I. I.S.S. Majorana - LaterzaI.I.S.S. Majorana - Laterza

APPLICAZIONI DEL APPLICAZIONI DEL 2° PRINCIPIO 2° PRINCIPIO

DELLA TERMODINAMICADELLA TERMODINAMICA

Prof.ssa Maria A. Martellotta

COS’È UNA MACCHINA COS’È UNA MACCHINA TERMICA…TERMICA…

Una macchina termica è un dispositivo capace di trasformare calore interamente in lavoro attraverso una serie di trasformazioni cicliche. Per compiere il lavoro ha bisogno di due sorgenti:

• Caldaia: riscalda il fluido e lo espande• Refrigerante: raffredda il fluido per chiudere il ciclo

Il lavoro compiuto dalla macchina termica è pari alla differenza tra la quantità di calore Q2 prelevata dalla sorgente a temperatura maggiore e la quantità di calore Q1 ceduta alla sorgente a temperatura minore:

L= Q2 – Q1

Motore Diesel Il motore Diesel, brevettato nel 1892

da Rudolf Diesel, è una tipologia di motore a combustione interna, alimentato a gasolio, che sfrutta il principio della compressione per ottenere l'accensione del combustibile e non l'azione di scariche elettriche da parte delle candele d'accensione tipiche invece di un motore ad accensione comandata. Il ciclo di Diesel comincia con l’aspirazione di sola aria, successivamente riscaldata per compressione. Il gasolio è iniettato nella camera di combustione sottoforma di finissima nebbia quando l’aria è già calda, e si accende spontaneamente provocando l’espansione dei prodotti gassosi.

Ciclo ideale di OttoCiclo ideale di Otto

Si compone di quattro fasi :- Aspirazione- Compressione adiabatica- Scoppio + Espansione adiabatica- Scarico

Ciclo ideale di DieselCiclo ideale di Diesel

Si compone di quattro fasi :- Aspirazione- Compressione adiabatica - Accensione + Espansione adiabatica- Scarico

Durante il ciclo di Otto la temperatura di combustione non può superare il limite oltre il quale avverrebbe la detonazione spontanea della miscela di aria e benzina. Nel ciclo di Diesel, invece, l’aria viene compressa nel cilindro prima dell’iniezione del carburante. Pertanto può raggiungere una temperatura più elevata. La maggiore temperatura di combustione conferisce al ciclo di Diesel un rendimento maggiore, peri al 30-40% contro il 20-30% del motore a scoppio.

Motore a Vapore Motore Diesel

1765 1854 1892 1987

Motore a Benzina Common Rail

COMMON COMMON RAILRAIL

UNA MODERNA MACCHINA TERMICA

Nelle comuni macchine termiche utilizzate in campo automobilistico l’energia viene in massima parte

perduta e restituita all’ ambiente sotto forma di calore inutilizzabile con un

rendimento decisamente basso. Tuttavia grazie alla tecnologia del

Common Rail il rendimento, calcolabile tramite la relazione R=L/Q2=1-Q1/Q2,

aumenta notevolmente.

STORIA ED EVOLUZIONESTORIA ED EVOLUZIONE UN SISTEMA D’ INIEZIONE DEL GASOLIO

COMPLETAMENTE ELETTRONICO,ORGOGLIO ITALIANO !!!

La tecnologia del common rail prende avvio a partire dal 1987, anno in cui il Dr. Mario Ricco, all’interno dell’azienda “CENTRO RICERCHE ALIMENTAZIONI MOTORI ELASIS “ di Bari, sviluppa l’innovativo progetto, che porterà nel 1997 alla produzione della prima macchina dotata di questa sistema, l’Alfa Romeo 156JTD. Il progetto viene avviato al fine di svincolare dalle licenze Bosch la fabbrica di Bari.

Il principio del motore "Common rail" è stato sviluppato a partire dagli anni trenta ma era inapplicabile sui motori diesel per uso automobilistico. Motori con lo stesso principio del common rail sono stati utilizzati in passato in ambito:

• sia NAVALE

• sia FERROVIARIO

STRUTTURA E COMPONENTI STRUTTURA E COMPONENTI PRINCIPALIPRINCIPALI

L'impianto di alimentazione del combustibile è suddiviso in circuito di bassa pressione e circuito

di alta pressione.

