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Titolo: [Tecnico] Pressione di iniezione & prestazioni in un motore diesel.

Ciao a tutti!
Come avevo promesso, visto che il mio (se pur brevissimo) post
tecnico ha suscitato interesse e curiosità, ho deciso di ampliare quanto
avevo già detto sperando di fare cosa gradita.
Cercherò di spiegare al meglio (e soprattutto con parole più semplici
possibili, visto che non ci tengo a tirarmela) i concetti. Scusatemi se, per
fare questo, qualche volta me ne uiscirò con espressioni fin troppo terra
terra!
-2 o 4 valvole per cilindro.
Partendo dal presupposto che il miglior compromesso tra area disponibile
e superficie di scambio termico porta all'adozione di camere di combustione
emisferiche (ovvero la testata con forma più vantaggiosa è quella con
geometria semi-sferica, poichè limita le perdite di calore e offre una
superficie la più ampia possibile per poter sistemare le valvole),
l'utilizzo di
due o quattro valvole per cilindro dipende fondamentalmente dal
miglioramento del coefficiente di riempimento, che esprime il rapporto tra
la massa teorica che possiamo immettere
(ovvero quanta aria ci starebbe nel cilindro se avessimo abbastanza tempo
per farcela entrare tutta, nel caso non ci fossero perdite) e quella che
realmente ci facciamo stare.
A causa degli attriti che l'aria incontra entrando nel motore infatti, più
si aumentano i giri meno aria riusciamo ad introdurre. La velocità con cui
l'aria transità nei condotti di alimentazione infatti, è proporzionale alla
velocità di rotazione del motore. Ovvero, più il motore gira forte, più
l'aria nei condotti di aspirazione va veloce. Questo sfortunatamente
genera delle perdite (visto che il moto dell'aria è di tipo turbolento,
ovvero abbastanza disordinato, non è bello liscio come potremmo
immaginare invece il moto dell'acqua di un fiume
quando è tranquillo ma qualcosa di più vicino ad un fiume in piena, per
intenderci) che sono proporzionali a quadrato della velocità.
Detto questo, un'altra sede di perdita è il tratto dove l'aria, dai condotti
passa
al cilindro, ovvero il tratto reso disponibile dall'apertura della valvola.
Si può immaginare questo tratto come una porta che si apre e comunque
ostacola leggermente il passaggio dell'aria. Più il numero di giri aumenta,
più
le cose vanno peggio.
Per ovviare a queste perdite, una soluzione è quella di fare dei condotti
più
ampi e quindi (per non avere il classico collo di bottiglia), delle valvole
più grosse.
Con la soluzione delle 2 valvole, non si può andare oltre ad un certo limite
(che teoricamente sarebbe quello della metà del diametro del pistone, se il
cielo fosse piatto o qualcosa in più, visto che il cielo della testa è
emisferico),
mentre adottando 4 valvole, si può guadagnare ancora qualcosa.
A questo punto è chiaro come, avere 4 valvole possa migliorare le cose
specie
ad alto numero di giri.
Per un motore diesel però la cosa potrebbe sembrare quindi quasi inutile,
visto che in realtà il campo di giri di interesse pratico è molto più
limitato
di quello di un benzina. L'adozione però di sistemi di sovralimentazione
e la necessità di limitare il più possibile le emissioni ha reso questa
soluzione
interessante anche nel campo dei motori ad accensione per compressione.
In questo modo infatti, avendo a disposizione anche nella fase di scarico
una superficie maggiore per il passaggio dei gas, si riescono ad espellere
molto bene anche i gas residui che rimarrebbero in camera di combustione.
Questo si traduce in una maggiore pulizia all'interno del motore, visto che
questi finirebbero per mescolarsi alla carica fresca nella fase successiva,
dando origine ad un peggioramento del processo di combustione e quindi
all'aumento delle emissioni inquinanti.
Condotti a geometria variabile.
I condotti di aspirazione vengono studiati per ottenere la situazione
migliore in termini di riempimento. Adottando però una geomtria
di tipo fisso, si riesce ad ottenere il meglio solo in un campo ristretto
