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 Rate coefficient Reaction rate wr 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*: Ea = energia di attivazione = ΔU tra complesso attivato e reagenti Ea=80-160 kJ/(Mole K) (per reazioni globali) *Basse T  poche (ma ci sono) molecole hanno energia sufficiente; All’aumentare di T, aumenta il N. di molecole con energia sufficiente  combustione  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<Q, T aumenta  vel. reazioni aumenta per una miscela gassosa omogenea dipende da composizione, T, p, t di induzione (o ritardo di accensione τa) --- se non omogenea, dipende anche dai moti che generano miscelamento e dalla velocità di vaporizzazione 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 wr aumenta rapidamente con T Ritardo di accensione τa≈ 1/wr Fiamme fredde (preossidazione di idrocarburi) Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

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FIAMMA PREMISCELATA LAMINARE (IN QUIETE, p=cost) Velocità di combustione laminare diffusività termica Spessore del fronte di fiamma 𝑤 𝑐𝑙 ∝ 𝑇 2 𝑝 − 1 4 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

COMBUSTIONE PREMISCELATA TURBOLENTA Effetti della turbolenza: Vortici di grande scala  distorsione del fronte di fiamma  superficie fronte di fiamma ↑ Vortici di piccola scala  scambi di massa e di energia ↑  wr ↑ Sft ↑ 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 Fin/Fvisc = laminar combustion ↔ molecular diffusion Turbulent combustion ↔ rapid intertwining of fluid elements  increased transport of species, momentum, energy 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: Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

Cascata di energia nel flusso turbolento: SCALE DI TURBOLENZA Cascata di energia nel flusso turbolento: Energia fornita alle “grandi scale” (al moto medio) Energia trasferita alle “piccole scale” (fluttuazioni) 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) Dimensione caratteristica (macroscala) L  Re (dimensione geometrica) Scala integrale (o di turbolenza) L0  (massima dimensione dei vortici turbolenti ≈ distanza oltre la quale non c’è più correlazione tra le fluttuazioni di velocità nei due punti) Dissipation of turbulent kinetic energy: Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

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

COMBUSTIONE TURBOLENTA Per analizzare l’effetto della turbolenza sulla combustione confrontiamo queste tre scale con la dimensione caratteristica della propagazione di fiamma = spessore della fiamma premiscelata sfl, o, meglio, spessore di preriscaldamento (più grande dello spessore di rapido rilascio del calore) 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: Da ↑  chimica veloce  la turbolenza produce fiamme corrugate Da ↓  chimica lenta  la turbolenza miscela più rapidamente di quanto si propaghi la fiamma Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

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

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

distorsione delle fiamma  maggiore superficie di fiamma RIASSUMENDO … distorsione delle fiamma  maggiore superficie di fiamma Proprietà di diffusione invariate  wcl invariata Wct proporzionale all’area della superficie di fiamma wct circa proporzionale all’intensità di turbolenza wct non dipende dalla scala di turbolenza la dipendenza di wct dalla composizione è simile a quella di wcl Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO Wct proporzionale all’area della superficie di fiamma ovvero Sperimentalmente: Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO  irregolarità ciclica  Incubazione o sviluppo della fiamma: graduale ossidazione del nucleo vicino alla candela Combustione turbolenta: rapida propagazione del fronte di fiamma (p↑ a V≈cost) Completamento della combustione nelle regioni più lontane Vmf ↔ wct ? Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

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

COMBUSTIONE NEI MOTORI OTTO Espansione 1 + irraggiamento  p2,T2↑  wct↑ (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) Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

Relazione tra xb e yb 𝑦 𝑏 = 𝑉 𝑏 𝑉 𝑥 𝑏 = 𝑚 𝑏 𝑚 𝑚= 𝑚 𝑚 + 𝑚 𝑏 𝑦 𝑏 = 𝑉 𝑏 𝑉 𝑥 𝑏 = 𝑚 𝑏 𝑚 𝑚= 𝑚 𝑚 + 𝑚 𝑏 𝑉= 𝑉 𝑚 + 𝑉 𝑏 𝑥 𝑏 = 𝑚 𝑏 𝑚 = 𝑚 𝑚 𝑏 −1 = 𝑚 𝑚 + 𝑚 𝑏 𝑚 𝑏 −1 = 1+ 𝑚 𝑚 𝑚 𝑏 −1 = 1+ 𝜌 𝑚 𝑉 𝑚 𝜌 𝑏 𝑉 𝑏 −1 = 1+ 𝜌 𝑚 𝜌 𝑏 𝑉−𝑉 𝑏 𝑉 𝑏 −1 = 1+ 𝜌 𝑚 𝜌 𝑏 1 𝑦 𝑏 −1 −1 Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

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

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

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

VARIABILITA’ DELL’ANTICIPO DI ACCENSIONE Combustibile e dosatura (φopt ≈ 1.2) Rapporto di compressione Forma della camera + turbolenza Carico ↓  wct ↓ n ↑  anticipo ↑, perché Δt incubazione ≈ cost  Δθ↑ turbolenza ↑  vmf ↑  Δt propagazione fronte ↓  Δθ≈ cost Motori a combustione interna – Prof. L.A. Catalano

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

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