Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano
COMBUSTIONE
Modalità di combustione:premiscelata (Otto)diffusiva o non-premiscelata (Diesel)flusso laminareflusso turbolento
velocità delle reazioni chimiche:
distruzione reagenti
produzione prodotti di ossidazione
sviluppo energia
Reaction rate wrRate coefficient
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reazione collisione di due o più molecole opportunamente orientate e dotate di un minimo livello di energia (energia di attivazione) (bisogna vincere le forze elettriche repulsive generate dalle loro nubi di elettroni esterne). Se energia di attivazione > barriera di potenziale le molecole dei reagenti che collidono formano un complesso attivato o stato di transizione (vita breve !!)
Arrhenius*:
Ea = energia di attivazione =
ΔU tra complesso attivato e reagenti
Ea=80-160 kJ/(Mole K)
(per reazioni globali)
*Basse T poche (ma ci sono) molecole hanno energia sufficiente;
All’aumentare di T, aumenta il N. di molecole con energia sufficiente combustione
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Vel. reazioni chimiche a medio-bassa T autoaccensione, detonazione
Velocità reazioni chimiche alte T velocità di propagazione della fiamma
AUTOACCENSIONE:reazioni di prefiamma sviluppo E se E<Q, T aumenta vel. reazioni aumentaper una miscela gassosa omogenea dipende da composizione, T, p, t di induzione (o ritardo di accensione τa) --- se non omogenea, dipende anche dai moti che generano miscelamento e dalla velocità di vaporizzazione
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Fiamme fredde (preossidazione di idrocarburi)
k aumenta rapidamente con T per le reazioni di prefiamma, [reagenti] sono massime anche wr aumenta rapidamente con T Ritardo di accensione τa≈ 1/wr
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FIAMMA PREMISCELATA LAMINARE (IN QUIETE, p=cost)
Velocità di combustione laminare
diffusività termica
Spessore del fronte di fiamma
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COMBUSTIONE PREMISCELATA TURBOLENTA
Effetti della turbolenza:
1) Vortici di grande scala distorsione del fronte di fiamma superficie fronte di fiamma ↑
2) Vortici di piccola scala scambi di massa e di energia ↑ wr ↑ Sft ↑
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CENNI SULLA TURBOLENZA
Instabilità del flusso smorzate dalle forze viscose flusso laminare
Instabilità del flusso non smorzate dalle forze viscose flusso turbolento fluttuazioni nel flusso
Parametro determinante Fin/Fvisc = laminar combustion ↔ molecular diffusion Turbulent combustion ↔ rapid intertwining of fluid elements
increased transport of species, momentum, energy
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REYNOLDS DECOMPOSITION (steady flows):
mean value:
fluctuation: namely
root mean square:
turbulent kinetic energy:
Relative intensity (turbulence intensity): or
Dissipation of turbulent kinetic energy:
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SCALE DI TURBOLENZA
Dimensione caratteristica (macroscala) L Re(dimensione geometrica)
Scala integrale (o di turbolenza) L0 (massima dimensione dei vortici turbolenti ≈ distanza oltre la quale non c’è più correlazione tra le fluttuazioni di velocità nei due punti)Dissipation of turbulent kinetic energy:
Cascata di energia nel flusso turbolento:1) Energia fornita alle “grandi scale” (al moto medio)2) Energia trasferita alle “piccole scale” (fluttuazioni)3) Energia dissipata alla “scala molecolare”
Eddy: macroscopic fluid element whose microscopic elements behave in the same way: vorticity (angular velocity) size length scale (Re↑ greater range of scales)
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SCALE DI TURBOLENZA
Microscala di Taylor lλ
legata alla velocità media di deformazione per l > lλ tensioni di taglio
Microscala di Kolmogorov lκ
