Squish, Swirl e Tumble: Quando la Turbolenza diventa Fondamentale

Andrebbe subito precisato che Squish, Swirl e Tumble non sono i nomi dei tre Pokémon leggendari, tuttavia fanno riferimento a tre fenomeni di grande importanza nel mondo della progettazione dei propulsori.
Iniziamo con qualche definizione per capire meglio di cosa stiamo parlando. Innanzitutto occorre dire che parlando di Squish, Swirl e Tumble ci riferiamo ai moti della carica fresca all’interno del cilindro e come questi moti influenzano (positivamente) la velocità di fiamma e garantiscono l’omogeneità nella fase di combustione.

Nella fase di aspirazione vi è carica fresca introdotta all’interno del cilindro, tale carica fresca è il risultato di una combinazione pura tra aria (comburente) e combustibile (benzina o gasolio). La miscela, propriamente detta, va a miscelarsi in camera di combustione mediante moti di turbolenza dei fluidi introdotti (fase aeriforme per aria e liquido vaporizzato per il combustibile).

• Moti di turbolenza:

Perché i moti di turbolenza assumono così tanta importanza? E soprattutto perché la turbolenza che viene comunemente (ed erroneamente) associata a fenomeni negativi/svantaggiosi, in questo caso risulta fondamentale?

La turbolenza è fondamentale in quanto garantisce una corretta miscelazione tra i fluidi a diversa densità, viscosità, pressione e temperatura introdotti nella camera di combustione. Senza turbolenza e moti turbolenti si avrebbero zone (della camera) di accumulo di carica e zone in cui, per geometria delle componenti, la carica non riuscirebbe ad arrivare nella stessa concentrazione delle zone precedenti.

La differenza di concentrazione tra queste zone, nonché una forte disomogeneità nella fase di scoppio della carica, porta ad una cattiva progettazione del motore.
Questo poi si ripercuote sui consumi, in quanto a parità di condizioni d’esercizio ci vorrà più carica da introdurre per raggiungere gli stessi regimi e la stessa erogazione di potenza. Una mancata dissipazione del calore omogenea, il quale non fa altro che accrescere i rischi di cricche e rotture delle componenti meccaniche d’esercizio.

Non solo, la scorretta combustione sovraccarica la formazione di residui di scarico lungo le pareti del cilindro e lungo i condotti di scarico e questo non può che danneggiare ancor di più le emissioni (argomento molto “bollente” negli ultimi anni).

Andiamo ad analizzare i tre moti turbolenti presenti in fase di aspirazione e compressione in un motore endotermico a combustione interna:

• Squish:

Con Squish si intende un moto di turbolenza di tipo rotatorio e monoassiale, ciò significa che tale moto si sviluppa lungo un unico asse e attorno a quest’ultimo riesce a propagarsi nella camera di combustione.

Il moto di Squish si ottiene a fine fase di compressione, vale a dire quando il pistone ha raggiunto il PMS (Punto Morto Superiore, punto più alto della sua corsa).
Come è possibile notare nella figura soprastante, la carica compressa in prossimità della corona (bordo) del pistone, a causa di un differente volume a disposizione da occupare dal fluido, è spinta a ruotare verso il centro del pistone: Mentre la carica al centro può comprimersi rimanendo al centro, la carica sul bordo (corona del pistone), come conseguenza geometrica delle componenti, è spinta verso il centro del pistone stesso, in quanto raggiunto il PMS l’unica regione (di volume) disponibile per la carica è il centro stesso.
Lo schiacciamento tra testa del motore e pistone spinge la carica al centro, più precisamente in corrispondenza della candela e con velocità relativamente alte. Ciò è favorevole in quanto si omogenizza la carica, stratificandola al centro; migliora il mescolamento dei fluidi e riduce il fenomeno di detonazione e autoaccensione.

