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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


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


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


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


FIAMMA PREMISCELATA LAMINARE (IN QUIETE, p=cost)

Velocità di combustione laminare

diffusività termica

Spessore del fronte di fiamma


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 ↑


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


REYNOLDS DECOMPOSITION (steady flows):

mean value:

fluctuation: namely

root mean square:

turbulent kinetic energy:

Relative intensity (turbulence intensity): or

Dissipation of turbulent kinetic energy:


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)


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):


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


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


COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO


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



Wct proporzionale all’area della superficie di fiamma

ovvero

Sperimentalmente:


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


IRREGOLARITA’ CICLICA



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)


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


DETONAZIONE



Anticipo ↑ Lc ↑ + detonazione Anticipo ↓ Le ↓ + detonazione

10÷30° (variabile con …)

picco di pressione a 15÷20° dopo il PMS

dxb/dt dp/dt rumore


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


Altri parametri: anticipo di accensione

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