Motori “Indiretti”: Funzionamento, usi e vantaggi della Pre-Camera di Combustione
I motori “Indiretti“, o meglio dire ad iniezione indiretta, sfruttano una pre-camera di combustione al fine di favorire la fase di combustione del motore. Questa tecnologia è stata brevettata nel 1909 dall’ingegnere tedesco di origine libanese Prosper L’Orange. Quest’ultimo lavorava nell’azienda di Karl Benz: la Benz & Co. Le prime applicazioni di tale tecnologia vedono in prima linea propulsori Diesel di piccola cilindrata, dotati di un elevato numero di giri motore.
Negli anni ’70/’80 alcune giapponesi hanno riportato in vita questa tecnologia; mentre le applicazioni più recenti riguardano la diretta evoluzione del sistema HCCi brevettato da Mazda sui motori Benzina.
• Perché la Pre-Camera:
Perché migliorare la combustione in un propulsore Diesel che di per sé garantisce, rispetto ad un Benzina, un maggior rapporto di compressione?
A parità di rapporto di compressione il ciclo Diesel ha rendimenti inferiori al ciclo Otto.
Il sistema con pre-camera favorisce la combustione grazie ad un’ottimizzazione del miscelamento tra carburante e comburente.
Scomponendo la fase di combustione in pre-camera e camera si ottengono minori picchi di pressione durante il ciclo di funzionamento. Questo evita forti vibrazioni del blocco motore, rende più omogeneo il funzionamento e aumenta il rendimento termico del propulsore.
Perché la differenza nell’applicazione tra Diesel e Benzina?
Nei motori a ciclo Otto la miscela di aria e carburante è già bell’e pronta prima della fase di combustione.
Nei motori a ciclo Diesel, invece, la miscela viene iniettata in camera solo al termine della fase di compressione (dell’aria). Fase che termina nel momento in cui, giungendo al PMS, il pistone ha compresso l’aria facendole raggiungere valori di pressione e temperatura (grandezze legate macroscopicamente) maggiori di quelle di accensione della miscela stessa. Il tutto è legato ad un’attenta analisi chimica delle sostanze utilizzate: Potere calorifico Hi, calore latente di vaporizzazione Qv.
• Svantaggi Diesel diretto:
Il vantaggio nasce da uno svantaggio dell’iniezione diretta classica.
Il motore Diesel soffre di una certa rumorosità causata dalla “detonazione“, o meglio dire dalla non-immediata accensione di tutta la miscela nella fase di combustione. La detonazione è un fenomeno che riguarda i propulsori funzionanti a ciclo Otto. Abbiamo volgarmente “strappato” e copiato questo termine per indicare questa disomogeneità durante il funzionamento a ciclo Diesel.
Consegue il cosiddetto “ritardo di accensione“, in modo tale che le minuscole gocce di combustibile evaporano e si miscelano all’ossigeno aspirato dal motore.
Durante questo ritardo continua l’iniezione: Andando ad accumulare carica fresca (quindi incombusta) all’interno della camera di combustione.
Non appena il fronte di fiamma si accende viene generata un’onda di pressione e calore che, per detonazione, accende le goccioline accumulate nel ritardo di accensione. Questa disomogeneità di combustione provoca rumori, vibrazioni meccaniche e perdite d’efficienza.
• Funzionamento Pre-Camera:
Con l’utilizzo di una pre-camera di combustione esterna si accende, per temperatura, la carica fresca mediante candele (accensione comandata). Le quantità minime di miscela da accendere, unito al processo di accensione di tipo comandata rendono facile l’accensione della miscela stessa; evitando ritardi di accensione, accumuli e carica fresca incombusta.
Successivamente, viene iniettata la carica fresca in camera di combustione effettiva, la quale si accenderà, completando il processo di combustione, grazie all’onda di pressione e calore generata in pre-camera.
• Sì, ma i vantaggi?
La pre-camera di combustione lavora ad altissime temperature e questo fa sì che non vi siano ritardi di accensione dovuti ad una scorretta propagazione del fronte di fiamma nella fase di scoppio.
Riduce notevolmente questi ritardi, migliora la rumorosità e le vibrazioni meccaniche.
Inoltre, iniettando in camera di combustione una miscela magra (cioè molto ricca d’aria e povera di carburante), si vanno a ridurre notevolmente i consumi.
Turbolenza?
La luce comunicante tra le due camere (interna ed esterna) è molto piccola ed è in grado di aumentare la turbolenza della miscela: la quale ha iniziato la sua fase di combustione nella pre-camera e si dirige nella camera effettiva per concluderla.
L’aumento di turbolenza migliora la miscelazione e di conseguenza la combustione risulta omogenea e accelerata.
• Difetti?
L’aumento di superficie esposta alla combustione rende basso il rendimento termodinamico del motore. Basso rendimento è indice di perdita di calore che non verrà utilizzato positivamente. Più sarà il calore perso, maggiore sarà l’energia meccanica dissipata dal fluido.
La tecnologia Mahle ha riportato in vita l’utilizzo della pre-camera di combustione, ormai da anni abbandonata. La nascita di controlli elettronici precisi e sofisticati ha fatto sì che i vari difetti del Diesel potessero essere risolti senza l’utilizzo di una pre-camera.