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Combustibili e processi di iniezione

Lucio PostriotiUniversità di Perugia – Dipartimento di Ingegneria

Università di Perugia – Dipartimento di Ingegneria

Corso di Motori a Combustione InternaA. A. 2016/2017

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La produzione di energia meccanica nei MCI è basata sulla liberazione di energia termica durante il processodi ossidazione del combustibile con aria. Il processo di combustione si deve svolgere in pochi millisecondi;anche per la formazione della miscela aria-combustibile sono consentiti solo tempi molto limitati; laformazione della miscela può realizzarsi al di fuori della camera di combustione (MCI a carburazione o ainiezione indiretta) o al suo interno (MCI a iniezione diretta).

In generale, un buon combustibile per MCI deve possedere le seguenti caratteristiche:

• Basso costo e alta disponibilità derivato dal petrolio;

• Elevato contenuto energetico per unità di volume e di massa fase liquida;

• Rapidita di evaporazione/miscelazione con aria;

• Rapidità di avvio e sviluppo del processo di combustione;

• Bassa tendenza a formare ceneri, depositi carboniosi ed emissioni inquinanti.

La quasi totalità dei combustibili impiegati nel settore dei trasporti sono derivati dal petrolio (circa il 98%, inordine di temp. di distillazione: benzine, cherosene e gasolio), con piccoli contributi dati da combustibiligassosi (metano e GPL, mix di propano e butano) e da bio-combustibili (principalmente biodiesel e alcoli-etanolo e metalo)

I combustibili per MCI

Motori a Combustione Interna_A.A. ’ 16/’17

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I principali combustibili gassosi



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I principali combustibili liquidi



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I combustibili principali (benzina e gasolio) sono miscele di idrocarburi, di peso molecolare tipicamentemaggiore per il gasolio. I costituenti principali sono:

• Idrocarburi paraffinici (Cn H2n+2);

• Idrocarburi naftenici o ciclici (Cn H2n);

• Idrocarburi aromatici (Cn H2n-6);

Indipendentemente dalla precedente classificazione, il peso molecolare e la struttura molecolare (ad es. acatena lineare o ramificata) ha una profonda influenza sul comportamento del combustibile, in termini dicalore latente di vaporizzazione, intervallo di distillazione e di accendibilità (resistenza all’autoaccensione adalta temperatura). Una forma compatta della molecola (iso-ottano) determina una buona resistenza allaauto-accensione, mentre una catena lineare determina la possibilità di molti punti di aggressione da partedelle molecole di O2 radicali e quindi un facile innesco dell’ossidazione.

La benzina è mediamente assimilabile (come PM e curva di distillazione) a un iso- o n-ottano, un gasolio adun n-tetradecano (C14 H30 ) o n-esadecano (C16 H34 ).



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La proporzione fra massa di aria e massa di combustibile è espressa da titolo di miscela α:

α= massa d’aria/massa di combustibile

In condizioni stechiometrica (proporzione canonica per una completa combustione) può essere calcolatadalla reazione globale di ossidazione, nota che sia la formula bruta del combustibile CnHmOr



𝐶𝑛𝐻𝑚𝑂𝑟 + 𝑛 +𝑚

4−𝑟

2𝑂2 + 3.773𝑁2 ⇒ 𝑛 𝐶𝑂2 +

𝑚

2𝐻2𝑂 + 3.773 𝑛 +

𝑚

4−𝑟

2𝑁2

Il rapporto stechiometrico αs potrà quindi essere calcolato come:

𝛼𝑠 = 𝑛 +𝑚

4−𝑟

2(𝑝𝑚𝑂

2+ 3.773𝑝𝑚𝑁

2)/(𝑛 𝑝𝑚𝐶 +𝑚 𝑝𝑚𝐻 + 𝑟 𝑝𝑚𝑂)

Nel reale funzionamento, il titolo di miscela α potrà essere maggiore o minore di αs, in funzione del tipo dimotore (Diesel o Otto) e del punto di funzionamento. Si definiscono:

Rapporto di equivalenza φ = αs / α; se φ <1miscela magra, φ >1miscela ricca

Eccesso d’aria λ= φ-1 = α /αs; se λ >1miscela magra, λ <1miscela ricca

Tipicamente, α varia tra 12 e 16 per un motore a ciclo Otto (teoricamente stechiometrico, α=14.7), tra 20 e80 se a ciclo Diesel.

