I cicli termodinamici:

OTTO DIESEL

NOTA: in questa presentazione i segni del lavoro sono quelli utilizzati nella applicazioni della termodinamica (Lavoro positivo se uscente e negativo se entrante nel sistema).

Il ciclo OTTO

Generalità

Cenni storici

Descrizione ciclo teorico

Lavoro utile

Rendimento

Applicazioni

Generalità

il ciclo Otto è un ciclo di trasformazioni termodinamiche effettuate su un gas con lo scopo di trasformare

ENERGIA TERMICA in ENERGIA MECCANICA

Cenni storici

Otto, Nikolaus August (Holzhausen 1832 - Colonia 1891), ingegnere tedesco, inventore del primo motore a combustione interna a quattro tempi, che funzionava secondo un ciclo teorico che prese il nome da lui.

Dopo aver condotto una serie di ricerche sul funzionamento del motore a gas illuminante inventato da Etienne Lenoir, Otto si dedicò alla realizzazione di esperimenti sui motori a combustione interna. Assieme all’ingegner Eugen Langen, fondò una ditta che nel 1866 produsse il primo modello di motore monocilindrico a due tempi, che presentava un consumo molto più basso di quello del motore di Lenoir. Dopo ulteriori ricerche, nel 1876 Otto e Langen presentarono un motore a quattro tempi, noto anche come motore a ciclo Otto, che riscosse grande successo e, nella nascente industria automobilistica, divenne il modello base per la maggior parte dei motori a combustione interna.

Descrizione ciclo teorico

1) 1-2 adiabatica di compressione

2) 2-3 isovolumica in cui si fornisce calore

3) 3-4 adiabatica di espansione

4) 4-1 isovolumica in cui si sottrae calore ritornando alle condizioni iniziali

Trasformazioni termodinamiche

Si comprime il gas senza scambi di calore, la temperatura e la pressione del gas aumentano.

Il lavoro di compressione va quindi ad aumentare l’energia interna del gas.

Adiabatica di compressione

Si fornisce calore al gas mantenendo il volume costante la temperatura e la pressione del gas aumentano.

L’energia termica fornita va ad incrementare l’energia interna del gas.

Isovolumica con calore fornito

Il gas si espande senza scambi di calore la temperatura e la pressione del gas diminuiscono.

L’energia interna precedentemente accumulata viene trasformata in lavoro meccanico.

Adiabatica di espansione

Il gas viene raffreddato a volume costante e riportato alle condizioni iniziali

Isovolumica con calore sottratto

Lavoro utile

Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativoLavoro utile

Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativo

Lavoro utile

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Lavoro di compressione

Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativo

Lavoro utile

Lavoro di espansione

Rendimento

1k

11

= rapporto di compressione v1/v2

k = rapporto Cp/Cv

Il rendimento del ciclo OTTO è dato dalla seguente formula

v1 = volume inizio compressione

v2 = volume fine compressione

Cv = calore specifico a volume costante del gas

Cp = calore specifico a pressione costante del gas

Applicazioni

Motore a combustione interna a quattro tempi

Fasi del motoreMotore Ciclo

Applicazioni

Ciclo reale di un motore a combustione interna a quattro tempi

Fasi del motoreMotore Ciclo

Aspirazione

Si apre la valvola di aspirazione, e la depressione creata dal pistone aspira la miscela di gas combustibile formata da carburante ed aria in proporzioni stechiometriche

Compressione

La miscela viene compressa dal pistone e le valvole rimangono chiuse

Combustione

La scintilla generata dalla candela innesca la combustione che si propaga con rapidità a tutta la massa della miscela.

La pressione raggiunge valori elevati

Espansione

La pressione elevata spinge il pistone verso il basso, che attraverso la biella mette in rotazione l’albero motore

Scarico

Si apre la valvola di scarico ed il pistone spinge i gas combusti fuori dal cilindro.

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Il ciclo DIESEL

Generalità

Cenni storici

Descrizione ciclo teorico

Lavoro utile

Rendimento

Applicazioni

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Generalità

il ciclo Diesel fa parte di quei cicli di trasformazioni termodinamiche effettuate su un gas in modo da convertire

ENERGIA TERMICA in ENERGIA MECCANICA

Cenni storici

Rudolf Diesel

(Parigi 1858 – Canale della Manica 1913), ingegnere tedesco; inventò il motore che funzionava secondo un ciclo teorico che prese il nome da lui. Dopo aver studiato in Gran Bretagna, frequentò la Scuola politecnica di Monaco, dove si stabilì nel 1893. L'anno precedente aveva brevettato un motore a combustione interna, il motore diesel, che sfruttava l'autoaccensione del combustibile. In associazione con la ditta Krupp di Essen, costruì il primo motore diesel di uso pratico, utilizzando un combustibile a basso costo. Nel 1913, mentre si recava in Gran Bretagna, cadde in mare durante la traversata della Manica e annegò.

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Descrizione ciclo teorico

1) 1-2 adiabatica di compressione

2) 2-3 isobara in cui si fornisce calore

3) 3-4 adiabatica di espansione

4) 4-1 isometrica in cui si sottrae calore ritornando alle condizioni iniziali

Trasformazioni termodinamiche

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Si comprime il gas senza scambi di calore, la temperatura e la pressione del gas aumentano.

Il lavoro di compressione va quindi ad aumentare l’energia interna del gas.

Adiabatica di compressione

Si fornisce calore al gas mantenendo la pressione costante la temperatura ed il volume del gas aumentano.

L’energia termica fornita va ad incrementare l’energia interna del gas e contemporaneamente fornisce lavoro.

Isobara con calore fornito

Il gas si espande senza scambi di calore la temperatura e la pressione del gas diminuiscono.

L’energia interna precedentemente accumulata viene trasformata in lavoro meccanico.

Adiabatica di espansione

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Il gas viene raffreddato a volume costante e riportato alle condizioni iniziali

Isovolumica con calore sottratto

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Lavoro utile

Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativoLavoro utile

Lavoro utile

Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativo

Lavoro di compressione

Lavoro utile

Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativo

Lavoro di espansione

Rendimento

)1(k

11

1k

k

= rapporto di compressione v1/v2

b= rapporto di combustione v3/v2

k = rapporto Cp/Cv

Il rendimento del ciclo DIESEL è dato dalla seguente formula

v1 = volume inizio compressione

v2 = volume fine compressione

v3 = volume di fine combustioneCv = calore specifico a volume costante del gas

Cp = calore specifico a pressione costante del gas

Applicazioni

Motore Diesel a combustione interna a quattro tempi

Fasi del motoreMotore Ciclo

Applicazioni

Ciclo reale di un motore a combustione interna a quattro tempi

Fasi del motoreMotore Ciclo

Aspirazione

Si apre la valvola di aspirazione, e la depressione creata dal pistone aspira aria

Compressione

L’ aria viene compressa dal pistone, le valvole rimangono chiuse la pressione e la temperatura aumentano.

Combustione

Il combustibile viene polverizzato dall’iniettore ed a contatto con l’aria a temperatura elevata si incendia.

prof. Massimo Capone classe IV T.S.E. a.s. 2000-2001

Espansione

La pressione elevata spinge il pistone verso il basso, che attraverso la biella mette in rotazione l’albero motore

Scarico

Si apre la valvola di scarico ed il pistone spinge i gas combusti fuori dal cilindro.