MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TEORICI D11

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L’Unità DiDattica in breve D1

Principi di funzionamento dei motori endotermici

Nei motori endotermici l’energia chimica posseduta dal combustibile viene trasformata dapprima in energia termica mediante la combustio-ne, poi in energia meccanica.

La combustione tra combustibile e comburente (carica dei gas fre-schi) avviene all’interno del motore e il fluido che esegue la combustione è il medesimo che aziona l’organo mobile del motore, che può essere ro-tante (turbina) o alternativo (motore a pistoni).

Si definisce carica dei gas freschi la miscela aria-combustibile in-trodotta all’interno del motore per eseguire un ciclo completo.

Si definisce fluido operativo l’insieme dei prodotti della combustio-ne; essi costituiscono un fluido ad alta pressione e ad alta temperatura, cioè a elevata entalpia; questo fluido agisce sull’organo meccanico mobi-le interno al motore.

Nel caso del motore alternativo l’organo mobile è il pistone, nel caso del motore rotante a turbina è la paletta.

Una variante del motore alternativo con biella e manovella è il mo-tore Wankel, il cui pistone ruota eccentrico intorno all’albero motore. I motori a getto o endoreattori generano la spinta in seguito all’espansio-ne dei gas combusti nell’ugello di scarico.

architettura del motore endotermico alternativo

Per trasformare il moto da alternativo in rotante, si impiega il siste-ma biella-manovella. L’albero motore presenta una serie di manovelle orientate fra loro. Su ogni perno di manovella è montata la biella, a sua volta imperniata con il pistone su cui agisce la pressione dei gas. L’im-biellaggio è ospitato in un basamento, su cui è montata la testata con il castello valvole.

Le valvole di aspirazione e scarico, comandate da assi a camme, met-tono in contatto la camera di combustione con i collettori di aspirazione e di scarico.

Le grandezze caratteristiche sono:— alesaggio;— corsa;— cilindrata unitaria e totale;— volume della camera di scoppio;— rapporto di compressione.

classificazioni dei motori endotermici alternativi

L’enorme varietà di realizzazioni dei motori endotermici comporta l’esi-genza di stabilire categorie di classificazione, basate su diversi criteri di confronto ed elencate di seguito.

In base al tipo di accensione del combustibile, si distingue fra motori a scintilla o per compressione.

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In base al ciclo operativo si distingue fra motori a due o a quattro tempi.

In base allo svolgimento della combustione si hanno motori in cui la combustione avviene a volume costante (ciclo Otto), a pressione costante (ciclo Diesel), mista a volume e a pressione costante (ciclo Sa-bathè).

In base al sistema di alimentazione del combustibile si distin-gue fra motori AS (per carburazione) e motori AC (per iniezione).

In base al sistema di alimentazione dell’aria comburente il mo-tore può essere aspirato o sovralimentato.

In base al combustibile si distingue fra motori alimentati a benzi-na o a gasolio.

In base al tipo di raffreddamento che può essere a liquido o ad aria.In base al sistema elettrico di accensione nei motori AS, ovvero

a batteria e spinterogeno oppure di tipo elettronico statico.In base al sistema di iniezione nei motori AC, che può essere a

iniezione diretta o indiretta.In base al tipo di impiego, ovvero per impianti fissi, autotrazione,

propulsione navale o per aeromobili.In base alla disposizione dei cilindri si distingue fra motori mono

o pluricilindrici, in linea o a V.In base al regime di funzionamento si hanno motori lenti, medi

o veloci.

cicli teorici dei motori endotermici

I cicli ideali godono di diverse proprietà, le più importanti delle quali sono indicate di seguito:— sono cicli chiusi, ideali, percorsi da 1 kg d’aria che si comporta da gas

ideale; — gli scambi di calore con il termostato superiore e con il termostato

inferiore avvengono senza trasporto di materia;— lo studio dei cicli ideali prescinde dalle dimensioni del motore che lo

esegue, dal parametro tempo e dai moti degli organi interni.

ciclo ideale Otto - beau de rochas

Il ciclo Otto è formato da una compressione adiabatica, un’introdu-zione di calore isovolumico, un’espansione adiabatica e uno scarico di calore isovolumico. Il rendimento è funzione non lineare del rapporto volumetrico di compressione.

ciclo ideale Diesel

Il ciclo Diesel è formato da una compressione adiabatica, un’introdu-zione di calore isobarico, un’espansione adiabatica e uno scarico di calore isovolumico. Il rendimento è funzione non lineare del rapporto volumetri-co di compressione e del rapporto di combustione a pressione costante τ '.