di numero di giri. Se invece si utlizzano dei condotti a geometria
variabile è possibile avere vantaggi su un campo più esteso.
In particolare, la condizione migliore è quella di avere un'onda
di pressione al momento dell'apertura della valvola di aspirazione
in modo da favorire il riempimento.
Nei motori ad accensione per compressione (in particolare) assume grande
importanza lo sfruttamento di macro-turbolenze. Queste contribuiscono
infatti al rimescolamento del gasolio inettato con l'aria proveniente dai
condotti di aspirazione. Tale processo assume grande importanza nei
diesel visto che, nei benzina la miscelazione aria/combustibile avviene
precedentemente e nel cilindro viene immessa già la miscela.
I moti principalmente adottati (e sfruttati) dei diesel sono:
Squish: è un moto che avviene ortogonalmente all'asse dello stantuffo.
E' evidenziato con una particolare conformazione dei pistoni (una sorta
di scavo creato nel cielo del pistone).
Swirl: è un moto che avviene parallelamente all'asse dello stantuffo.
Viene ottenuto sfuttando la geometria dei condotti di aspirazione.
Si può immaginare che l'aria assuma una sorta di moto a trottola .
Questi moti, come già detto, creano un rimescolamento della miscela
aria+combustibile, contribuendo alla propagazione del fronte di
fiamma (quindi a far arrivare la combustione in tutti i punti, bruciando
quanto più combustibile è possibile in modo da limitare gli incombusti
che nel diesel specialmente originano quel fumo nero allo scarico).
Combustione nei motori diesel.
La combustione nei motori diesel è caratterizzata da diverse fasi distinte.
Durante la prima fase, l'inettore comincia ad iniettare carburante prima
del raggiungimento del punto morto superiore (PMS). Questo carburante
non brucia ma si miscela con l'aria. Tale fase viene detta di accumulo.
Successivamente, al raggiungimento delle condizioni ottimali, avviene
la combustione. In questa seconda fase si ha la combustione dell'accumulo,
cioè la fase precedentemente iniettata che non è bruciata. Si ottiene
un repentino e brusco aumento della pressione. Tale aumento di pressione,
proprio per la sua velocità da origine a rumore ed a vibrazioni.
Successivamente, vi è la fase di combustione regolata dall'iniezione.
Per ultima, vi è la combustione delle ultime frazioni di carburante, quando
però la fase di iniezione è già terminata.
Detto questo si vede come la combustione dell'accumulo sia la condizione
più sfavorevole proprio per il rumore e le vibrazioni.
Questo fenomeno è però legato ad un discorso di ritardo intrinseco
al processo di combustione. Si può indentificare una componente
 "meccanica" legata all'inerzia del sistema (apertura/chiusura degli organi
meccanici) ed a una componente fisica. Quella fisica è legata al diametro
delle gocce di combustibile.
Nei moderni diesel, l'aumento della pressione di alimentazione ha due
scopi.
Aumentando la pressione di iniezione, aumenta la velocità di fuoriuscita
del combustibile dall'iniettore, visto che questa può essere espressa come
w = fi * radq(2*Dp/dro), dove fi è un coefficiente di perdita, Dp è il
salto di pressione, ro è la densità.
Si consegue un aumento della velocità perchè, in questo modo, il diametro
delle gocce di combustibile diventa più piccolo.
Si ha infatti che:
d=(ro)/(mua*mub*w^2), dove mu rappresenta la densità e ro la viscosità.
Auementando la velocità si riesce quindi ad ottenere gocce con un diametro
più piccolo. In questo modo si riduce il "ritardo" di combustione, si riesce
ad avere un comportamento più fluido (in termini di erogazione), si riduce
il rumore e così via.
Nei motori moderni, l'utilizzo di nuove tecnologie ha permesso di realizzare
fasi di pre e post iniezione in modo da regolarizzarne il comportamento.
C'è però un fatto negativo legato all'aumento della pressione di iniezione.
Aumentando questo parametro in fatto (ottenendo come già detto delle
gocce di combustibile più piccole), si riduce la penetrabilità del