Il circuito di bassa pressione è costituito da:- elettropompa ausiliaria immersa

- filtro gasolio- collettore di ritorno.

Il circuito di alta pressione è costituito da:- pompa di pressione

- collettore di riparazione

CIRCUITO DI BASSA PRESSIONE

• Elettropompa ausiliaria immersa Ha il compito di prelevare carburanteHa il compito di prelevare carburante dal serbatoio e immetterlo nella pompadal serbatoio e immetterlo nella pompa ad alta pressione.ad alta pressione.

• Filtro gasolio E’ un filtro avente il compito di un filtro avente il compito di

eliminare impurità ed evitare eliminare impurità ed evitare la corrosione.la corrosione.

• Collettore di ritorno Strutture in gomma o metallo pressofusoStrutture in gomma o metallo pressofuso Che collegano il carburatore al motore alChe collegano il carburatore al motore al Fine di evitare che questo si danneggiFine di evitare che questo si danneggi

CIRCUITO D’ ALTA PRESSIONE

• Pompa di pressione Componente FONDAMENTALE delComponente FONDAMENTALE del

sistema: invia al condotto sistema: invia al condotto

comune (common rail ) il carburantecomune (common rail ) il carburante

dopo averlo compressodopo averlo compresso

• Collettore di ripartizione

FUNZIONAMENTOFUNZIONAMENTO

La tecnologia common rail prevede l’immissione nel condotto comune, da parte di una pompa, del carburante, la cui pressione viene controllata da una valvola, detta “flauto”.

Il combustibile giunge quindi agli iniettori ed occupa due vani, uno posto al di sopra ed uno al di sotto dell'ago polverizzatore. Le due forze contrastanti si annullano e l'ago resta in posizione di chiusura grazie alla piccola forza applicata da una molla.

Il vano superiore, detto camera di comando, ha uno sfogo regolato da una valvola a solenoide o a comando piezoelettrico.

FUNZIONAMENTOFUNZIONAMENTO

Quando la centralina elettronica comanda l'apertura della valvola inizia il processo di iniezione nella camera di combustione, che finisce solo quando viene interrotto il comando alla valvola e la formazione di pressione nella camera di comando determina la chiusura dell'ago polverizzatore.

FUNZIONAMENTOFUNZIONAMENTO

In questo modo, grazie alla grande velocità di reazione delle valvole di comando, è possibile ottenere anche più iniezioni per ogni ciclo di lavoro. Si ha quindi una preiniezione, che serve ad innalzare pressione e temperatura nella camera di combustione, una o più iniezioni principali ed anche delle postiniezioni.

Grazie alla preiniezione e alla suddivisione dei ratei di mandata principale, la pressione nella camera di combustione si innalza in modo più graduale, evitando così la rumorosità di funzionamento tipica dei motori Diesel ad iniezione diretta.

Vantaggi e comfortVantaggi e comfort

Questa tecnologia consente di effettuare iniezioni multiple di carburante ad alta pressione anche ad un basso numero di giri del motore, in tale circostanza infatti la coppia del motore può addirittura raddoppiare.

Gli altri vantaggi di ordine pratico risiedono in una ridotta rumorosità del motore, in consumi ed emissioni ridotti. I sistemi common rail riescono quindi a ridurre le rumorosità e gli elevati picchi di pressione ed ottengono una combustione più ordinata, grazie alla quale diminuiscono le emissioni di gas incombusti ed i consumi e si ha un sensibile aumento delle prestazioni.

Evoluzioni del common railEvoluzioni del common rail Il Multijet

Allo straordinario avvento del common rail, sono seguite tecnologie ancora superiori, come il sistema multijet, applicato sui moderni motori diesel, che ha consentito un significativo aumento delle iniezioni, accompagnato da una notevole riduzione delle emissioni acustiche ed inquinanti.

Common Feeding Un team di ricerca del Politecnico di Torino ha sperimentato e brevettato un sistema di inizione ad alta

pressione di gasolio alternativo al noto common rail che ha rivoluzionato il motore diesel. Il sistema, battezzato CF (Common Feeding) offrirebbe grandi vantaggi e riduzione di costi per le case automobilistiche.

