fine”) lontane dalla scintilla.
La velocità anteriore della fiamma è di circa 20-40 m / s, ed è notevolmente aumentata con la turbolenza all’interno della miscela (la turbolenza aumenta la superficie tra gas fresco e bruciato, quindi aumenta lo scambio termico e quindi la velocità di propagazione della fiamma). Poiché l’intensità della turbolenza aumenta con il regime del motore e la velocità anteriore della fiamma è proporzionale all’intensità della turbolenza, la velocità anteriore della fiamma aumenta con il regime del motore, compensando così la riduzione del tempo disponibile per la combustione. Grazie a ciò, non vi è quasi alcuna limitazione in termini di velocità del motore per i motori SI dal punto di vista della combustione (il motore di Formula 1 può funzionare fino a 20 000 giri al minuto).
Tuttavia, la miscela aria/carburante, se mantenuta ad alte temperature e pressioni per un tempo prolungato, può eventualmente subire l’autoaccensione. Per questo motivo, possono verificarsi infiammazioni anomale quando il gas di fine auto si accende spontaneamente prima dell’arrivo del fronte di fiamma. Questa combustione anomala provoca un improvviso aumento della pressione del cilindro seguito da onde di pressione all’interno della camera di combustione che vengono trasmesse attraverso la struttura del motore all’ambiente circostante. Questo è chiamato “Knock” e può causare danni al pistone e al cilindro a causa di sollecitazioni termiche. Per evitare il verificarsi di colpi, il motore SI deve rispettare diverse limitazioni riguardanti la lunghezza massima del percorso della fiamma (che limita il diametro massimo del cilindro chiamato foro a circa 100 mm) e la temperatura e la pressione massime ammissibili del gas finale (fresco) (che limitano sia il rapporto di compressione che la pressione di sovralimentazione).
Inoltre, valori elevati di velocità della fiamma possono essere raggiunti solo se il rapporto aria/carburante è abbastanza vicino al rapporto stechiometrico:pertanto, quando un motore SI deve essere azionato a carico parziale, è impossibile ridurre solo il carburante mantenendo invariata la massa d’aria nel cilindro. Quindi, l’uso di un dispositivo per ridurre il flusso di massa d’aria è necessario per il controllo del carico (spesso viene scelto un acceleratore di aspirazione) anche se causa penalizzazioni di efficienza a carico parziale.
La stechiometria è definita come il punto in cui, nella miscela, tutto l’ossigeno viene consumato e tutto il combustibile viene bruciato. Per la benzina, il rapporto dato dalla massa è 14,7: 1 (14,7 grammi di aria per 1 grammo di carburante).
Accensione per compressione
Quando si utilizzano combustibili con maggiore reattività, come il diesel, non possono essere miscelati con aria e quindi compressi nel cilindro perché altrimenti il processo di combustione inizierebbe spontaneamente durante la corsa di compressione. Infatti, il gasolio è un mix di idrocarburi che può essere rappresentato dal cetano, C16H34, con una lunga molecola a catena diritta in cui le reazioni preliminari del processo di ossidazione procedono abbastanza rapidamente ad alte temperature e pressioni.
Pertanto, il gasolio viene iniettato come spray liquido ad alta pressione nell’aria già compressa, immediatamente prima dell’inizio desiderato della combustione (nel caso della combustione diesel classica). Le piccole goccioline di carburante (circa 10 µm di diametro), circondate da aria compressa calda (circa 900 K), evaporano rapidamente e il processo di combustione inizia spontaneamente con un ritardo di accensione estremamente breve.
in modo Diverso da SI i motori, il processo di combustione nel motore diesel non può auto-regolare le sue caratteristiche di tempo disponibile per eseguire legati alla combustione per aumentare la velocità del motore (cioè il tempo richiesto per il carburante, l’evaporazione, la miscelazione e l’accensione ritardo non scala verso il basso con l’aumento della velocità del motore). Pertanto, questi motori non possono essere azionati a velocità superiori a 5000 giri / min.
Infine, a differenza dei motori SI, non esistono requisiti rigorosi in termini di rapporto aria/carburante per questo tipo di combustione. A carico parziale, la quantità di carburante iniettato viene ridotta mantenendo la stessa quantità di aria indotta, senza alcuna necessità di dispositivo di limitazione e quindi senza alcuna perdita aggiunta.
Fonte: Prof. Federico Millo, Politecnico di Torino
Romain Nicolas opinion:
I due tipi più comuni di combustione (accensione a scintilla e accensione per compressione) sono oggi conosciuti da molto tempo e ben padroneggiati. Tuttavia, stiamo raggiungendo i limiti di tali processi poiché gli inquinanti e i limiti di consumo di carburante stabiliti dalle norme stanno diventando sempre più bassi. Diventa sempre più costoso raggiungere tali standard e alcuni processi di combustione alternativi e architetture di motori vengono testati in laboratori e centri di ricerca. Pensi che i motori ad accensione spontanea e ad accensione spontanea come li conosciamo oggi saranno sostituiti da alcune soluzioni alternative come CAI, PCCI, dual fuel combustion o altro?