Camera di combustione

Storia e progettazione dell'area in cui avviene lo scoppio della miscela aria-benzina.

La camera di combustione è lo spazio esistente nel cilindro destinato alla combustione della miscela aria-carburante nei motori a combustione interna.
La camera di combustione, chiamata a volte impropriamente camera d' esplosione, è compresa tra la testa del pistone al punto morto superore e la testa del cilindro. Il suo volume varia da un motore all'altro e determina il raporto volumetrico. Nei motori a pistone rotatorio del tipo Wankel, la camera di combustione è il volume variabile compreso tra il rotore e le tre pareti del carter motore. Nelle turbine a gas, le camere sono costituite da aree di forma complessa, da sezioni cilindriche in lamiera d'acciaio speciale capace di sopportare temperature molto elevate. Per i motori alternativi, la forma della camera di combustione dipende da numerosi fattori e, in primo luogo, dal ciclo scelto: motore diesel o benzina, due o quattro tempi, lenti o rapidi.

I fattori da prendere in considerazione nel disegno della camera di combustione sono:
*La disposizione delle valvole d'aspirazione e di scarico, allo scopo d'ottenere il migliore riempimento a tutti i regimi di funzionamento;
*Il numero e la forma dei condotti d'aspirazione e di scarico che influenzano la turbolenza (valvole aperte o in fase di compressione);
*La posizione della candela per avere il più piccolo percorso possibile della fiamma, in funzione della velocità di propagazione della combustione;
*La forma del pistone (testa convessa o scavata) per aumentare la camera di combustione ed ottenere una combustione completa ed omogenea, senza rischio di preaccensione o detonazione.
Infine, la forma della camera di combustione deve essere concepita in funzione della relazione volumetrica scelta e tenere conto della superficie offerta rispetto al volume, allo scopo d'acquisire un rendimento termodinamico elevato ed un buon raffreddamento.

Le prime camere di combustione, sui modelli che precedono la prima guerra mondiale, erano condizionate dal posizionamento laterale delle valvole (da ogni lato del motore) con la candela avvitata sul cilindro. Il volume totale, elevato, proibiva rapporti volumetrici elevati. Il rendimento era perciò debole. Negli anni 1919-1920, si costruirono camere sotto forma di semi-sfere, essendo tutto il volume rinviato attorno alla candela per favorire la turbolenza.

Intorno quest'epoca, si nota l' importante contributo dello scienziato inglese, Harry R. Richard, nel miglioramento dei rendimenti. Il posizionamento delle valvole in testa modifica presto il disegno delle camere di combustione, che dipende ormai dall'angolo formato dalle valvole.
Si definiscono 2 tipi di soluzioni: - le camere cilindriche scavate nel cilindro, a valvole parallele nello stesso asse del cilindro. - le camere semisferiche. Le valvole sono disposte obliquamente a V. Questi cilindri sono stati a lungo considerati come quelli che offrivano il migliore rendimento. Furono in particolare utilizzate su Porsche e Alfa Romeo. Permettono di utilizzare grandi valvole con deboli relazioni superficie-volume. La posizione della candela è centrale (in mezzo al V per i motori a quattro valvole per cilindro) e quasi centrale per gli altri tipi. Questa soluzione riduce in modo sensibile il percorso del fronte di fiamma. Per aumentare la relazione volumetrica, si è dotato il pistone, inizialmente piatto, d'una testa convessa, che aumenta così la superficie di scambio termico.

Si differenziano ancora: - Le camere con valvole parallele leggermente inclinate rispetto all' asse del cilindro; - Le camere triangolari, sempre con valvole parallele e la candela vicina alla valvola d'aspirazione. Sono economiche (costruzione) e presentano una relazione superficie-volume buona.
Inoltre i rischi di detonazione sono ridotti. Una parte della testa del pistone è quasi a contatto del cilindro, cosa che favorisce una forte combustione verso la candela durante la compressione; - Le camere trapezoidali laterali (tipo Mercedes-Benz). La combustione è ottenuta grazie ad una protuberanza sul pistone. Hanno una resistenza eccellente all'invecchiamento, nella misura in cui una forte combustione evita i depositi; Le camere Rover. La valvola d'aspirazione è in testa, mentre quella di scarico è laterale. La camera ha così una forma sensibilmente emisferica. Il cilindro è piatto ed il pistone presenta una sporgenza a forma di V; - Le camere Héron. Sono tutt'oggi abbastanza diffuse; Negli anni sessanta, si è utilizzato, sui motori da competizione un cilindro quasi triangolare con quattro valvole che formano tra esse un angolo da 10 a 20° soltanto. Attualmente, la differenza di rendimento da una camera all'altra varia dal 3 al 5%. La ragione che ha determinato l'abbandono della camera dei motori laterali è la sua forma prolungata e la sua grande superficie rispetto al suo volume, cosa che proibisce rapporti volumetrici elevati.

D'altra parte, costringeva il fluido ad un percorso tortuoso. Questo progetto è radicalmente inadatto ai motori attuali con potenze specifiche elevate. Tuttavia, questa soluzione è ancora utilizzata quando ragioni di costo e di progettazioni sono prevalenti. Per motori il cui rapporto corsa-alesaggio è basso (nell'ordine da 0,6 a 0,7), si prevede, tra il cilindro e la testa del pistone, uno spazio molto ridotto (alcuni decimi di millimetro) che, in occasione della compressione, permette di spingere la miscela verso la candela, in direzione della zona di combustione. Nei motori da competizione e nei motori a quattro valvole per cilindro, si può diminuire l' angolo delle valvole e creare così una camera molto ridotta con un pistone praticamente piatto. Invece, con valvole inclinate da 60 a 90°, se si vogliono ottenere rapporti volumetrici elevati (da 10 a 12:1) si deve prevedere una forma sferica, poiché è necessario in questo caso avere una calotta di ampe dimensioni sul pistone. Tale camera non permette una propagazione rapida della fiamma. Infine, la camera di combustione può essere studiata in maniera particolare in vista d'una ricerca della riduzione dell'inquinamento. In particolare, si è notata una tendenza ad aumentare la corsa dei motori e ridurre il volume delle camere. Nei motori due tempi, infine, caratterizzati dall'assenza di valvole, il disegno della camera è più semplice. Questa è generalmente scavata nel cilindro ed ha la forma di calotta sferica, con la candela praticamente al centro.

Nei motori diesel la camera di combustione varia a seconda che il motore sia ad iniezione diretta (iniettore avvitato sulla camera) o ad iniezione indiretta (con precamera). Nel primo caso, la camera è nella testa del pistone con una cavità attorno all'iniettore. Nel secondo caso, la camera comporta la persenza di una precamera, nella quale si produce l'iniezione e l'inizio della combustione. Le camere di combustione nel pistone possono essere di tre tipi fondamentali: - emisferico, - sferico - torico. Le camere ausiliarie hanno per scopo d' aumentare la turbolenza per ottenere la combustione totale del gasolio iniettato. Le precamere hanno forme diverse: cilindrico, conico o sferico, mentre la camera principale compresa tra il pistone ed il cilindro è cilindrica. Nel cilindri per motori diesel, il disegno è nettamente più complicato di quello dei motori a benzina, tanto che ogni tipo di camera porta generalmente il nome del produttore o dell' inventore.