combustibile in camera, ovvero il percorso che esso compie una volta
iniettato. Per ovviare a questo fatto, i moderni iniettori sono stati dotati
di
un numero maggiore di fori, in modo da interessare una zona più ampia
della camera di combustione.
La potenza di un motore può essere espressa dalla formula:
Pu=pme*iV*(n/m) dove Pu è la potenza utile, iV è la cilindrata
complessiva, n il numero di giri ed m un coefficiente che è legato
al numero di cicli (è una costante e vale 2 per i 4T).
Per aumentare la potenza utile si possono quindi seguire più strade:
aumento della cilindrata (e conseguente aumento del peso e dell'ingombro,
nonchè un aumento dell'inerzia dei componenti), aumento del numero
di giri (e conseguente aumento delle forze d'inerzia secondo ill quadrato
della velocità) ed auemnto delle pressione media effettiva, che può essere
vista come quella pressione che agisce all'inteno del motore e che genera la
coppia disponibile all'albero.
La pme a sua volta, può essere espressa come:
pme=etau*(Hi*lambdav)/(alfa*va) dove etau è il rendimento utile, alfa
rappresenta la dosatura ovvero il rapporto tra la quantità di aria e quella
di combustibile, lambdav è il riempimento, Hi è il potere calorifico
inferiore del combustibile.
Per i benzina, il termine Hi/alfa è circa costante, poichè le
caratteristiche
del processo di combustione obbligano a rimanere entro certi valori
di alfa, pena lo spegnimento della fiamma e la diminuzione di velocità
di propagazione. Per i diesel invece, è possibile "giocare" di più su
questo fattore. Se alfa=(ma/mb) dove ma è la massa di aria che rimane
circa costante ed mb è la mass di combustibile, si vede come
incrementando quest'ultima alfa diventi più piccolo. Ricordando che,
nella relazione della pme questo è a denominatore, la pme diventa più
grande, quindi ottengo più coppia e più potenza (essendo queste due
correlate dalla relazione P=C*omega dove omega è la velocità angolare.
A sua volta, la portata di carburante può essere vista come:
G=S*v dove S è la sezione di passaggio, v la velocità.
Per avere maggiore quantità di carburante, visto che non possiamo
inettare per tempi troppo lunghi (pena incorrere negli inconvenienti
visti sopra), bisogna aumentare la velocità e quindi la pressione.
Con pressioni elevate quindi si riesce ad iniettare grosse quantità
di carburante in tempi molto brevi. Se riusciamo ad ottenere questo,
possiamo iniettare in prossimità del PMS, con un grande vantaggio
in termini di rendimento del motore.
I tempi di iniezione possono quindi essere diminuiti e perciò gestiti
nel modo più opportuno a seconda delle condizioni di funzionamento
richieste.
Ai bassi carichi quindi, si può iniettare ad alta pressione per brevi
istanti ed ottenere così il giusto necessario nel modo migliore.
Ne consuegue una combustione ottimale con una riduzione degli
inquinanti. Quando si richiede molta potenza invece, si allunga
il tempo di iniezione e si può introdurre più carburante.
Se vogliamo aumentare la potenza, è possibile "lavorare" sul termine
va ovvero sul suo inverso, roa (densità dell'aria). Aumentando
la densità dell'aria si diminuisce il suo volume specifico e ricordando
com'era espressa la pme, quest'ultima aumenta. Questo aumento
lo si ottiene attraverso la sovralimentazione attraverso l'adozione
di un compressore. Un'aumento della pme porta da se ad un
aumento delle pressioni in camera di combustione ed a un aumento
delle sollecitazioni.
A questo punto, faccio i complimenti a quanti sono riusciti ad
arrivare sino in fondo a questo mio post senza prima essersi
addormentati o senza essersi suicidati.
Scusatemi per la lunghezza. Spero però di aver fatto cosa
gradita. Sicuramente ci saranno delle inesattezze visto che,
per questioni di spazio ho dovuto tagliare qua e la e riassumere.
Sempre a disposizione per chiarimenti e per spiegazioni!
--
Lorenzo
VW Lupo 1.4 TDI & Cagiva Mito 160
(23,75,40,NO)
"Avete scarsi riflessi? Lucidatevi meglio!"

