Lezione VMotori endotermici

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Motori endotermici

o Trasformano in lavoro una frazione del calore ricavato bruciando un combustibileall’interno della camera di scoppio;

o Valida soluzione per: grandi potenzealti rendimenti termicipiccoli ingombri – leggerezzafrequenti avviamenti ed arresti

o Accensione:

Ciclo Otto a scintilla (candela) alimentazione a carbura-zione oa iniezione indiretta oppurediretta

Ciclo Diesel spontanea per compressione Alimentazione a iniezionediretta

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Morfologia e nomenclatura

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Ciclo Otto teorico (ipotesi di gas perfetto)

Fase 5 -> 1:aspirazione.

L51=0

Pressione relativaall’interno delcilindro nulla.

Fase 3 ->4:espansioneadiabatica

Fase 1-> 5:scarico

Fase 4 -> 1: scarico a volumecostanteQ2=cv(T4-T1)

Fase 1->2:compressioneadiabatica

Fase 2 -> 3:CombustioneQ1=cv(T3-T2)

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Rendimento termico ideale del ciclo Otto:

1 2 3 2 4 1

1 3 2

41

4 1 1

33 22

2

( ) ( )

( )

( 1)( )

1 1( ) ( 1)

Y YL

Y

4 4 F 7 7 F 7 74 F 7 7

77

7 7 777 7 77

η − − − −= = =−

−−= − = −− −

ma per le trasformazioni adiabatiche di compressione (1-2)e di espansione (3-4) si ha rispettivamente:

1

2 1

1 2

1

3 4

4 3

N

N

7 Y7 Y

7 Y7 Y

−

−

=

=

e poiché è Y� Y� e Y� Y� possiamo scrivere che:

2 3

1 4

7 77 7

=

e quindi:

4 3

1 2

7 77 7

=

da qui1

21

1

11 1

N

L NYY

ηρ

−

−

= − = −

con il rapporto di compressione così definito: 1

2

YY

ρ =

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Ciclo reale o indicato

Il ciclo reale rispecchia le reali condizioni di funzionamento e di un motore e si identifica coldiagramma delle pressioni misurate nel cilindro in corrispondenza delle varie posizioni del pistone.Questo diagramma si chiama diagramma indicato dal nome dello strumento, detto indicatore, cheserve per tracciarlo.

Rendimento

Le differenze tra ciclo ideale e ciclo indicato sono dovute a:

o Perdite di calore: la compressione e l’espansione non sono adiabatiche, ma politropiche conesponente Q diverso da N. Poiché il fluido subisce perdite di calore, si ha evidentemente perl’espansione Q!N e per la compressione Q�N. Si verifica una perdita di lavoro corrispondentealle aree indicate con A.

o Combustione non istantanea: nel ciclo reale richiede un certo tempo. Se l’accensione avesseluogo in corrispondenza del PMS, la combustione procederebbe durante la discesa dellostantuffo e il valore della pressione sarebbe inferiore al previsto con perdita di lavoro utile.Conviene quindi anticipare l’accensione, con una perdita di lavoro utile minore (areeindicate con B).

o Tempo di apertura della valvola di scarico: perdita di lavoro pari all’area C.Inoltre:

o Aumento dei calori specifici con la temperatura; tanto il calore specifico a pressionecostante cp quanto quello a volume costante aumentano il loro valore e le pressioni etemperature massime risultano inferiori a quelli raggiungibili nel caso essi fossero costanti.

o Dissociazione nei prodotti della combustione con assorbimento di calore.o Lavoro di pompaggio (area D)

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RENDIMENTO TERMICO IDEALERapporto tra lavoro del ciclo ideale e lavoro (calore)speso per ottenerlo

RENDIMENTO DEL CICLO INDICATORapporto tra l’area del ciclo indicato e quella del cicloteorico

Possiamo quindi definire:rendimento termodinamico ηW rapporto tra il lavoro che si sviluppa nel cilindro e il lavoro

(calore) speso per ottenerloηW η(�ηL= 0,33 0,45÷

rendimento meccanico ηP� 0,75 0,9÷ rapporto tra il lavoro utile e il lavoro delciclo indicato (dovuto ad attriti, organiausiliari, pompaggio)

Rendimento totale η ηWηP tra 0,2 e 0,4

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Motore a due tempi ciclo Otto

1) ASPIRAZIONE-COMPRESSIONEIl pistone sale comprimendo la miscelanella testa, mentre aspira nel carternuova miscela

2) COMBUSTIONE –ESPANSIONEIl pistone discende comprimendo lamiscela nel carter.