Dal titolo di miscela, primariamente, dipende la composizione dei gas di scarico: questa è tanto più ricca inincombusti (CO, HC e particolato) quanto più la miscela è ricca; per gli NOx si ha un massimo per α> αs

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Un aspetto fondamentale che cararatterizza il combustibile per motori a ciclo Otto è la resistenza alladetonazione, la più grave tipologia di combustione anomala che spesso è un fenomeno limitante perprestazioni di questo tipo di motore. La detonazione consiste nell’autoaccensione di larga parte dellamiscela combustibile, che causa intensi gradienti di pressione in c.d.c. con possibili danneggiamenti dellastessa.

Convenzionalmente, si misura la resistenza alla detonazione di un carburante eseguendo una provanormalizzata con uno specifico motore (CRF), che consente di determinare il Numero di Ottano (NO)



Il motore CFR è a rapporto di compressioneregolabile (da 4 a 30). Il combustibile in prova vieneutilizzato per alimentare il motore, aumentando rfino a che non si rileva l’intensità standard delladetonazione (derivata della pressione), nellecondizioni di α che massimizzano la detonazionestessa con assegnati rpm e anticipo di accensione.

Nelle stesse condizioni si usa poi una miscela di iso-ottano e n-eptano per alimentare il motore; il NO delcombustibile è pari alla percentuale volumetrica diiso-ottano (indice NO=100) della miscela in n-eptano(NO=0) che presenta la stessa intensità didetonazione con lo stesso r.

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Per i motori Diesel, un parametro fondamentale del combustibile è la sua accendibilità, che influenza ilritardo all’auto-accensione misurato dall’inizio dell’iniezione. Anche in questo caso , per determinare questacaratteristica del combustibile si esegue un test standard su un motore di riferimento: il CFR Diesel,confrontando le caratteristiche di accendibilità del combustibile in prova con miscele di due idrocarburi puri:il centano (C16H34 a a catena lineare, che presenta alta tendenza all’autoaccensione, indice=100) e il suoisomero eptametilnonano, caratterizzato da una catena ramificata e molto più resistente all’autoaccensione(indice=15).

Si definisce il Numero di Cetano di un combustibile

NC= % cetano + 0.15 % eptametilnonano

Dove le percentuali esprimono la frazione volumica di una miscela che al motore CFR ha mostrato un ritardoall’accensione equivalente a quello del combustibile in prova. Questo viene determinato con il combustibilein prova aumentando il rapporto di compressione fino a far coincidere l’istante di autoaccensione con ilPMS; non modificando r, si utilizzano miscele campione di composizione variabile fino a ottenerenuovamente autoaccensione al PMS.

Il CN deve essere tanto più elevato quanto maggiore è la velocità di rotazione: per l’autotrazione la normaEN590 prescrive un CN minimo di 51.



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In un motore Otto classico, il processo di combustione si realizza in sistema gassoso di composizioneomogenea a partire dal punto di innesco (candela), con un fronte fiamma che progressvamente consumatutta la miscela disponibile.

I compiti fondamentali del sistema di alimentazione combustibile sono:

- Dosare la quantità di combustibile pe rottenere il titolo di miscela ottimale in ogni condizione;

- Rendere omogenea la miscela aria/combustibile in c.d.c

- Garantire un titolo di miscela omogeneo fra i vari cilindri.

Alimentazione combustibile per i motori Otto


In generale, assegnato il regime di rotazione ed il carico,variando il titolo di miscela cambiano la potenzaerogata ed il consumo specifico:

- Il massimo della potenza si ottiene per un titolo dimiscela leggermente ricco (α≈13);

- Il minimo di consumo specifico si ottiene per untitolo di miscela leggermente magro (α≈16-17).

Per ogni punto motore rpm-pme, può essere quindiregolato α per ottimizzare i consumi o le prestazioni.

Il controllo delle emissioni inquinanti, invece, impone diavere α sempre prossimo al valore stechiometrico.

