Simulazione dello spray in motori diesel ad iniezione diretta

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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 
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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 
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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 
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ossido di carbonio (CO) e di idrocarburi incombusti (HC) è decisamente minore, 
ove invece i valori degli ossidi di azoto (NO
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) 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 
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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 
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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( Τ ), quella della frazione in massa di combustibile bruciato x( Τ ) e del 
calore rilasciato dalle reazioni di ossidazione dQ
b
/d( Τ ). 
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, 
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- 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 
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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, 
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- 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 
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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.