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Basando l'analisi sulla
conoscenza approfondita della fluidodinamica interna di tali propulsori
(esperienza più che ventennale basata sul rilievo sperimentale mediante
diagnostica ottica dei flussi interni sia isotermi che in combustione) si è
osservato come, anche sagomando i condotti di travaso in maniera apposita,
le velocità della carica fresca in camera di combustione raramente superano
il valore
massimo di pochissimi metri al secondo. Tali velocità, soprattutto se confrontate
con quelle misurate nei diesel veloci 4T, che superano facilmente le decine
di metri al secondo, sono tanto basse da rendere la camera di combustione
praticamente quiescente. Questa circostanza rende frustrante ogni tentativo
di rapida dispersione e miscelamento di combustibile iniettato direttamente
in camera di combustione basato totalmente o in parte sull'interazione
aerodinamica tra getto e flusso gassoso. Questa circostanza è tanto più
vera quando più povera risulta essere l'atomizzazione iniziale del
combustibile. Infatti se lo spray di combustibile, non produce gocce dal
diametro medio di pochi micron, è facilmente dimostrabile come
l'evaporazione richieda tempi tanto lunghi da superare il tempo di
residenza della carica fresca in camera di combustione, venendo espulsa
direttamente allo scarico. Occorre ricordare che le reazioni di combustione
possono avvenire solo a livello molecolare quindi solo se il combustibile
si trova in fase gassosa, la presenza di fase condensata (liquido) in ambienti
reattivi porta alla più o meno parziale pirolisi (perdita di idrogeno dalla
molecola dell'idrocarburo) del liquido stesso. Questa circostanza ha
portato alle realizzazioni brevemente descritte in precedenza. Un altro
aspetto notato è quello che essendo i flussi interni a bassissima velocità,
difficilmente possono deviare e/o disperdere il getto di combustibile
immesso. Quest'ultima considerazione è quella che ci ha fatto propendere,
sin dalle prime battute dello sviluppo della nostra tecnologia, per un posizionamento
innovativo dell'iniettore.
Infatti se il getto non
viene frenato dalla carica fresca ed è iniettato (come in tutte le
applicazioni citate) verso il pistone, esso si troverà ad interagire,
durante la parte finale della fase di lavaggio, con il flusso dei gas di
scarico con elevate probabilità di essere trascinato con esso. Questo è
causato dal fatto che, a causa della sua posizione, la luce di scarico è
quella che viene ostruita per ultima dal movimento del pistone e dovendo
necessariamente adottare degli anticipi di iniezione abbastanza elevati, si
finirebbe per spruzzare combustibile
(dotato di elevata quantità di moto) verso il pistone quando lo scarico è
ancora aperto. Considerando che gli spray hanno una penetrazione
inversamente proporzionale alle dimensioni medie delle goccioline prodotte
(Sauter Mean Diameter SMD) ecco che getti grossolani finirebbero
parzialmente allo scarico. Un ulteriore considerazione è quella che anche
se il montaggio del sistema di iniezione sulla testa richiede minori
modifiche soprattutto su propulsori esistenti, tipicamente la testa dei
motori endotermici è uno dei componenti che raggiunge le maggiori
temperature di funzionamento. L'altro componente, spesso addirittura più
sollecitato termicamente della testa è il pistone. Sfortunatamente, per
quanto detto in precedenza, è praticamente impossibile spruzzare
combustibile sulla faccia superiore del pistone a causa della presenza
della luce di scarico e del ritardo alla sua chiusura. Le sollecitazioni
termiche della testa escludono la possibilità di utilizzare iniettori
(elettroiniettori) sviluppati per il mercato automobilistico, dato che
questi funzionano nel collettore di aspirazione (iniezione indiretta) dove
le temperature sono decisamente più basse. D'altra parte richiedere lo
sviluppo di iniettori speciali è praticamente impossibile a causa degli
alti costi. Inoltre le elevate temperature potrebbero portare a fenomeni di
vaporizzazione del combustibile direttamente nell'iniettore con conseguenti
mal funzionamenti.
A seguito di queste
considerazioni, e tenendo presente che per propulsori dal costo unitario di
pochi euro, non è possibile adottare componentistica appositamente
sviluppata, il progetto è partito inserendo un elettroiniettore per uso
automobilistico sulle pareti del cilindro, orientando lo spruzzo verso la
testa. In questo modo si è ottenuto il duplice vantaggio di posizionare
l'iniettore in una zona a bassa temperatura, e di proteggerlo dal fronte di
fiamma dato che durante la combustione il pistone si trova davanti
all'iniettore stesso, schermandolo dai gas caldi. L'orientamento dello
spray verso la testa elimina il problema precedentemente ricordato della
possibilità di incanalare parte dello spray stesso direttamente nello
scarico, ma non ha eliminato il problema causato dal fatto che gli spray
prodotti dagli elettroiniettori commerciali sono molto poveri in termini
sia di SMD che di angolo di apertura dello spruzzo stesso. Questo comporta
un elevata penetrazione dello spray tanto da portarlo ad impattare sulle
pareti della camera di combustione. Questa circostanza che ad un primo
esame sembrava insormontabile, tanto da far prendere in considerazione
l'abbandono del progetto, è stata sfruttata mediante un capovolgimento
della normale visione sul funzionamento di un motore alternativo ad
accensione comandata. In pratica il getto di combustibile viene fatto
impattare sulle pareti della camera di combustione, ricavata sulla testa, è
vi si deposita in quantità elevata. In effetti lo spruzzo prodotto non è
sufficiente ad atomizzare completamente il liquido nel tragitto tra il foro
di uscita e la superficie di impatto, ma solo una piccola frazione del
getto viene atomizzato (20% circa a seconda del regime di rotazione, del
carico e della temperatura del motore). La parte liquida bagna la parete,
riceve energia termica dalla parete stessa e vaporizza. Dato che le
velocità dell'aria sono molto basse, i vapori del combustibile, non si
disperdono in tutta la camera, ma formano una miscela particolarmente ricca
proprio in prossimità degli elettrodi della candela consentendo
l'accensione. Il fenomeno precedentemente descritto è stato realizzato
partendo da un comune iniettore multiforo (quattro fori) mediante il quale
si è allargata l'area di impatto del getto sulle pareti della camera di
combustione. Tale camera è stata ridisegnata al fine di ottenere un
comportamento ancora più quiescente e in grado di “guidare” l'impatto del
getto di combustibile. Il disegno della camera ha completamente eliminato
le cosiddette zone di “squish” normalmente presenti. In tale modo è stato
ottenuto un funzionamento completamente “stratificato” del motore tanto da
poter eliminare completamente la farfalla (o saracinesca) di strozzamento
tipica dei motori carburati, realizzando a pieno gli obiettivi posti
all'inizio della progettazione.Le soluzioni individuate sono state protette
mediante brevetti internazionali.
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