Motori a combustione

Sostanzialmente i motori a combustione interna sono tutte quelle macchine in cui il combustibile,bruciando, genera energia necessaria che, ceduta direttamente agli organi meccanici viene tradotta in lavoro.
Gli organi in movimento aumentano le difficoltà costruttive. Dovute anche al diretto contatto con i residui della combustione.
I motori a combustione interna dal punto di vista dell’ alimentazione si classificano in due categorie: motori a carburazione e motori ad iniezione.
Il Diesel rientra nella seconda divisione, in quanto il combustibile viene introdotto mediante un iniettore, all’ interno del cilindro che già contiene l’ aria comburente, giustamente compressa.
Caratteristiche basilari di questo motore, è che la compressione viene realizzata esclusivamente con aria aspirata e il combustibile viene iniettato da appositi iniettori alimentati da una pompa.
Al termine della compressione (PMS) il combustibile iniettato si accende per effetto delle temperatura e compressione raggiunta nella camera di combustione. 

FASI DELLA COMBUSTONE
La figura V.1 riporta in funzioni dell'angolo di manovella l'andamento delle pressioni in un cilindro di un motore ad accensione a compressione. La curva a tratti si riferisce al funzionamento con sola aria. Nei motori per impianti fissi ad esempio, si hanno cilindri con diametri fino a circa 1 000mm, rapporti corsa-diametro di 1.5_1.8; velocità tra 100 e 500 g/min e rapporti di potenza per cilindro di (1.2 Kw/dm). Sul diagramma la combustione è stata divisa in tre fasi:

• Periodo di ritardo all'accensione.
•  Periodo di combustione rapida.
•  Periodo di combustione regolata.

1) Il ritardo all'accensione è il tempo che intercorre tra l'inizio dell'iniezione del combustibile del carburante e l'inizio della combustione. Il combustibile viene iniettato nel cilindro sotto forma di getto liquido. Gli strati superficiali delle particelle esterne del getto, al contatto con l'aria calda, cominciano ad evaporare andando a formare con l'aria miscele combustibili. L'evaporazione e la miscelazione richiedono un certo tempo prolungato dal fatto che il calore latente di evaporazione sottratto dal combustibile abbassa la temperatura locale. li ritardo all'accensione dipende dalle caratteristiche dei combustibile e dal suo grado di polverizzazione, dalla temperatura, dalla pressione e dalla turbolenza dell'aria. Esso non dipende dalla quantità del combustibile iniettato. Infatti tutt'attorno al getto di liquido si forma un'ampia gamma di miscele con diversi rapporti di dosatura. In un punto, il rapporto aria-combustibile sarà quello idoneo alla combustione che, se la temperatura è sufficientemente elevata, s'innesca propagandosi in modo simile a quello che si ha nei motori ciclo otto, indipendentemente dalle condizioni che regnano nelle altre zone della camera di combustione. Se la temperatura dell'aria è insufficiente al momento per provocare l'accensione, i vapori si accumulano e in seguito bruciano con velocità eccessiva. Ciò provoca un aumento troppo brusco di pressione ( battito caratteristico del Diesel)Succede quando il motore è freddo . Se il ritardo è grande vi è maggiore possibilità che il combustibile si misceli con l'aría prima che abbia inizio la combustione quindi il battito sarà più accentuato.

2)Il periodo di combustione rapido è dovuto al diffondersi della fiamma nella camera di combustione. Quando s'innesca la combustione, il combustibile accumulatosi durante il periodo di ritardo e miscelatosi con l'aria, brucia con grande rapidità provocando un forte aumento della pressione. Una variazione troppo elevata della pressione induce sollecitazioni nella struttura del motore. La variazione di pressione dipende dal grado di automatizzazione del combustibile (che è prodotto dal sistema di iniezione); dalla quantità di combustibile che evapora durante il periodo di ritardo (se questa è grande, sarà elevata la quantità di combustibile che potrà miscelarsi con l'aria per poi bruciare rapidamente).

3)  Periodo di combustione regolato. Una volta che la fiamma s'è propagata nella camera di combustione, la pressione e la temperatura che ne risultano eccelleranno la combustione e il nuovo combustibile brucia non appena esce dall'iniettore. In tal modo si ha un ulteriore aumento della pressione o, secondo i casi, il mantenimento della pressione ad un vapore costante. La combustione adesso controllata meccanicamente e la pressione viene regolata variando la portata di combustibile. Il periodo di combustione regolata dipende perciò dalla portata di combustibile e, dall'ossigeno ancora disponibile nella camera di combustione; dalla vorticità dell'aria; dal moto del pistone (se il terzo periodo si svolge quando il pistone è alquanto spostato verso il P.M.I., la pressione risulterà notevolmente influenzata dalla variazione di volume del cilindro). Per ottenere rendimenti elevati è necessario completare la combustione vicino al P.M. S. Per evitare o limitare il battito provocato da una elevata variazione della pressione durante il periodo della combustione, si dovrà rendere meno efficace l'atomizzazione e la miscelazione dei combustibile durante il periodo di ritardo e tener bassa la velocità di rotazione (infatti la quantità di combustibile iniettata durante questo intervallo aumenta col numero di giri). Però se la miscelazione è imperfetta si dovrà adottare un elevato eccesso d'aria (dal 20% al 100% e oltre) per consentire una completa combustione, per cui la potenza specifica diminuisce. Diminuisce inoltre anche il rendimento, perché il combustibile e l'aria non ben miscelati bruceranno ad espansione inoltrata. Non è anche conveniente diminuire la quantità di combustibile iniettato durante la fase di ritardo, perché risulterà ridotto il tempo disponibile per bruciare tutto il resto del combustibile durante il terzo periodo (compare fumo nero dallo scarico). In definitiva per avere una combustione efficiente bisogna ridurre al minimo il periodo di ritardo e aumentare la turbolenza nella camera di combustione. Il combustibile cioè deve poter bruciare appena penetrato nella camera di combustione, in questo caso l'aumento di pressione potrebbe essere regolato agendo sulla portata di combustibile.

