Dal punto di vista strettamente concettuale il motore HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition combustion), è per eccellenza il motore che più si avvicina al ciclo Otto, in altre parole al ciclo con combustione a volume costante. Infatti, la combustione per autoaccensione di una carica premiscelata, avviene generalmente in un tempo di combustione più piccolo di quelli esibiti dai motori SI e Diesel. In tali tipi di motori lo scopo è quello di realizzare una carica premiscelata ed omogenea di combustibile e comburente in grado di autoaccendersi nell'intorno del PMS. L'alimentazione del combustibile può essere effettuata sia attraverso l'iniezione nel collettore di aspirazione che attraverso l'iniezione diretta nel cilindro nei primi gradi della fase di compressione. In entrambi i casi la formazione di una carica omogenea è possibile se è disponibile un sufficiente intervallo di tempo, prima che si raggiungono le condizioni favorevoli all'autoaccensione. L'autoaccensione della miscela, nei motori HCCI, non avviene in un solo punto ma dovrebbe coinvolgere contemporaneamente diversi punti della camera di combustione, nei quali si instaurano le condizioni adatte all'autoignizione. Si intuisce che tale modalità di combustione del motore impone, in termini di rapporto aria/combustibile (?) e quindi di potenza, un campo di funzionamento del motore limitato. In genere i valori di ? sono limitati inferiormente e superiormente dalla necessità di evitare fenomeni di detonazione e mancata accensione, d'ora in poi denominati secondo la terminologia inglese rispettivamente "knocking" e "misfire" rispettivamente. Fenomeni di misfire possono comunque verificarsi quando si funziona con cariche eccessivamente ricche. Come sarà esposto in seguito, entro il possibile campo di funzionamento il principale problema degli HCCI è il controllo dell'accensione e della velocità di combustione. Senza per il momento considerare gli effetti del controllo di accensione sulle emissioni inquinanti, e limitandoci alle prestazioni motoristiche, possiamo dire che accensioni troppo "precoci" aumentano le perdite di pompaggio, le perdite di scambio termico e le sollecitazioni meccaniche sul motore, riducendosi pertanto la potenza erogata con aumento del consumo specifico. D'altra parte come noto, accensioni ritardate riducono anch'esse la potenza erogata ed aumentano i consumi, senza tenere conto che eccessivi ritardi possono condurre a fenomeni di misfire. Nel possibile "range" di funzionamento, i potenziali vantaggi presentati dai motori HCCI, che hanno incoraggiato ulteriori approfondimenti, sono rappresentati essenzialmente dall'alta efficienza che raggiunge valori prossimi a quella di un motore diesel, accoppiata a basse emissioni di NOx e particolato. L'elevata efficienza, se confrontata con il caso dei motori ad accensione comandata, deriva sia dall'impiego di rapporti di compressione più alti, sia dalla possibilità di regolare il carico in assenza di corpo farfallato, sia da una combustione più rapida nell'intorno del PMS. Sebbene si tratti di una soluzione poco pratica, un altro potenziale vantaggio del motore HCCI è la possibilità di essere policombustibile. A partire dagli anni '90, la ricerca sui motori HCCI è stata incentivata dal progressivo inseverimento dei limiti di emissioni nocive regolamentate allo scarico dei motori a c.i.. Come accennato, la possibilità di operare con cariche premiscelate magre omogenee consente elevate riduzioni di NOx e particolato. È noto che le emissioni di NOx e particolato, risultato della combustione di una carica seppure globalmente magra ma fortemente eterogenea in un motore diesel, sono inibite nel caso degli HCCI da una buona omogeneizzazione della carica di aria e combustibile. L'omogeneizzazione produce infatti un elevato coefficiente di utilizzazione dell'aria e la capacità di funzionare con valori di temperature di 2 combustione alquanto contenute. Pertanto, la potenzialità di contenere tali emissioni deriva da distribuzioni di temperatura alquanto omogenee e dall'assenza di zone ultraricche (?>>1). Per quanto riguarda le emissioni di incombusti (HC e CO), i motori a carica omogenea premiscelata presentano valori sensibilmente elevati rispetto ai corrispondenti motori SI e diesel 4 tempi, mentre nel caso dei SI 2 tempi il funzionamento mediante accensione spontanea anziché con l'impiego della candela, può ridurre tali emissioni. In tal caso comunque, gli elevati valori nel collettore di scarico potrebbero essere ridotti con l'utilizzo di un catalizzatore ossidante se si raggiungono le condizioni necessarie ad una buona efficienza di conversione. Nei paragrafi successivi, dopo un'analisi della fisica alla base del processo di combustione nei motori HCCI, saranno analizzati e discussi i risultati ottenuti dallo studio sperimentale di motori HCCI realizzati con differenti soluzioni riguardo al sistema di alimentazione. L'analisi dei risultati è stata principalmente focalizzata sulla definizione del processo di combustione HCCI e dei parametri controllanti le prestazioni del motore. L'ultimo paragrafo è dedicato invece ad un'analisi critica delle possibilità di utilizzo reale di questo tipo di motore, tenendo conto dei vantaggi e degli svantaggi offerti dalle varie soluzioni costruttive reperite in letteratura.
MOTORI HCCI - Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion Engines.