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Per un motore Otto, la ricerca dell’ottimizzazione delle prestazioni (senza limitazioni per le emissioniinquinanti), porterebbe a definire per ogni punto motore i valori di α riportati nella figura:

- pme costante: partendo da bassi rpm, è necessario avere α leggermente ricchi, per agevolare lapropagazione del fronte di fiamma in condizioni di bassa turbolenza in camera; aumentando rpm, incrociera, è possibile usare miscela magra per ottimizzare il consumo specifico. Ad alti rpm, α vienenuovamente abbassato per ottimizzare la potenza.



- rpm costante: ai carichi (pme) molto bassi, siha un’elevata diluizione della miscela inc.d.c. con i residui di combustione, cheostacolano la propagazione della fiamma: èquindi necessario arricchire la miscela. Aicarichi intermedi, si utilizza α>αs perottimizzare i consumi. Infine, agli alti valoridi pme α sarà minore di αs, per cercare diottimizzare le prestazioni e per allontanare ilrischio di detonazione (minore temperaturadi fiamma).

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Con le normative attuali, non è possibile regolare α nel piano quotato con il solo scopo di ottimizzare ilcomportamento motoristico, ma bisogna anche garantire il corretto funzionamento del sistema di controllodelle emissioni inquinanti (catalizzatore trivalente), che di fatto impone il funzionamento del motore in unafinestra molto ristretta in termini di titolo di miscela prossimo allo stechiometrico (tipicamente da 14.5 a14.6). E’ proprio l’impossibilità di garantire un controllo sufficientemente accurato che ha impostol’adozione di sistemi di iniezione al posto dei carburatori.



Si noti comunque che solo in una porzionelimitata del piano rpm-pme si rispetta disolito la prescrizione di miscelastechiometrica (zona di regimi e carichimedio bassi). Altrove, nei punti difunzionamento non interessanti per le provedi omologazione, di solito si utilizzano titolidi miscela non molto diversi da quelli di unmotore convenzionale (miscela ricca)

In questi punti motore, l’efficacia del sistemadi controllo emissioni è seriamente ridotta.

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Tradizionalmente, le funzioni di dosatura del flusso di carurante e di miscelazione dello stesso cn il flussod’aria era affidato al carburatore. In questo dispositivo sono presenti:



•Diffusore – un ugello convergente-divergente, nella cuisezione di gola la riduzione di pressione statica deveessere sufficiente a richiamare il combustibiledallavaschetta del carburatore. La perdita di caricoprodotta dal diffusore deve essere accettabile in pienapotenza.

•Polverizzatore - un condotto di piccola sezione cheporta il flusso di combustibile alla sezione di gola deldiffusore. Al suo ingresso, il getto regola il flusso dicombustibile.

•Vaschetta – un piccolo serbatoio a livello costante incui è accumulato il combustibile; serve a mantenerecostante il carico idrostatico sul getto.

•Valvola a farfalla – è l’organo di laminazione che regolail carico del motore: il controllo della portata d’ariaaspirata è ottenuto variando la perdita di carico nelcondotto.

Con questo tipo di dispositivo, il titolo di miscela α èdeterminato solo dalla portata d’aria e dalla geometriadel sistema (carburatore elementare).

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In un carburatore elementare, ipotizzando un flusso stazionario, le portate di aria, di combustibile e α sonodate rispettivamente da :



• effetto della quota – α decresce con 𝜌01 e quindi con laquota (-9%/1000 m), per cui il carburatore elementare habisogno di un sistema di compensazione (capsulabarometrica).

•Circuito del minimo – è necessario un circuito ausiliarioper il funzionamento al minimo, in quanto per piccole

portate il termine ∆𝑝𝑎 può essere minore di

∆𝑝𝑑 ovvero del salto di pressione corrispondente al

dislivello nel polverizzatore.

• funzionamento ad α decrescente con la portata d’aria –quando la portata d’aria supera il livello del minimo,

∆𝑝𝑑 diventa marginale ed α è controllato

dall’andamento dei coefficienti d’efflusso e dal fattore dicomprimibilità. Mentre 𝐶𝑎in regime di moto turbolento è≈ costante, 𝐶𝑐 in regime di moto laminare è crescente conRe, inoltre ∅𝑐 diminuisce la portata d’aria. Ne consegue unprogressivo arricchimento della miscela con la portatad’aria, che deve essere compensato.