FUNZIONI E REQUISITI DELL’ APPARATO DI INIEZIONE

L'apparato di iniezione è l'insieme dei dispositivo che servono ad introdurre il combustibile all'interno del cilindro nella quantità e modo necessari per ottenere la combustione più regolare ed efficace possibile. Tale apparato deve quindi soddisfare determinati requisiti:

• 1 . Fornire al cilindro la quantità di combustibile richiesta (dosatura del combustibile).
• 2.  Introdurre il combustibile nel giusto istante (fasatura).
• 3.  Graduare l'introduzione dei combustibile (gradiente di iniezione).
•  4.  Suddividere il combustibile in goccioline minute ed uniformi (polverizzazione).
•  5.  Distribuire uniformemente le particelle nell'aria in modo da poter reagire con l'ossigeno necessario alla combustione.

1 componenti principali dell'apparato di iniezione sono:

•  LA POMPA DI INIEZIONE
• IL POLVERIZZATORE o INIETTORE.

 il funzionamento di tali dispositivo è diverso a seconda che si tratti di iniezione pneumatica o meccanica.

INIEZIONE PNEUMATICA: Il combustibile con l'iniezione pneumatica viene introdotto nel cilindro sfruttando l'effetto di trascinamento di una corrente d'aria ad alta pressione fornita da un apparato compressore. Il peso, il costo e l'ingombro dell'apparato di iniezione pneumatica, costituito sostanzialmente da un compressore elaborato è rilevante. Per il motore, con questo sistema di iniezione è richiesta una pressione superiore a quella meccanica di circa 3 5 BAR contro i 3 0.

INIEZIONE MECCANICA: Mediante l'iniezione meccanica il combustibile viene polverizzato sotto la spinta di una elevatissime pressione idraulica. Questo sistema prevede un funzionamento migliore, una minor manutenzione ad un costo più basso. Attualmente tra gli apparati ad iniezione meccanica vengono quasi esclusivamente utilizzati quelli a pressione intermittente. Il combustibile è inviato ad ogni corpo dello stantuffo, dalla pompa d'iniezione dell'iniettore, secondo la quantità desiderata. L'ugello dell'iniettore viene aperto e chiuso automaticamente sotto l'effetto della pressione.

POMPA A STANTUFFO ROTANTE
La pompa per motori a più cilindri è composta da tanti elementi pompanti, quanti sono i cilindri del motore. Il moto dello stantuffo viene realizzato mediante un eccentrico che aziona una punteria a rullo mantenuta in posizione da una molla. Lo stantuffo è ancorato alla punteria, ma in modo da poter liberamente essere fatto ruotare per mezzo di un ruotismo a cremagliera. Quando lo stantuffo è al punto morto inferiore (PMI) i fori di alimentazione sono scoperti, ed il cilindro viene riempito dal combustibile che dalla pompa di alimentazione è inviato a bassa pressione attraverso il filtro. Lo stantuffo nella corsa ascendente respinge in un primo tempo nel condotto di arrivo una parte del combustibile, finché i fori di alimentazione non sono chiusi dallo stantuffo. La mandata dei combustibile all'iniettore avviene quando lo stantuffo ha raggiunto una velocità elevata attraverso l'apposita valvola di mandata. Quando uno dei fori di alimentazione viene raggiunto dal bordo elicoidale la mandata viene interrotta. In questa posizione il combustibile contenuto nella parte superiore del cilindro può, attraverso una scanalatura verticale praticata sullo stantuffo, rifluire dal foro di alimentazione. La regolazione della quantità di combustibile viene effettuata ruotando lo stantuffo rispetto al cilindro in modo che il foro di alimentazione venga a trovarsi in corrispondenza della zona ristretta dello stantuffo dopo che questo ha spostato il volume di liquido stabilito. La valvola di mandata, situata nella parte superiore dei cilindro, ha la funzione di abbassare e, quindi, di interrompere con prontezza l'iniezione per evitare che l'iniettore goccioli. Per evitare tale fenomeno al di sotto della sede conica la valvola è provvista di un tratto cilindrico il quale, alla fine della mandata, chiude prima il passaggio con il gambo cilindrico e poi, per raggiungere la sua sede, fa un ulteriore spostamento con il quale genera un aumento del volume contenuto fra la valvola e l'iniettore, provocando un abbassamento di pressione che evita il gocciolamento del liquido dell'iniettore. Il combustibile deve essere accuratamente filtrato e disarmato e deve arrivare alla pressione di I-- 2 BAR, affinché gli elementi pompati si riempiano completamente nei brevi intervalli di tempo a disposizione. Figura 1: valvola di mandata della pompa d'iniezione