C Beatrice;
2000
Abstract
Dal punto di vista strettamente concettuale il motore HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition combustion), è per eccellenza il motore che più si avvicina al ciclo Otto, in altre parole al ciclo con combustione a volume costante. Infatti, la combustione per autoaccensione di una carica premiscelata, avviene generalmente in un tempo di combustione più piccolo di quelli esibiti dai motori SI e Diesel. In tali tipi di motori lo scopo è quello di realizzare una carica premiscelata ed omogenea di combustibile e comburente in grado di autoaccendersi nell'intorno del PMS. L'alimentazione del combustibile può essere effettuata sia attraverso l'iniezione nel collettore di aspirazione che attraverso l'iniezione diretta nel cilindro nei primi gradi della fase di compressione. In entrambi i casi la formazione di una carica omogenea è possibile se è disponibile un sufficiente intervallo di tempo, prima che si raggiungono le condizioni favorevoli all'autoaccensione. L'autoaccensione della miscela, nei motori HCCI, non avviene in un solo punto ma dovrebbe coinvolgere contemporaneamente diversi punti della camera di combustione, nei quali si instaurano le condizioni adatte all'autoignizione. Si intuisce che tale modalità di combustione del motore impone, in termini di rapporto aria/combustibile (?) e quindi di potenza, un campo di funzionamento del motore limitato. In genere i valori di ? sono limitati inferiormente e superiormente dalla necessità di evitare fenomeni di detonazione e mancata accensione, d'ora in poi denominati secondo la terminologia inglese rispettivamente "knocking" e "misfire" rispettivamente. Fenomeni di misfire possono comunque verificarsi quando si funziona con cariche eccessivamente ricche. Come sarà esposto in seguito, entro il possibile campo di funzionamento il principale problema degli HCCI è il controllo dell'accensione e della velocità di combustione. Senza per il momento considerare gli effetti del controllo di accensione sulle emissioni inquinanti, e limitandoci alle prestazioni motoristiche, possiamo dire che accensioni troppo "precoci" aumentano le perdite di pompaggio, le perdite di scambio termico e le sollecitazioni meccaniche sul motore, riducendosi pertanto la potenza erogata con aumento del consumo specifico. D'altra parte come noto, accensioni ritardate riducono anch'esse la potenza erogata ed aumentano i consumi, senza tenere conto che eccessivi ritardi possono condurre a fenomeni di misfire. Nel possibile "range" di funzionamento, i potenziali vantaggi presentati dai motori HCCI, che hanno incoraggiato ulteriori approfondimenti, sono rappresentati essenzialmente dall'alta efficienza che raggiunge valori prossimi a quella di un motore diesel, accoppiata a basse emissioni di NOx e particolato. L'elevata efficienza, se confrontata con il caso dei motori ad accensione comandata, deriva sia dall'impiego di rapporti di compressione più alti, sia dalla possibilità di regolare il carico in assenza di corpo farfallato, sia da una combustione più rapida nell'intorno del PMS. Sebbene si tratti di una soluzione poco pratica, un altro potenziale vantaggio del motore HCCI è la possibilità di essere policombustibile. A partire dagli anni '90, la ricerca sui motori HCCI è stata incentivata dal progressivo inseverimento dei limiti di emissioni nocive regolamentate allo scarico dei motori a c.i.. Come accennato, la possibilità di operare con cariche premiscelate magre omogenee consente elevate riduzioni di NOx e particolato. È noto che le emissioni di NOx e particolato, risultato della combustione di una carica seppure globalmente magra ma fortemente eterogenea in un motore diesel, sono inibite nel caso degli HCCI da una buona omogeneizzazione della carica di aria e combustibile. L'omogeneizzazione produce infatti un elevato coefficiente di utilizzazione dell'aria e la capacità di funzionare con valori di temperature di 2 combustione alquanto contenute. Pertanto, la potenzialità di contenere tali emissioni deriva da distribuzioni di temperatura alquanto omogenee e dall'assenza di zone ultraricche (?>>1). Per quanto riguarda le emissioni di incombusti (HC e CO), i motori a carica omogenea premiscelata presentano valori sensibilmente elevati rispetto ai corrispondenti motori SI e diesel 4 tempi, mentre nel caso dei SI 2 tempi il funzionamento mediante accensione spontanea anziché con l'impiego della candela, può ridurre tali emissioni. In tal caso comunque, gli elevati valori nel collettore di scarico potrebbero essere ridotti con l'utilizzo di un catalizzatore ossidante se si raggiungono le condizioni necessarie ad una buona efficienza di conversione. Nei paragrafi successivi, dopo un'analisi della fisica alla base del processo di combustione nei motori HCCI, saranno analizzati e discussi i risultati ottenuti dallo studio sperimentale di motori HCCI realizzati con differenti soluzioni riguardo al sistema di alimentazione. L'analisi dei risultati è stata principalmente focalizzata sulla definizione del processo di combustione HCCI e dei parametri controllanti le prestazioni del motore. L'ultimo paragrafo è dedicato invece ad un'analisi critica delle possibilità di utilizzo reale di questo tipo di motore, tenendo conto dei vantaggi e degli svantaggi offerti dalle varie soluzioni costruttive reperite in letteratura.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