3) TRAVASO E SCARICONella sua discesa il pistone apre laluce di scarico, permettendol’evacuazione dei gas combusti, econsente alla miscela fresca dientrare nel cilindro attraverso la lucedi travaso.

4) COMPRESSIONEIl pistone nella sua risalita, chiude la lucedi travaso e quella di scarico e inizia acomprimere la nuova carica di miscela

Il lavoro utile è ottenuto in un solo ciclo, quindi il due tempi potrebbe erogare potenzadoppia rispetto a un corrispondente quattro tempi.

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Motore WankelTraiettoria di unafascia del rotore

ASPIRAZIONELa miscela è aspirata attraverso la luce diaspirazione dal rotore che si muove attornoall’ingranaggio centrale compiendo un’orbitaeccentrica

COMPRESSIONELa miscela è compressa tra le due tenuteposte in due spigoli consecutivi delrotore

COMBUSTIONELe due candele innescano la combustionedella miscela che espande, spingendo ilrotore in avanti

SCARICOI gas combusti fuoriescono attraverso la cameradi espansione

Per ogni rotazione vengono eseguiti tre cicli termodinamici completi, per cui un rotore Wankelequivale a un motore a tre cilindri a due tempi o a un sei cilindri a quattro tempi

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CURVA CARATTERISTICA

( ) ( )P: &ω ω ω=per cui la coppia motrice Cm(ω) rappresenta il coefficiente angolare di un fascio di rette spiccatedall’origine ai vari punti della curva caratteristica di potenza.

Per cui la coppia massima è quella per cui ( )

0PG&

G

ωω

= , espressione che esprime la condizione di

tangenza tra una retta appartenente al fascio e la curva caratteristica di potenza.

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Misura della curva caratteristica

La misura è del tipo indiretto in quanto misuriamo la coppia frenante per mantenere in regimeassoluto il motore alla velocità ω.Il più antico sistema di freno usato per la misura della caratteristica è il freno di Prony.

Consiste di una ruota di raggio r solidale all’albero motore e racchiusa tra le ganasce regolabili diun freno. Un braccio di lunghezza R, attaccato rigidamente al freno, è libero di muoversi entro unangolo limitato e all’estremità porta un peso F. Quando l’albero motore ruota, l’attrito tra la ruota ele ganasce del freno genera un momento che tende a far ruotare il braccio e che viene equilibrato dalpeso applicato all’estremità.A ogni giro dell’albero motore, il lavoro compiuto dalla forza tangenziale d’attrito I è pari a

2DWWULWR/ UIπ=

Il lavoro dissipato dal freno a ogni giro vale

2GLVVLSDWR/ 5)π=

pertanto la potenza effettiva alla velocità di regime assoluto ω è

P: 5)ω=

Il freno Prony non viene più usato a causa della difficoltà di smaltire il calore nelle ganasce chemodifica il loro coefficiente di attrito.

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I freni dinamometrici comunemente usati appartengono alle seguenti categorie:

o freni idraulici (i più diffusi);o freni elettrici;o freni aerodinamici.

La potenza viene calcolata tramite la seguente formula:

P: N)ω=

con P: calcolato in Cv

) misurato in kgω misurato in giri/min

La costante N, detta costante del freno, vale 716

5N = con 5 pari a 0,716m o a 1,432m in modo che

N sia pari a 1/1000 o 1/500.

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Freni idraulici

Sono i più diffusi. Tipi Froude e Schenk

Durante il funzionamento, viene immessa acqua nel rotore solidale con l’albero a gomiti del motore.La reazione che l’acqua oppone alla rotazione del rotore reagisce sullo statore producendo unacoppia eguale alla copia motrice; questa viene misurata per mezzo di una bilancia applicataall’estremità del braccio portato dallo statore.Variando la portata d’acqua, con una valvola a saracinesca, cambio la coppia frenante.

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Freni elettrici

Di due tipi:

o freno a correnti parassite;o freno elettrodinamico (o dinamo freno)

Freni aerodinamici

Usati più per il rodaggio che per misura in quanto la resistenza aerodinamica varia con lecaratteristiche fisiche dell’aria e non è possibile la variazione del carico a regime costante, a menodi non usare pale a passo variabile.