Per queste motivazioni, il carburatore elementare ha subitoprogressive complicazioni, non sufficienti però ad impedirela sua obsolescenza.

ሶ𝑚𝑐 = 𝐴𝐶𝐶𝐶 2𝜌𝑐 ∆𝑝𝑐

ሶ𝑚𝑎 = 𝐴𝑎𝐶𝑎 ∅𝑐 2𝜌01 ∆𝑝𝑎

𝛼 =ሶ𝑚𝑎

ሶ𝑚𝑐=𝐴𝑎𝐴𝑐

𝐶𝑎𝐶𝑐

∅𝑐𝜌01𝜌𝑐

∆𝑝𝑎∆𝑝𝑎 − ∆𝑝𝑑

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Il passaggio dai sistemi a carburazione ai sistemi di iniezione consete di ottenere I seguenti vantaggi:

• Migliore controllo del rapporto α in tutte le condizione rpm-pme, con positivi effetti sulle prestazioni, suiconsumi e sulle emissioni inquinanti (funzionamento corretto dei sistemi catalitici trivalenti)

• Minori perdite di carico in aspirazione, con conseguente miglioramento del coefficiente di riempimento;

• Minore richiesta ottanica per minore tempo di contatto combustibile-aria, con conseguente maggiorerapporto di compressione adottabile.

Lo svantaggio più evidente è una peggiore omogeneizzazione della miscela in caso di iniezione indiretta.

Il sistema di iniezione può essere classificato come diretta o indiretta, meccanica o elettronica, single-point omulti-point, continua o intermittente e in quest’ultimo caso simultanea , per gruppi o sequenziale. Inoltre sipuò concepire un sistema controllato ad anello aperto o chiuso.

Oggi quando di parla di sistema di iniezione si intende comunque un sistema d’iniezione elettronica conregolazione ad anello chiuso, che può essere diretta o indiretta. Il segnale di feedback è dato dalla sondalambda per la misura del titolo di miscela medio allo scarico.

Nel caso di iniezione indiretta, questa è praticamente sempre multi-point, sequenziale e fasata.



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Esempio di iniezione multi-point(Port Fuel Injection)

Alimentazionecombustibile

per i motori Otto


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Iniezione Motori Diesel


Nei Motori a ciclo Diesel la regolazione del caricoavviene per qualità, ovvero viene variata la quantità dicombustibile introdotta in c.d.c. in una quantità di ariaapprossimativamente costante al variare del carico edel regime di rotazione (influenzata solo da variazioni diλv per effetti termici).

Al variare del carico varia il rapporto di equivalenzaglobale φ ma questo non altera le caratteristiche dicombustione che in questo tipo di motore sonoessenzialmente locali.

Il combustibile viene iniettato ad alta pressione perindurre l’atomizzazione del liquido e accelerarne lavaporizzazione e la miscelazione con l’aria circostante.Sono quindi le caratteristiche locali del sistema (e solomarginalmente quelle globali) a determinare ilprocedere della combustione.

In questi motori, esiste una proporzione quasi direttafra φ e pme (figura), con il piano quotato delimitato da:

- limite di emissioni (bassi regimi);

- limite pressioni massime (regimi intermedi);

- Limiti termici (alti regimi ).

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Nei Motori a ciclo Diesel il sistema di iniezione svolge le seguenti funzioni fondamentali:

- Definisce la dosatura richiesta in base al carico e al regime di rotazione (devono essere regolativolumi da circa 1 mm3/shot a circa 70-80 mm3/shot, con deviazioni standard dell’ordine dell’1 %);

- Garantisce l’uniformità di distribuzione da cilindro a cilindro;

- Definisce la fasatura (timing) dell’inizio iniezione;

- Definisce il corretto valore di portata istantanea (injection rate), in stretta correlazione con la curva dirilascio del calore durante la combustione;

- Definisce le caratteristiche dello spray in termini di forma geometrica, sizing e velocità delle gocce.

