Una teoria che collega l’accensione con la fiamma fornisce la tabella di marcia verso motori a combustione migliori

“Questa ricerca affronta direttamente la sfida di ridurre le emissioni di anidride carbonica migliorando l’efficienza dei motori a combustione, una fonte significativa di queste emissioni”, ha affermato Youhi Morii dell’Istituto di scienza dei fluidi dell’Università di Tohoku.

“Una migliore comprensione delle dinamiche di combustione supporterà anche lo sviluppo di soluzioni ingegneristiche più sicure e sostenibili”, ha affermato Kaoru Maruta, anch’egli dell’Institute of Fluid Science.

La dinamica della combustione coinvolge complesse reazioni fluide e chimiche accoppiate. I ricercatori utilizzano la fluidodinamica computazionale per aiutarli a comprendere e controllare meglio il processo.

Se fosse possibile utilizzare un sistema che funzioni stabilmente in uno stato stazionario e abbia un certo intervallo di tolleranza per piccole perturbazioni, ciò semplificherebbe la struttura e il controllo dei combustori e aumenterebbe la fattibilità della commercializzazione di nuovi progetti di combustori.

Per esplorare questo concetto, i ricercatori dell’Università di Tohoku hanno considerato un semplice sistema di flusso reattivo unidimensionale, in cui il gas premiscelato incombusto entra in una camera di combustione dal confine di ingresso sinistro, mentre il gas bruciato, o onda di deflagrazione, esce dal confine di uscita destro.

La teoria fino a questo punto sosteneva che una soluzione stazionaria esiste solo quando la velocità di ingresso corrisponde alla velocità dell’onda di deflagrazione (che viaggia a velocità subsoniche) o alla velocità dell’onda di detonazione – una reazione d’urto in cui l’uscita le fiamme viaggiano a velocità supersoniche.

Tuttavia, questa saggezza convenzionale si basa sul presupposto che le reazioni chimiche nella zona di preriscaldamento siano trascurabili. Studi recenti sottolineano l’importanza delle cosiddette “fiamme ad autoaccensione”, in cui una deflagrazione che si propaga in una miscela calda di gas premiscelato incombusto ha una velocità di propagazione più rapida con l’aiuto di reazioni chimiche davanti alla fiamma. Ciò suggerisce che esistono numerose soluzioni di stato stazionario, che influenzano la quantità di tempo di permanenza del gas prima della deflagrazione.

Basandosi su questi risultati, i ricercatori dell’Università di Tohoku hanno progettato una teoria che ha colmato con successo il divario tra le onde di accensione e di deflagrazione, rivelando l’esistenza di ulteriori soluzioni stazionarie che sono possibili se si considera l’“onda di reazione autoignitiva” – un’onda che è risente dell’accensione nella zona di preriscaldamento ma si comporta come un’onda di deflagrazione.

“Contrariamente all’opinione prevalente secondo cui esiste solo un’unica soluzione stazionaria per le onde di deflagrazione nei sistemi subsonici unidimensionali, il nostro approccio postula un numero infinito di soluzioni come le onde di reazione autoignitiva, affermando che l’accensione e la fiamma sono intrinsecamente collegate”, Morii disse.

Ciò significa che esistono soluzioni stazionarie non solo nei due punti in cui la velocità di ingresso corrisponde alle velocità delle onde di deflagrazione o detonazione, ma anche in una regione più ampia se si considerano le condizioni di autoignizione.

Il team ha ulteriormente esteso la teoria a scenari che coinvolgono velocità di ingresso supersoniche. Nel regime supersonico, l’interpretazione convenzionale è che una soluzione stazionaria è possibile solo quando la velocità di ingresso corrisponde alla velocità dell’onda di detonazione. Tuttavia, dato che l’onda di reazione autoignitiva ha origine da un’accensione a dimensione zero, i ricercatori hanno sostenuto che dovrebbe essere indipendente dalla velocità di ingresso.

“Proponiamo che esista un numero infinito di soluzioni stazionarie per l’onda di reazione autoignitiva, anche in condizioni supersoniche”, ha detto Morii.

Collegando teoricamente accensione e fiamma, il motore può ora essere considerato da una nuova prospettiva. La contabilizzazione dei fenomeni di accensione offre la possibilità di una combustione più stabile, portando all’idea di un nuovo concetto di motore più efficiente di quello convenzionale.

“Questo lavoro sulla stabilizzazione delle onde di reazione autoignitiva segna una svolta fondamentale, rivoluzionando potenzialmente la progettazione dei sistemi di combustione, soprattutto nel campo della combustione supersonica”, ha affermato Morii.

Sebbene i risultati teorici e numerici abbiano fornito un nuovo concetto di motore, questo non è stato ancora verificato sperimentalmente. Il team, pertanto, prevede di applicare i risultati della ricerca a un motore reale attraverso un’ulteriore verifica sperimentale attraverso una ricerca congiunta.