E' stato brevettato dai docenti di Macchine del Politecnico di Torino Andrea Catania e Alessandro Ferrari, che hanno avuto l'intuizione di semplificare il sistema di iniezione eliminando il rail, cioè l'accumulatore interposto tra la pompa ad alta pressione del gasolio e gli iniettori a controllo elettronico, che immettono la quantità di combustibile desiderata nella camera di combustione. Questa semplificazione permette una riduzione dei costi (si risparmia il costo del rail) ed una installazione più agevole del sistema di iniezione all'interno del motore grazie al suo ridotto ingombro, ma anche una migliore risposta dinamica del propulsore in fase di accelerazione; una caratteristica, quest'ultima, che è stata verificata in test condotti al banco motore e che tuttora si sta cercando di sfruttare per ridurre le emissioni inquinanti normate allo scarico del propulsore.Cardine dell'innovazione proposta dal nuovo sistema CF (C ed F sono anche le iniziali dei cognomi dei due inventori) è una rivoluzionaria pompa ad alta pressione direttamente connessa agli iniettori tramite condotti ad alta pressione del combustibile. Un volume di dimensioni ridottissime (circa 3 cm3), integrato nella pompa stessa in corrispondenza della camera di mandata, assolve alla funzione tradizionalmente svolta nei sistemi Common Rail proprio dal rail, che quindi viene in questo nuovo apparato di fatto eliminato. Alcuni lavori preliminari, svolti nel periodo 2007-2009, si erano concentrati sulla possibilità di ottimizzare il rail riducendone le dimensioni: misurazioni sperimentali avevano provato che un sistema CR con un volume del rail drasticamente ridotto garantiva prestazioni analoghe a quelle dei sistemi CR montati sui veicoli diesel in commercio. Catania e Ferrari hanno quindi ipotizzato che la performance del sistema di controllo della pressione nel circuito di alta pressione del sistema di iniezione Common Rail non dipendesse in modo preponderante dal volume del rail, ma dalla sinergia di azione tra quest'ultimo e la valvola di regolazione della pressione. Hanno quindi in seguito dimostrato che è possibile eliminare il rail sfruttando direttamente un piccolo volume posto alla mandata della pompa per stabilizzare la pressione di iniezione attraverso l'applicazione, alla pompa stessa, della valvola di regolazione della pressione. Il team ha anche recentemente applicato il sistema CF ad un motore diesel Euro 5, ottenendo dati sulle emissioni inquinanti comparabili con quelli relativi ai tradizionali motori Common Rail.

COMMON RAIL ED INQUINAMENTO

Le cause degli inquinanti atmosferici possono essere naturali o antropiche.

Fonti naturali: vulcani, incendi, ghiaioni, processi biologici.

Fonti antropiche: traffico veicolare, riscaldamento domestico, industrie e attività artigianali, veicoli off road (treni, trattori, veicoli da cava ecc.), agricoltura e altre attività.

Traffico veicolare: essenzialmente le emissioni provocate dal traffico veicolare dipendono dal tipo di combustibile, dal tipo di veicolo e dalla sua vetustà; i veicoli alimentati a diesel emettono principalmente anidride carbonica (CO2 ), PM10, idrocarburi (HC), biossido di azoto (NO2 ) e biossido di zolfo (SO2 ). Un veicolo a benzina emette in genere CO2 , PM10, NO2 e CO, mentre i veicoli a metano e GPL emettono NO2 e CO2.

Riscaldamento domestico: stesse emissioni delle auto con l’aggiunta di una certa gamma di diossine prodotte da carbone e legna.

Industria e artigianato: gli inquinanti emessi sono i più svariati. Le industrie devono utilizzare dei sistemi di abbattimento degli inquinanti che variano in base agli inquinanti stessi.

LE EMISSIONI INQUINANTI DELLE AUTO Il trasporto su strada, in particolare le automobili che ne rappresentano la componente principale, continuano ad

alimentare la cronicità della scarsa qualità dell’aria nelle nostre città, emettendo a livello nazionale il 35% del PM10, il 55% del benzene, il 52% degli ossidi di azoto e il 43% del monossido di carbonio. Trasporti che sono responsabili del 50% delle polveri sottili di Roma o dell’84% degli ossidi di azoto di Napoli.