In generale, il sistema è costituito da almeno due organi:

- La pompa di iniezione, che pressurizza il fluido al livello richiesto e fornisce la portata necessaria, inmodo continuo o intermittente. In genere sono macchine volumetriche (a pistone) che operano finoa 3000 bar.

- L’iniettore, ad apertura automatica o comandata, che introduce il combustibile in c.d.c. sotto formadi uno spray finemente atomizzato.

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Schematicamente, i sistemi di iniezione possonoappartenere alle seguenti tipologie:

a) Pompanti singoli (1 per cilindro): ogni pompanterealizza la dosatura, la pressurizzazione e la fasaturadel processo; l’iniettore si apre automaticamente alraggiungimento di una prefissata pressione.

b) Pompa singola con distributore: 1 sola pompacomprime il combustibile che è inviato ai cilindrimediante un distributore fasato. Gli iniettori sonoad apertura automatica.

c) Accumulatore di pressione e iniettori ad aperturacomandata: la pompa pressurizza il fluido concontinuità dentro un accumulatore (common rail) ,che alimenta iniettori il cui spillo è aperto omeccanicamente (camma) o con unservomeccanismo azionato da un solenoide.

d) Accumulatore di pressione e distributore: la pompapressurizza il combustibile nel rail, che alimenta gliiniettori mediante un distributore fasato.

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La tipologia a) è stata per lungo tempo la soluzione universalmente diffusa per i motori Diesel datrasporto pesante e macchine operatrici (pompa Bosch).

Il singolo pompante era azionato da un camma diun albero fasato con l’albero motore e di profiloadatto alla realizzazione della legge di iniezioneappropriata. La tenuta fra pompante ed il suocilindro è garantita solo dall’accoppiamentomeccanico, con gioco dell’ordine di qualche mm. Larotazione del singolo pompante attorno al suo asse,determinata dallo scorrimento dell’asta acremagliera, e la particolare scanalatura presentesul mantello del pistone consentono la variazionedella corsa utile del pistone e quindi la variazionedella quantità iniettata (termine anticipatodell’iniezione).

La variazione dell’istante di inizio iniezionerichiedeva l’interposizione di un variatore di fase fraalbero motore e asse a camme della pompa.

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Meccanismo di variazione del carico della pompa Bosch.

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Per le autovetture, la soluzione più diffusa precedentemente all’introduzione dei sistemi commo-rail erala pompa con distributore incorporato. In questi sistemi un unico pompante pressurizza il combustibileche viene portato alternativamente verso i vari cilindri con canalizzazioni ricavate nel corpo pompa. Laposizione assiale di un cursore determina la fine iniezione.

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Attualmente, in maniera quasi universale, sono utilizzati i sistemi common-rail a controllo elettronico.

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Attualmente, in maniera quasi universale, sono utilizzati i sistemi common-rail a controllo elettronico.

Molla

Elettromagnete

Ancora

Ghiera

Asta di pressione

Corpo

Molla (F e)

Dado di ritegno

Distanziale calibrato

Grano di riferimento

Polverizzatore: Spina

Ugello

Connettore

Raccordo

Foro “Z” Vc Foro “A”

Valvola

Otturatore a sfera

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L’introduzione dei sistemi common-rail ha rivoluzionato la tecnologiaDiesel offrendo i seguenti vantaggi:

- Pressione di iniezione ≈indipendente da rpm, in un rangeda 200 a oltre 2000 bar.

- Possibilità di variare la durate el’anticipo di iniezione in manieraindipendente da rpm e da Prail;

- Possibilità di frazionare la quantitàiniettata in più eventi/ciclo, fino ad8;

- Profilo di iniezione approx.rettangolare;

- Possibilità di accoppiare eventiconsecutivi per ottenere ilcontrollo dell’inj. rate.

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La formazione degli spray avviene all’uscita del polverizzatore degli iniettori. Oggi tutti i polverizzatori Dieselsono del tipo multi-foro (6-12), con angolo di bend piuttosto ampio (160°- 170°) e configurazione VCO (ValveCovered Orifice) o Mini-sac. La foratura per impieghi automobilistitici è dell’ordine di 90-140 mm e conicitàcontrollata.