 

• Swirl:

Altro moto turbolento è lo Swirl:

Lo Swirl è il termine che indica un moto turbolento rotatorio, come lo Squish, ma con la differenza di ottenere un moto attorno a piani circonferenziali “stratificati” l’uno sull’altro. Le circonferenze si riferiscono alla geometria (bi-dimensionalmente parlando) del cilindro. Il moto che complessivamente se ne ricava è un moto elicoidale, a spirale insomma.
Ciò che garantisce lo Swirl è la componente di velocità, delle particelle fluide aspirate, in direzione tangenziale al piano di riferimento.

Tale spirale, fisicamente, si ottiene grazie alla particolare geometria delle valvole e del condotto d’aspirazione.
La turbolenza può ottenersi in due modi: Interferenza tra miscela e camera del cilindro, oppure con l’utilizzo di condotti orientati.

• Interferenze geometriche..

La carica fresca in aspirazione incide sulla valvola a fungo, la cui particolare geometria impartisce un moto d’ingresso di tipo elicoidale alla miscela. Lo swirl, in questo caso, si realizza proprio grazie alle superfici di incidenza e contatto per la vena fluida.
Oltrepassata la valvola, la carica in moto a spirale lungo piani circonferenziali tende a ricoprire tutta la camera a disposizione. Migliora la miscibilità tra i vari fluidi, omogenizzando la carica entrante. Importante, in campo progettuale, è stato l’intervento di Renault, con la Swirl Technology:

• Condotti orientati:

La geometria orientata dei condotti d’aspirazione conferisce un moto di Swirl molto particolare alla carica fresca:

• Tangenziale in prossimità della luce (scoperta) di aspirazione;
• fortemente elicoidale e in rapida discesa verso il cilindro.

C’è un però:
Alle piccole alzate (della valvola), dovute a bassa erogazione di potenza richiesta durante la marcia, corrisponde un moto di Swirl poco efficiente. Il perché?
In questa situazione, la componente tangenziale di velocità del fluido è molto bassa; basse velocità corrispondono a poco Swirl.

Alle alte alzate si ha invece un basso coefficiente di efflusso. Il coefficiente di efflusso è definito come rapporto tra portata massica effettiva d’aria fluente attraverso la valvola e la portata teorica che passerebbe attraverso la stessa, nelle ipotesi di idealità di flusso e a parità di pressione e temperatura. Un valore basso vuol dire che a causa dell’alto valore di Swirl è poca la portata effettiva fluente introdotta.

Per ovviare il problema si progettano condotti elicoidali, garantendo buoni valori di efflusso e moto di Swirl indotto.

• Tumble:

Con Tumble chiamiamo quel tipo di moto rotatorio turbolento sviluppato su un piano parallelo all’asse del cilindro; asse che idealmente, e parallelamente alla biella, passa per il centro del pistone. I piani in figura sono quelli su cui giacciono le traiettorie circolari, in rosso.

Il Tumble inizia è realizzabile con normali condotti per l’aspirazione. E’ caratterizzato da un moto assiale in fase di aspirazione, subito dopo aver oltrepassato la valvola; e termina con una rapida caduta (“Tumble” in inglese, da cui il nome) verso il cielo del pistone. Il moto termina a fine fase di compressione.

Durante la fase di compressione, la risalita del pistone al PMS, comporta uno schiacciamento del fluido. Quest’ultimo di conseguenza aumenta la propria energia cinetica.

Per ottimizzare il Tumble occorrono due cose:

• Il condotto deve accelerare il flusso entrante (restringimento della sezione o lavorando sull’energia cinetica assorbita);
•  incanalare la carica al di sotto della valvola di scarico, così da evitare interferenze dannose con la carica entrante.

» I vantaggi del Tumble sono: Facile ottenimento e soprattutto limitare gli effetti generati dalla turbolenza alla sola fase di fine-compressione. Quest’ultimo vantaggio stabilizza sin da subito la fase successiva alla compressione: la combustione.

» I difetti sono legati all’energia cinetica spesa per poter incrementare la velocità del fluido e di conseguenza incrementare la turbolenza. La minor energia a sufficienza penalizza il riempimento di carica fresca nel cilindro e di conseguenza il rendimento termico del motore.