LE POLVERI SOTTILI: PERICOLO INVISIBILE PER LA NOSTRA SALUTELE POLVERI SOTTILI: PERICOLO INVISIBILE PER LA NOSTRA SALUTE

Cosa sono:

Le polveri sottili o PM (dall’inglese Particulate Matter) sono particelle di materiale allo stato solido o liquido sospese nell’aria. Queste particelle si differenziano tra loro per dimensione, composizione e provenienza.

Dimensione:

Le particelle che hanno un diametro inferiore ai 10 micron (10 milionesimi di metro) sono i famosi PM10. Queste particelle attraverso la respirazione sono in grado di penetrare nei bronchi. Sono composte da sostanze e metalli tra cui piombo, nichel, solfati, carbonio, scarichi dei motori alimentati con gasolio.

Con un diametro inferiore ai 2,5 micron le particelle (dette PM2,5) sono più pericolose in quanto arrivano sino agli alveoli polmonari.

Anche queste comprendono vari elementi chimici tra cui i più presenti sono i solfati, il carbonio, gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA).

Ancora più piccole, quindi più pericolose, vi sono le cosiddette Particelle Ultra Fini (UFP) che sono in grado di arrivare fino al sangue e causare problemi all’apparato cardiovascolare.

Composizione:

Le polveri sottili sono composte come abbiamo visto da diverse sostanze chimiche ed è proprio questo mix di sostanze pericolose che inaliamo attraverso la respirazione e che rischia di danneggiare il nostro organismo.

Valori limite per le emissioni di PM10 e PM2,5 previsti dalla Legge Italiana

InquinanteInquinante La legge riferimentoLa legge riferimento LimiteLimite Periodo di riferimentoPeriodo di riferimento Valori SogliaValori Soglia

PM10PM10 DLGS. 155/2010 50 µg/m³ Media giornaliera Da non superarsi per più di 35 volte all’anno

PM10PM10 DLGS 155/2010 40 µg/m³ Media annuale

PM2,5PM2,5 DLSG 155/2010 25 µg/m³ Media annuale Valore obbiettivo per il 2015

I MOTORI EURO 5

Con l’obiettivo di ridurre l’inquinamento atmosferico provocato dalle emissioni dei mezzi a motore, l’Unione Europea ha varato il nuovo standard sulle emissioni inquinanti: EURO 5, obbligatorio dal 1° Settembre 2009.

A partire da questa data, tutti i nuovi modelli omologati dalle case automobilistiche devono rispettare lo standard EURO 5. È stato comunque possibile continuare a immatricolare vetture Euro 4 fino alla fine del 2010.

Dal 1° Gennaio 2011 invece, è stato possibile l’immatricolazione solo di vetture EURO 5. Cosa prevede: L’euro 5 stabilisce per i motori diesel la riduzione dell’80% delle emissioni di polveri sottili e del

28% di NOx rispetto ai precedenti standard EURO 4, mentre per i motori a benzina la riduzione delle emissioni di NOx è fissata al 25%. Per il raggiungimento di tali obiettivi, i costruttori devono quindi dotare di se- rie dispositivi antiparticolato (FAP, DPF) per quanto riguarda i motori diesel e altre tecnologie per ridurre emissioni di idrocarburi e ossidi di azoto (NOx) per le motorizzazioni a benzina.

I MOTORI EURO 6 La normativa Euro 6 entra in vigore il 1° settembre 2014 per quanto riguarda l’omologazione e

dal 1° settembre 2015 per quanto riguarda l’immatricolazione di tutte le vetture. Lo standard Euro 6 prevede in particolare un livello di emissioni di NOx molto basso per le vetture a benzina; anche i motori diesel, grazie agli importanti progressi tecnologici, vedranno abbattere ulteriormente le emissioni di NOx, in ottemperanza ai limiti imposti dall’ Euro 6. Il lasso di tempo tra la nuova normativa EURO 5 e la 6 consente alle case costruttrici di adottare tecnologie efficienti ed affidabili per raggiungere gli ambiziosi obiettivi fissati dalla Comunità Europea.

Conclusioni Il Common Rail rappresenta dunque un

perfetto esempio di macchina termica e un’ innovazione straordinaria che si innesta nel percorso del progresso scientifico, in continua e inarrestabile evoluzione, un sistema di iniezione completamente elettronico che ha portato i veicoli diesel così come li conosciamo oggi sempre con un occhio di riguardo per l’ambiente, al giorno d’oggi troppo poche volte rispettato.