Combustione

Combustione

La combustione, ovvero la reazione chimica fra benzina e l'aria, viene innescata al termine della fase di compressione mediante un piccolo arco elettrico, fatto scoccare fra gli elettrodi di una candela.

Quando in aria libera, a pressione e temperatura ambiente,si da inizio alla combustione di una determinata quantità di benzina allo stato liquido, la fiamma, limitata alla sola zona di contatto fra aria e combustibile, si propaga con velocità relativamente bassa.

Anche quando la benzina e miscelata con l'aria sottoforma di vapore o di piccolissime goccioline, la velocità non è elevata.

Però se invece sottoponiamo la miscela ad un forte rimescolamento, ossia ad un moto turbolento, in queste condizioni simili a quelle che si verificano all'interno del motore si raggiungono velocità di oltre 40 m /s.

Contrariamente ad ogni aspettativa, infatti, nel motore la reazione fra aria e benzina non è improvvisa e subitanea, ma richiede un certo tempo; per questo motivo è improprio parlare di scoppio, ma è più logico parlare di combustione.

Essendo la velocità della combustione limitata, bisogna innescare l'accensione della miscela con un certo anticipo rispetto al pms, affinché la reazione si completi entro il breve arco di tempo possibile (prima che si apra la valvola di scarico).

La velocità della combustione dipende dalla velocità di propagazione della fiamma, che dipende da vari parametri che possono essere stabiliti in fase di progetto.

Si ha il raggiungimento della massima velocità con miscele ricche (eccesso di benzina) rispetto al rapporto stechiometrico di 14 : 1.

Alimentando il motore con miscele povere o ricche si osserva, una rapida diminuzione o aumento della velocità di propagazione della fiamma, fino ad raggiungere, nelle due condizioni estreme ed opposte; i limiti di incendiabilità della miscela, in cui nulla farebbe innescare la reazione fra aria e benzina.

Comunque viaggiare con il carburatore (o l'impianto d'iniezione) regolato in modo da fornire una miscela leggermente ricca, significherebbe aumentare il consumo, ridurre l'efficienza e la durata delle candele d'accensione.

Allora si cerca un'altra strada: ottimi risultati si ottengono sfruttando l'elevata velocità con cui la miscela fresca entra nel cilindro (80 m /s e oltre) che, se opportunamente sfruttata mediante un 'adeguata conformazione del condotto di aspirazione (effetto swirl), garantisce un'ottima miscelazione dell'aria, con la benzina ed un ottimo grado di riempimento del cilindro.

Essenziale è anche il rapido movimento del pistone che comporta un progressivo incremento delle turbolenze all'aumentare del regime di rotazione, ciò garantisce il completamento della combustione agli alti regimi, senza ricorrere ad eccessivi anticipi di accensione.

Una notevole turbolenza può essere conseguita anche conformando opportunamente la camera di combustione, conferendole una forma tale da imprimere alla miscela un'andamento vorticoso durante la fase di compressione, e soprattutto durante la fase iniziale della combustione.

A fine compressione la miscela raggiunge temperature comprese fra i 400°C e i 600°C, con pressioni che a seconda del rapporto di compressione si attestano sui 15 - 25 bar.

La scintilla che scocca fra gli elettrodi innesca la reazione in una prima, piccola porzione della carica, di cui la fiamma , si propaga con il fronte che ha uno spessore di 0.1 mm (combustione per strati successivi), in corrispondenza del quale vengono raggiunte temperature istantanee superiori ai 2000°C, con un notevole incremento di pressione della carica combusta.

Il fronte di fiamma crea un 'onda di pressione, che spinge dinanzi a se la parte ancora incombusta della miscela, che viene ulteriormente compresa e sottoposta a una turbolenza via crescente.

La seconda fase della combustione si svolge pertanto con velocità assai superiore a beneficio del rendimento del motore.

L'aumento di pressione che si ottiene all'interno del cilindro va dai 40 a 50 bar (motori di serie di attuale produzione) deve verificarsi poco dopo il pms; se il picco di pressione venisse a trovarsi in corrispondenza del pms o ancora prima, la forza risultante della spinta dei gas tenderebbe a contrastare violentemente il movimento dei pistone nella sua corsa ascendente, questo fenomeno porterà ad un notevole calo del rendimento termico, e alla fine, ad un rapido deterioramento degli organi principali (pistone testa, valvole, imbiellaggio).

La corretta posizione del picco di pressione e di 10° 15° dopo il pms, anticipando opportunamente l'accensione attraverso un dispositivo atto a variare l' angolo di anticipo in funzione del regime di rotazione, e del carico del motore.

Detonazione

Quando l'accensione è troppo anticipata , la temperatura all'interno della camera di combustione troppo elevata, oppure il rapporto di compressione eccessivo (presenza di notevoli incrostazioni nella camera di combustione), numero di ottano del carburante insufficiente; allora in presenza di queste condizione si può avere il fenomeno della detonazione.

Si tratta di una combustione anomala il cui fronte di fiamma raggiunge velocità elevatissime (300 m / s e oltre), dando origine a fenomeni di carattere esplosivi, ovvero la detonazione produce delle onde d' urto che sollecitano gli organi meccanici mettendoli in risonanza, si ode un rumorio metallico, come di una rondella di metallo libera di vibrare nel gambo di una vite (battito in testa).

Se prolungate le sollecitazioni meccaniche e termiche sono molte dannose per la vita del motore stesso. Un'altra causa della detonazione è racchiusa anche nella forma della camera di combustione; il fenomeno si verifica in camere con forma più estesa, in cui una parte della carica fresca può venire a concentrarsi in una zona lontana dal fronte di fiamma.

Un altro tipo di combustione anomala è la preaccensione che si verifica prima che scocchi la scintilla, in presenza di temperatura e pressione eccessiva, con effetti analoghi a quella di un'accensione eccessivamente anticipata; la causa principale sono le eccessive incrostazioni nella camera di combustione (incremento del rapporto di compressione) o il funzionamento del motore con miscele troppo povere (incremento delle temperature d'esercizio).

Combustione normale          Detonazione Preacccensione