All’uscita del polverizzatore, la corrente accelerata di liquido si frantuma in piccole gocce (tipicamente in uno spettro da 1 mm fino a circa 100 mm (break-up primario). Le successive interazioni aerodinamiche fra goccee aria, provocano un allargamento del flusso bi-fase che assume una conformazione conica concontemporanea riduzione delle dimensioni delle gocce.

Lo spray si presenta quindi come un flusso bi-fase (air-entrainment), non stazionario (durata ≈ 1-2ms) in cuile caratteristiche di velocità (fino a 3-400 m/s) e sizing (mm) cambiano nel tempo e nello spazio.

Generalmente sono qualificati con indici che forniscono la lunghezza di penetrazione nel tempo, l’angolo didiffusione e le dimensioni medie delle gocce.

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Areodynamic drag/surface tension

inertia/viscous force



La formazione e le caratteristiche degli spray dipendono da:

- Pressione di alimentazione;

- Design del nozzle;

- Densità, viscosità, tensione superficiale e temperatura della fase liquida;

- Densità, viscosità, e temperatura della fase gassosa

m dnuD ,Re

dnDu

We ,

2

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Drip Reyleigh Transition Turbulent Atomisation(wind-induced)

DP, bar < 0.01 ~ 0.02 ~ 0.5 ~ 5 > 50

BREAKUPDRIVERS

•liq. inertia •surface tension

•liq. inertia•surface tension

•liq. inertia•aerodynamics We, gas

•in-nozzle turbulance•aerodynamics

•in-nozzle turbulance and cavitation•aerodynamics

BREAKUP LENGHT

increase decrease decrease decrease zero

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F538 Ks=0 nozzle spray at 600 ms, 900 ms and 1200 ms after S.o.I..

Pvessel 5 MPa, Pinj 100 MPa, Biodiesel fuel.

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In maniera qualitativa, si può affermare che il sizingdipende dalla velocità di efflusso e quindi dalla legge diinjection rate: le dimensioni maggiori delle gocce siproducono nelle fasi iniziali e finale dell’iniezione.

Oltre alla valutazione del diametro medio delle gocce,di particolare importanza è il Diametro Medio di Sauter(SMD):

SMD =𝐷𝑚𝑖𝑛

𝐷𝑚𝑎𝑥𝐷3𝑓 𝐷 𝑑𝐷

𝐷𝑚𝑖𝑛

𝐷𝑚𝑎𝑥𝐷2𝑓 𝐷 𝑑𝐷

Nella definizione di SMD, f(d) indica la funzione densità di probabilità del diametro rilevatosperimentalmente. Ovviamente l’integrale di f(D) deve risultare unitario.

L’SMD viene utilizzato per quantificare la tendenza di uno spray alla vaporizzazione, ovvero lo sprayanalizzato ha una tendenza alla vaporizzazione analoga a quella di una goccia di diametro SMD.

Esistono anche correlazioni per la previsione di SMD, fra cui:

SMD = 𝐶𝑑𝑠 (𝑝𝑖𝑛 − 𝑝𝑐𝑙)−0.135 𝜌𝑔

0.121𝑉𝑖𝑛0.131

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Macroscopicamente, si osserva che la lunghezza del lo spraycresce nel tempo, inizialmente in maniera lineare poi secondo laradice quadrata di del tempo.

L’accrescimento è determinato dalla continua sostituzione dellegocce del fronte del getto da parte di quelle delle ondatesuccessive, che sono rallentate e quindi sopravanzate da quelleancora successive.

Teoricamente è possibile costruire modelli semplificati diinterazione gocce-aria che mostrano un’attesa diminuzioneesponenziale della velocità in funzione dello spazio percorso s.

u = 𝑢0 exp −𝑘

𝑑𝑔

𝜌𝑎

𝜌𝑙𝑠

Anche per questa grandezza si utilizzano correlazioni di originesperimentale, valide solo nel campo di derivazione. Ad esempio:

L =

3.07294

𝑇𝑔Τ𝑝𝑖𝑛 − 𝑝𝑐𝑙 𝜌𝑔

0.25

𝑑𝑓𝑡0.5

Mostra che i parametri più importanti sono la differenza dipressione e la densità del gas nel cilindro.

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