 addormentati o senza essersi suicidati.
Beh, qualcosina l'ho anche capita :-D
Ciao!
McOrion

 in termini di rendimento del motore.
Cioè la pressione può fare un motore "milgiore" per quanto sopra detto,  ma
più iniezioni di minori quantità di carburante possono fare più o meno la
stessa cosa, se ho ben capito.
Grazie per il resto del post, ogni tanto ci vuole!! :-D
--
Ayrtonoc (23,110-----,Mi)  ANNO II ayrt...@NOSPAMsupereva.it
Peugeot fans & happy driver - 
www.idanet.net
- Intaversatio non petita, cinghialatio manifesta -

 per questioni di spazio ho dovuto tagliare qua e la e riassumere.
Grande Lorenzo,bel post.
Ciao.
Mirco
_____________________________________________________________________
Mirco Zorzo 305---> 40k km--->€€€--->Polo tdi---> 82k km , classe rca 11, 
-peso=-spazi d'arresto +prestazioni o minori consumi
MDK Linux 2.4.19 Registered user #287263

proprio per la sua velocità da origine a rumore ed a vibrazioni.
Intuitivamente ti darei ragione sul brusco aumento di pressione
durante la combustione.
Tuttavia trovo sul mio libro "Corso di macchine - Motori a combustione
interna" il grafico p-v del ciclo teorico diesel, in cui la
combustione è segnata a pressione costante.
Come si spiega la cosa?
Andrea 26, VW Golf 3 Gt Tdi
Padova

Come si spiega la cosa?
L'hai detto tu stesso: perchè quello è il ciclo Diesel teorico, non
quello reale. Rudolf Diesel voleva far avvenire la combustione stessa
mentre il pistone cominciava a scendere dal pms, in modo che l'aumento
del volume compensasse l'aumento di pressione in  camera di
combustione e  avere una pressione relativamente costante. Questo
nella pratica non è realizzabile perchè il gasolio quando brucia in
quella maniera ha sempre una fase di combustione a volume quasi
costante (brucia di colpo e provoca rumore e vibrazioni) e una a
pressione quasi costante successiva. La prima fase, che è quella che
fa rumore, dipende dal tempo che ci mette la gocciolina di gasolio a
evaporare, che quindi va ridotto il più possibile, in modo che il
gasolio interessato sia il minore possibile...per questo sono
necessarie goccioline il più piccole possibili.
Per via di questa tipo di combustione non è poi così facile
distinguere un ciclo reale diesel da uno otto...
Almeno mi sembra di ricordarmi che sia così :)
saluti...


 Almeno mi sembra di ricordarmi che sia così :)
In realtà, il ciclo di riferimento per i moderni diesel non è
il "Diesel" ma il "Sabathe'", dove una parte di calore Q1 viene
somministrata a pressione costante ed una parte a volume
costante.


costante.
Si, pero' nei diesel veloci di oggi e' un sabathe che somiglia molto
piu' a un OTTO che a un DIESEL visto che la parte di compustione a
pressione (pseudo)costante e' limitatissima. Credo che Perito volesse
dire questo...
cia
ale

ale

distinguere un ciclo reale diesel da uno otto...
E' proprio quello che cominciavo a pensare leggendo la tua
spiegazione. Sinceramente sapevo che i cicli teorici fossero diversi
da quelli reali, ma non pensavo cosě tanto diversi, e che addirittura
i cicli reali diesel e benzina fossero molto simili.
Grazie delle spiegazioni.


Giao raga...
quindi ricapitolando:sulla mia 307 HDI 90 Cv se aumento un pò la
pressione del turbo
e ci inserisco una valvola popof e un filtro conico dovrei aumentare un
pò
le sue prestazioni.
Giusto?
Grazie
ULISSE D.J.
-- 
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ULISSE D.J.
saluti...
