Squish, Swirl e Tumble – Lo studio del moto della carica all’interno del cilindro è un elemento essenziale ai fini della progettazione di una buona fase di combustione. Nello specifico, i moti turbolenti possono influenzare positivamente la velocità di fiamma e la omogeneità della miscela.
La dosatura del combustibile non è sufficiente da sola a garantire buone prestazioni (coppia e potenza) del motore. Nei motori a combustione interna, soprattutto in quelli Diesel, il campo di moto all’interno del cilindro gioca un ruolo fondamentale. E’ importante che la miscela nel cilindro raggiunga, prima dell’accensione, la massima omogeneità. Data l’esistenza di un rapporto aria/combustibile ottimo ogni disomogeneità comporta, infatti, che una parte del cilindro sia riempita di miscela più ricca, ed un’altra di miscela più povera, cioè ambedue siano più o meno lontane dall’ottimo. Le condizioni di moto del fluido nel cilindro controllano quindi il miscelamento del combustibile con l’ossidante (sia in termini di preparazione della carica premiscelata, che in termini di evaporazione e combustione delle gocce che bruciano con fiamma di tipo diffusivo), l’avvio e lo sviluppo del processo di combustione, la formazione degli inquinanti emessi allo scarico e lo scambio termico con le pareti al contorno.
La turbolenza riveste un ruolo molto importante all’interno del motore specie nella fase di combustione dove influisce essenzialmente sulla velocità di fiamma e sulla omogeneità della miscela. Infatti, il fronte di fiamma, la zona di transizione tra la miscela già bruciata e quella ancora da bruciare, è tanto più frastagliato o vorticoso, quindi capace di trasmettere più rapidamente l’accensione agli strati adiacenti, quanto maggiore è la turbolenza. Allo stesso modo una elevata turbolenza ha un fortissimo potere omogeneizzante della miscela. E’ però importante che la zona di camera attorno agli elettrodi della candela sia piuttosto quieta. In caso contrario il piccolo nucleo di combustione può essere spazzato via da una eccessiva turbolenza, originando mancate o cattive accensioni. Allo stesso modo può succedere che forti turbolenze di tipo organizzato, specie se ad andamento rotatorio, possano avere un effetto stratificante, anziché omogeneizzante, rispetto a zone di miscela aventi diversa densità.
Lo studio della turbolenza all’interno del cilindro risulta quindi fondamentale in quanto questa può portare o meno ad un corretto miscelamento della carica e ad una corretta combustione. Per questo motivo si cerca di realizzare degli specifici moti organizzati di turbolenza sfruttando la parte terminale dei condotti di aspirazione e la disposizione delle valvole all’interno della testata motore. I tre tipi diversi di turbolenza conosciuti e utilizzati sono: Squish, Swirl e Tumble.
SQUISH: con questo termine si indica il movimento rotatorio organizzato della carica su di un piano assiale, che si genera verso la fine della fase di compressone, come conseguenza della diseguale variazione di volume a disposizione del fluido, quando la corona del pistone si avvicina sensibilmente alla testa del cilindro in alcune zone. In particolare, nei motori ad accensione comandata, è la particolare conformazione della testa del cilindro a generare lo squish, mentre nei motori ad accensione per compressione è la tazza ricavata nel pistone a produrre un doppio vortice di squish alla fine della fase di compressione. Si tratta insomma del movimento della miscela che, schiacciata tra pistone e testa, si sposta rapidamente dalla parte periferica verso il centro in corrispondenza della candela. E’ molto importante e ricercato in quanto riduce il pericolo di detonazione e autoaccensione, favorisce il mescolamento attorno alla candela e migliora la successiva combustione.
SWIRL: con questo termine si intende il movimento rotatorio organizzato della carica su di un piano circonferenziale, derivato dalla componente tangenziale della velocità del fluido che entra nel cilindro. Esso è influenzato principalmente dalla geometria del gruppo condotto-valvola di aspirazione. Normalmente tale turbolenza può essere creata in due diversi modi: primo tramite l’interferenza del flusso entrante con la parete del cilindro o con uno schermo posto sulla valvola stessa; secondo imprimendo al flusso entrante un moto rotatorio attorno all’asse stesso della valvola prima del suo ingresso nel cilindro. Nel secondo caso specifico vengono utilizzati i condotti orientati o i condotti elicoidali. Con i condotti orientati la geometria è tale da conferire al getto uscente dalla valvola una distribuzione di velocità non uniforme sulla circonferenza, in modo da orientare il flusso verso la parete del cilindro, che gli impone a sua volta un moto tangenziale di Swirl. Con i condotti elicoidali il fluido arriva con una forte componente tangenziale nella zona sovrastante la luce scoperta dalla valvola e da qui poi discende con rapido movimento elicoidale verso il cilindro. I condotti orientati, però, tendono ad essere poco efficaci come generatori di Swirl alle piccole alzate dal momento che la velocità del fluido nel condotto d’aspirazione risulta troppo bassa affinché la sua particolare geometria possa imporre una diseguale distribuzione del getto lungo la periferia della valvola. Alle maggiori alzate essi, invece, sono molto efficaci al fine di produrre Swirl ma presentano dei coefficienti di efflusso bassi poiché viene usata per smaltire portata solo una parte dell’area della luce scoperta dalla valvola. Un miglioramento da questo punto di vista si ottiene con i condotti elicoidali mediante i quali si possono avere dei coefficienti di efflusso sensibilmente migliori di quelli offerti da una valvola schermata e coefficienti di Swirl elevati anche alle basse alzate.
TUMBLE: con questo termine si indica un moto rotatorio organizzato su di un piano passante per l’asse del cilindro, che comincia a formarsi durante la fase di aspirazione ed è poi sostenuto ed amplificato verso la fine della fase di compressione. Anche utilizzando un normalissimo condotto di tipo tradizionale si forma durante il processo di aspirazione un vortice su di un piano assiale nella zona sottostante il piattello della valvola. Esso è la conseguenza dell’interazione del flusso entrante con la parete del cilindro (dalla parte dello scarico) e la testa del pistone. Durante la fase di aspirazione si comincia a formare, infatti, un moto rotatorio organizzato in un unico vortice su un piano assiale. Durante la successiva fase di compressione, la risalita del pistone “schiaccia” il vortice, riducendone la dimensione e aumentandone l’intensità (energia cinetica). Per accelerare il Tumble occorre quindi disegnare un condotto che non solo acceleri il flusso entrante, ma anche lo diriga prevalentemente verso la zona sottostante la valvola di scarico. Il principale vantaggio del Tumble consiste quindi nella capacità di generare turbolenza verso la fine della corsa di compressione in modo da accelerare e stabilizzare la parte iniziale del processo di combustione. Per contro bisogna tenere presente che l’energia spesa per incrementare il Tumble durante l’aspirazione, finisce con il penalizzare sempre più il riempimento del cilindro. Il tumble è importante soprattutto nei motori ad accensione comandata.