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ciclo ideale Sabathè

Il ciclo Sabathè è formato da una compressione adiabatica, due introdu-zioni di calore, una isovolumica e una isobara, un’espansione adiabatica e uno scarico di calore isovolumico. Il rendimento è funzione non lineare del rapporto volumetrico di compressione, del rapporto di combustione a pressione costante τ ' e del rapporto di combustione a volume costante τ.

cicli ideali a confronto

A pari rapporto di compressione e a pari calore introdotto, il ciclo Otto ha il rendimento ideale maggiore rispetto a quello del ciclo Diesel. In pratica, mentre nei cicli Otto di solito non si supera il valore ρ = 10, nei cicli Diesel e Sabathè esso si situa fra 15 e 23, pertanto i motori a ciclo Sabathè raggiungono i rendimenti maggiori. Fra tutti i cicli operanti fra il medesimo intervallo di temperature, il ciclo di Carnot raggiunge i rendimenti massimi. Per ottenere i rendimenti più elevati, nei cicli dei motori endotermici occorre raggiungere i più alti valori di pressione e temperatura, facendo svolgere ai gas la più ampia espansione possibile, in modo da riversare nell’ambiente la minore quantità di calore attra-verso i fumi di scarico.

Pressione media

La pressione media è definita come rapporto fra il lavoro Ltot, erogato dalla massa m di gas che esegue il ciclo ideale, e la cilindrata spazzata dal pistone durante una corsa. Il lavoro Ltot è pari al prodotto del lavoro unitario L per la massa m della carica dei gas freschi. La pressione me-dia è quel valore di pressione costante che, se esercitata sul pistone du-rante tutta la corsa di espansione, produce una quantità di lavoro pari al lavoro rappresentato dall’area racchiusa dal ciclo.

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Una massa di 1 kg d’aria esegue un ciclo Diesel ideale. Nel punto 1 di ini-zio della compressione adiabatica, la pressione vale p1 = 1,05 bar, mentre la temperatura vale T1 = 292 K; il rapporto volumetrico di compressione è ρ = 20,5. Il rapporto di combustione a pressione costante vale τ ' = 2,7. Calcolare i valori di p, v e T per tutti i punti del ciclo e con essi compilare una tabella riassuntiva simile alla tabella 1.3.

Utilizzando i valori di p, v e T dell’esercizio precedente, calcolare i valo-ri dei calori scambiati, del lavoro ideale L e del rendimento η.

Calcolare il rendimento di un ciclo Sabathè, noti il rapporto volumetrico di compressione ρ = 21, il rapporto di combustione a pressione costante τ ' = 2,7 e il rapporto di combustione a volume costante τ = 3,4.

Durante il funzionamento a carico parziale, il motore per autocarro Cursor 10 IVECO eroga un lavoro ideale Lid = 824 kJ/kg, con pressione media pm = 16 bar, secondo un ciclo ideale di tipo Sabathè; la carica dei gas freschi introdotta a ogni ciclo vale m = 200 g. Calcolare la cilindrata spazzata, l’alesaggio A e la corsa C, sapendo che il motore è un sei cilin-dri, con rapporto corsa/alesaggio pari a 1,12.

Punto Grandezza fisica p [bar] v [m3/kg] T [K] 1 0,95 297 2 3 3305,4

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Tabella 1.3 Valori di pressione, volume massico e temperatura per i quattro punti caratteristici di un ciclo Otto

PrObLeMi Di riePiLOGO D1

Il motore automobilistico 940 A2 (Fiat Powertrein Technologies), della vettura Alfa Romeo modello MiTo, ha quattro cilindri in linea con alesag-gio A = 72 mm e corsa C = 84 mm. Il rapporto volumetrico di compressio-ne vale ρ = 9,8. Calcolare la cilindrata totale del motore V e il volume della camera di scoppio Vcc, espresso in centimetri cubi.

Una massa di 1 kg d’aria esegue un ciclo Otto ideale. Nel punto 1 di inizio della compressione adiabatica la pressione vale p1 = 0,95 bar, mentre la temperatura vale t1 = 24 °C; il rapporto volumetrico di com-pressione è ρ = 8,7; nel corso dell’isovolumica, compresa fra i punti 2 e 3, viene introdotto il calore unitario Q1 = 1780 kJ/kg. Calcolare i valori di p, v e T per tutti i punti del ciclo.

Nella tabella 1.3 sono riportati alcuni valori di pressione, volume mas-sico e temperatura per 1 kg d’aria che esegue un ciclo Otto ideale 1-2-3-4-1. Il rapporto volumetrico di compressione è ρ = 9,2. Calcolare i valori mancanti nella tabella, i calori unitari scambiati e le variazioni di entropia.