di ing. Ivan Crepaldi
Questo periodo invernale è per noi appassionati un periodo di attesa per scoprire le nuove vetture e i primi riscontri in pista durante i test. Lo stesso clima non è di certo presente all’interno delle case costruttrici in cui gli ingegneri si stanno spremendo al massimo per lo sviluppo delle novità necessarie per la nuova stagione. Per noi è invece il momento giusto per approfondire alcune tematiche ed arrivare ben preparati all’inizio del campionato. In questo articolo cercheremo di evidenziare alcuni aspetti della fluidodinamica della camera di combustione.
Come sappiamo la combustione avviene bruciando un’opportuna miscela di aria e combustibile. Nel caso di accensione con candela, per avere un processo efficiente è necessario che la combustione avvenga in modo molto rapido, in modo tale da propagarsi in poco tempo a tutta la camera di combustione e trasferire la potenza al pistone. Per fare ciò, è necessario concentrare il combustibile soprattutto nella zona della candela, così da favorire l’innesco e l’accelerazione del processo.
Nel caso della combustione di tipo HCCI, che si sta sviluppando nelle attuali vetture, è invece importante miscelare in modo omogeneo l’aria e il combustibile, in modo da avere una concentrazione pressoché costante e poter avviare la combustione in molti punti contemporaneamente.
A tali scopi è molto importante la gestione dei flussi, dalla fase di aspirazione a quello di scarico. Esistono alcuni moti rotativi della carica fluida di tipo organizzato, in quanto non avvengono in modo casuale, ma sono indotti da opportune condizioni geometriche e cinematiche, persistendo nel tempo favorendo l’efficienza del processo. Vediamo quali sono i principali.
Il moto di swirl avviene su piani circonferenziali; inizia nel condotto di aspirazione e si mantiene all’interno della camera di combustione. È indotto dall’iterazione del flusso in moto con le valvole di aspirazione. È opportuno favorire l’insorgenza dei vortici già a condotto chiuso, in modo tale che, all’apertura della valvola, debbano solo espandersi all’interno del cilindro favorendo l’efflusso di aria.
Il moto di tumble avviene, invece, in un piano passante per l’asse del cilindro. È causato dall’iterazione del flusso d’aria entrante con le pareti di cilindro e testata nella zona delle valvole di scarico. Quando il pistone risale, la carica fluida viene compressa, riducendo così la sua inerzia. Per mantenere però costante il momento angolare deve aumentare la velocità di rotazione, favorendo così il miscelamento di aria e combustibile. Questo moto è favorito dalla velocità con cui il fluido viene aspirato e da un’opportuna orientazione dei condotti di aspirazione per dirigere il flusso sotto le valvole di scarico.
Infine il moto di squish avviene in un piano assiale nell’ultima fase della compressione ed è causato dalla differente variazione di volume del fluido vicino alla testata, opportunamente sagomata. Questo moto è particolarmente utile per concentrare la miscela nella zona vicino alla candela.
Come si può intuire la previsione e la conseguente gestione dei flussi all’interno dei condotti e della camera di combustione sono estremamente complesse, come anche per lo studio dell’aerodinamica esterna della vettura. Non potendo conoscere in modo esatto la geometria delle camere di combustione nelle attuali vetture di Formula 1, possiamo fare solamente alcune considerazioni suppositive.
Innanzitutto l’azione del compressore accelera notevolmente il moto del fluido nei condotti di aspirazione, così da incrementarne la portata che viene aspirata. Questo comporta una maggiore difficoltà nell’indurre moti di swirl rispetto all’aspirazione naturale, in quanto l’aumento di velocità tangenziale riduce il tempo necessario per percorrere il condotto, e di conseguenza il tempo a disposizione per l’organizzazione elicoidale del moto. D’altro canto una maggiore velocità favorisce la formazione di moti di tumble, dal momento che il flusso viene “sparato” verso la zona di scarico, per poi essere deviato dalle pareti del cilindro e della testata. Come già detto, questo tipo di moto organizzato è particolarmente utile per mescolare aria e combustibile, di conseguenza è un importante fattore di gestione per la combustione HCCI, che richiede un rapporto comburente-combustibile costante.
Infine evidenziamo che lo studio della fluidodinamica deve essere effettuato per diversi regimi di funzionamento, in quanto al variare del regime di rotazione il fluido ha a disposizione tempi diversi di percorrenza dei condotti e permanenza nella camera di combustione, quindi tempi diversi per organizzarsi o muoversi in modo casuale. Le soluzioni che vengono scelte devono essere di compromesso tra i diversi regimi, potendo eventualmente privilegiare alcuni intervalli di funzionamento.