dimensione minima di un vortice (se l < lκ la dissipazione molecolare distrugge il vortice velocità di dissipazione = velocità di trasferimento dell’energia dai vortici più grandi
lκ dipendente da 𝜐 e ε. Analisi dimensionale:
N.B.: le scale sono legate attraverso Ret; ad es. (no dim):
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COMBUSTIONE TURBOLENTA
Tempo di miscelamento turbolento Tempo di residenza nello spessore del fronte di fiamma laminare (tempo caratteristico della reazione di combustione):
Numero di Damköhler:
stiramento o distorsione:
Per analizzare l’effetto della turbolenza sulla combustione confrontiamo queste tre scale con la dimensione caratteristica della propagazione di fiamma = spessore della fiamma premiscelata sfl, o, meglio, spessore di preriscaldamento (più grande dello spessore di rapido rilascio del calore)
Da ↑ chimica veloce la turbolenza produce fiamme corrugate Da ↓ chimica lenta la turbolenza miscela più rapidamente di quanto si propaghi la fiamma
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ALTRI PARAMETRI RILEVANTI
Qp rilascio di calore dalla reazione chimica Tf temperatura di fiamma
Numeri di Frank-Kamenetskii:
FK1 ↑ forte effetto delle reazioni chimiche sulla turbolenza
Qp rilascio di calore dalla reazione chimica Ta temperatura di attivazione
FK2 ↑ la velocità di reazione dipende significativamente da T si riduce lo spessore dove avviene la reazione
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COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO
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RIASSUMENDO …
wct circa proporzionale all’intensità di turbolenza
wct non dipende dalla scala di turbolenza
la dipendenza di wct dalla composizione è simile a quella di wcl
distorsione delle fiamma maggiore superficie di fiamma
Proprietà di diffusione invariate wcl invariata
Wct proporzionale all’area della superficie di fiamma
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COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO
Wct proporzionale all’area della superficie di fiamma
ovvero
Sperimentalmente:
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COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO1) Incubazione o sviluppo della fiamma: graduale
ossidazione del nucleo vicino alla candela2) Combustione turbolenta: rapida propagazione
del fronte di fiamma (p↑ a V≈cost)3) Completamento della combustione nelle
regioni più lontane
Vmf ↔ wct ?
irregolarità ciclica
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IRREGOLARITA’ CICLICA
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COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO
Espansione 1 + irraggiamento p2,T2↑ wct↑
(N.B.: apparentemente la combustione appare più veloce di quanto lo sia realmente, nel senso che la frazione in massa bruciata aumenta meno
rapidamente della frazione in volume)
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Relazione tra xb e yb
𝑥𝑏=[𝑚𝑏
𝑚 ]=[ 𝑚𝑚𝑏 ]−1
=[𝑚𝑚+𝑚𝑏
𝑚𝑏 ]− 1
=[1+𝑚𝑚
𝑚𝑏 ]−1
=[1+𝜌𝑚𝑉𝑚
𝜌𝑏𝑉 𝑏 ]− 1
=[1+𝜌𝑚
𝜌𝑏
𝑉 −𝑉 𝑏
𝑉 𝑏 ]−1
=[1+𝜌𝑚
𝜌𝑏( 1𝑦𝑏
−1)]− 1
𝑥𝑏=𝑚𝑏
𝑚𝑦 𝑏=
𝑉 𝑏
𝑉
𝑚=𝑚𝑚+𝑚𝑏 𝑉=𝑉𝑚+𝑉 𝑏
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DETONAZIONE
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DETONAZIONE
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COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO
Anticipo ↑ Lc ↑ + detonazione Anticipo ↓ Le ↓ + detonazione
10÷30° (variabile con …)
picco di pressione a 15÷20° dopo il PMS
dxb/dt dp/dt rumore
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VARIABILITA’ DELL’ANTICIPO DI ACCENSIONE
Combustibile e dosatura (φopt ≈ 1.2)Rapporto di compressioneForma della camera + turbolenzaCarico ↓ wct ↓n ↑ anticipo ↑, perché
Δt incubazione ≈ cost Δθ↑ turbolenza ↑ vmf ↑ Δt propagazione fronte ↓ Δθ≈ cost
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Altri parametri: anticipo di accensione
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Altri parametri: anticipo di accensione