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Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE Modalità di combustione: premiscelata (Otto) diffusiva o non-premiscelata (Diesel) flusso.

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Presentazione sul tema: "Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE Modalità di combustione: premiscelata (Otto) diffusiva o non-premiscelata (Diesel) flusso."— Transcript della presentazione:

1 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE Modalità di combustione: premiscelata (Otto) diffusiva o non-premiscelata (Diesel) flusso laminare flusso turbolento velocità delle reazioni chimiche: distruzione reagenti produzione prodotti di ossidazione sviluppo energia Reaction rate w r Rate coefficient

2 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano reazione collisione di due o più molecole opportunamente orientate e dotate di un minimo livello di energia (energia di attivazione) (bisogna vincere le forze elettriche repulsive generate dalle loro nubi di elettroni esterne). Se energia di attivazione > barriera di potenziale le molecole dei reagenti che collidono formano un complesso attivato o stato di transizione (vita breve !!) Arrhenius*: E a = energia di attivazione = ΔU tra complesso attivato e reagenti E a = kJ/(Mole K) (per reazioni globali) *Basse T poche (ma ci sono) molecole hanno energia sufficiente; Allaumentare di T, aumenta il N. di molecole con energia sufficiente combustione

3 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano Vel. reazioni chimiche a medio-bassa T autoaccensione, detonazione Velocità reazioni chimiche alte T velocità di propagazione della fiamma AUTOACCENSIONE: reazioni di prefiamma sviluppo E se E

4 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano Fiamme fredde (preossidazione di idrocarburi) k aumenta rapidamente con T per le reazioni di prefiamma, [reagenti] sono massime anche w r aumenta rapidamente con T Ritardo di accensione τ a 1/w r

5 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

6 FIAMMA PREMISCELATA LAMINARE (IN QUIETE, p=cost) Velocità di combustione laminare diffusività termica Spessore del fronte di fiamma

7 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE PREMISCELATA TURBOLENTA Effetti della turbolenza: 1)Vortici di grande scala distorsione del fronte di fiamma superficie fronte di fiamma 2)Vortici di piccola scala scambi di massa e di energia w r S ft

8 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano CENNI SULLA TURBOLENZA Instabilità del flusso smorzate dalle forze viscose flusso laminare Instabilità del flusso non smorzate dalle forze viscose flusso turbolento fluttuazioni nel flusso Parametro determinante F in /F visc = laminar combustion molecular diffusion Turbulent combustion rapid intertwining of fluid elements increased transport of species, momentum, energy

9 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano REYNOLDS DECOMPOSITION (steady flows): mean value: fluctuation: namely root mean square: turbulent kinetic energy: Relative intensity (turbulence intensity): or Dissipation of turbulent kinetic energy:

10 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano SCALE DI TURBOLENZA Dimensione caratteristica (macroscala) L Re (dimensione geometrica) Scala integrale (o di turbolenza) L 0 (massima dimensione dei vortici turbolenti distanza oltre la quale non cè più correlazione tra le fluttuazioni di velocità nei due punti) Dissipation of turbulent kinetic energy: Cascata di energia nel flusso turbolento: 1)Energia fornita alle grandi scale (al moto medio) 2)Energia trasferita alle piccole scale (fluttuazioni) 3)Energia dissipata alla scala molecolare Eddy: macroscopic fluid element whose microscopic elements behave in the same way: vorticity (angular velocity) size length scale (Re greater range of scales)

11 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano SCALE DI TURBOLENZA Microscala di Taylor l λ legata alla velocità media di deformazione per l > l λ tensioni di taglio Microscala di Kolmogorov l κ dimensione minima di un vortice (se l < l κ la dissipazione molecolare distrugge il vortice velocità di dissipazione = velocità di trasferimento dellenergia dai vortici più grandi l κ dipendente da e ε. Analisi dimensionale: N.B.: le scale sono legate attraverso Re t ; ad es. (no dim):

12 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE TURBOLENTA Tempo di miscelamento turbolento Tempo di residenza nello spessore del fronte di fiamma laminare (tempo caratteristico della reazione di combustione): Numero di Damköhler: stiramento o distorsione: Per analizzare leffetto della turbolenza sulla combustione confrontiamo queste tre scale con la dimensione caratteristica della propagazione di fiamma = spessore della fiamma premiscelata s fl, o, meglio, spessore di preriscaldamento (più grande dello spessore di rapido rilascio del calore) Da chimica veloce la turbolenza produce fiamme corrugate Da chimica lenta la turbolenza miscela più rapidamente di quanto si propaghi la fiamma

13 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano ALTRI PARAMETRI RILEVANTI Q p rilascio di calore dalla reazione chimica T f temperatura di fiamma Numeri di Frank-Kamenetskii: FK1 forte effetto delle reazioni chimiche sulla turbolenza Q p rilascio di calore dalla reazione chimica T a temperatura di attivazione FK2 la velocità di reazione dipende significativamente da T si riduce lo spessore dove avviene la reazione

14 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO

15 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano RIASSUMENDO … w ct circa proporzionale allintensità di turbolenza w ct non dipende dalla scala di turbolenza la dipendenza di w ct dalla composizione è simile a quella di w cl distorsione delle fiamma maggiore superficie di fiamma Proprietà di diffusione invariate w cl invariata W ct proporzionale allarea della superficie di fiamma

16 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO W ct proporzionale allarea della superficie di fiamma ovvero Sperimentalmente:

17 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO 1)Incubazione o sviluppo della fiamma: graduale ossidazione del nucleo vicino alla candela 2)Combustione turbolenta: rapida propagazione del fronte di fiamma (p a Vcost) 3)Completamento della combustione nelle regioni più lontane V mf w ct ? irregolarità ciclica

18 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano IRREGOLARITA CICLICA

19 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO Espansione 1 + irraggiamento p 2,T 2 w ct (N.B.: apparentemente la combustione appare più veloce di quanto lo sia realmente, nel senso che la frazione in massa bruciata aumenta meno rapidamente della frazione in volume)

20 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano Relazione tra x b e y b

21 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano DETONAZIONE

22 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano DETONAZIONE

23 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO Anticipo Lc + detonazione Anticipo Le + detonazione 10÷30° (variabile con …) picco di pressione a 15÷20° dopo il PMS dx b /dt dp/dt rumore

24 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano VARIABILITA DELLANTICIPO DI ACCENSIONE Combustibile e dosatura (φ opt 1.2) Rapporto di compressione Forma della camera + turbolenza Carico w ct n anticipo, perché Δt incubazione cost Δθ turbolenza v mf Δt propagazione fronte Δθ cost

25 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano Altri parametri: anticipo di accensione

26 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano Altri parametri: anticipo di accensione


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