Vehicle CuEriosity 01×04 – Iniezione ed evaporazione del combustibile

In questa puntata andremo ad approfondire l'iniezione e l'aspetto dell'evaporazione del combustibile. E' una pratica affermata? Conviene davvero usare biocombustibili di massa come l'etanolo? Quali sono i vantaggi termo-fluidodinamici? Close-up Engineering risponde.

L’iniezione di combustibile è una fase molto delicata del funzionamento di un motore a combustione interna. Ci sono vari parametri da tenere sott’occhio e da limitare per fare in modo che il funzionamento sia regolare al variare del carico. Carico e numero di giri albero motore sono due parametri indipendenti tra loro e occorre ricordare come nei motori ad accensione spontanea e comandata, il processo di combustione è differente. A prescindere da come avviene la combustione, argomento che approfondirò in seguito, analizziamo la fase di iniezione.

Perché è fondamentale una buona evaporazione del combustibile?

Ad esempio confrontiamo la benzina e l’etanolo E85, un combustibile ricavato dalla fermentazione di masse bioderivate. Chiamato così perché è frazionato in 85% di etanolo e 15% di benzina. Esso ha un calore latente di evaporazione più alto. Cos’è il calore latente di ev.? E’ la quantità di calore da fornire all’unità di massa per poterla far evaporare ad una certa temperatura.

E85
motori.it

Più è elevato il calore latente di evaporazione del combustibile, più sarà il calore sottratto in camera a valvole aperte all’intero condotto di aspirazione e camera combustione.
A chi lo sottraggo? All’aria in modo da abbassare l’aumento di temperatura che la carica fresca subisce percorrendo il condotto di aspirazione ed entrando nel cilindro. Se questa variazione di temperatura si abbassa per effetto dell’evaporazione, si riduce questo ΔT (°C) e aumenta il rendimento volumetrico e di conseguenza la portata di massa d’aria aspirabile.

Inutile dire che se aumenta questa a parità di altri fattori, aumenta la potenza estraibile dall’albero motore. In più comprimere una miscela più fredda diminuisce il lavoro in fase di compressione (negativo, perché sottratto all’albero motore).

Vediamo in dettaglio:

L’effetto è duplice, perché avendo meno tendenza all’evaporazione può essere usato in motori in cui all’aspirazione ho temperature più elevate (e quindi pressione) come nei sovralimentati.

Intercooler turbo compound
mechanics.stackexchange.com

Lo scambiatore di calore tra lato compressore e condotto aspirazione può essere quasi inutile, paradossalmente parlando, in quanto l’evaporazione toglie molto calore tale da raffreddare molto l’aria in ingresso-camera.

In questo modo posso aumentare la pressione di sovralimentazione senza paura di superare il limite che porterebbe all’incombere della autoaccensione (nei benzina). In quanto con pressione medie di aspirazione maggiori si raggiungono p,max in camera di combustione a fine compressione molto più elevate. E se parliamo di motori ad accensione comandata (SI- spark ignition) avremo un limite da non poter superare per via dell’autoaccensione della carica.

Cosa ci guadagno?

Vale a dire: la miscela si autoaccende prima che il fronte di fiamma (che separa combusto da ciò che deve accendersi) raggiunga la miscela iniettata. Ciò produce battiti in testa (knocking) e detonazione, cioè una reazione esplosiva impulsiva e istantanea che avviene in posizione irregolare e compromette la vita delle componenti in gioco.

In questo caso l’evaporazione regola molto il processo di ricambio della carica, della autoaccensione e permette di avere pressioni medie effettive nel cilindro maggiori e con essa potenza estraibile dall’albero.

Quindi possiamo superare due vincoli essenziali:

  • Maggiore pressione di sovralimentazione;
  • Anticipo della fase di combustione (rispetto a quella di compressione): Sovrapporre la fase di compressione (salita del pistone sui gas) a quella di combustione (spinta verso il basso dei gas sul pistone). Il tutto prima che quella di compressione termini completamente, comporta un aumento del lavoro di compressione (negativo per il motore), ma non-proporzionalmente, anche ad un repentino e incontrollato aumento della pressione e della temperatura massima in camera di combustione. Se ciò a livello tecnologico dei materiali è sopportabile dal cilindro e dai vari organi in gioco, posso raccogliere una potenza utile estraibile all’albero di gran lunga maggiore. Avendo limitato l’avvenire della autoaccensione, vero e proprio limite di funzionamento dei motori Benzina.

Utilizzi:

Non a caso le grandi Hypercar sono dotate di motori bi-fuel e utilizzando proprio l’etanolo per raggiungere una potenza massima estraibile molto maggiore rispetto alla semplice catena di ottani della benzina. E non a caso tale mentalità legata all’evaporazione, è strettamente connessa ai motori con turbo compound. Ad esempio? La strabiliante Koenigsegg Jesko.

Altra tecnica è l’iniezione di acqua in camera. Bmw ci prova con la tecnologia Waterboost, il principio alla base è lo stesso. In quest’articolo abbiamo approfondito tutti gli aspetti positivi e negativi dell’introduzione di un nuovo iniettore, pompa, condotti di alimentazione e sensori per l’utilizzo di un ulteriore liquido iniettato in camera. Conviene più un motore bi-fuel o un layout differente e l’iniezione di acqua (comunemente presente in giro e ovunque)?