Motori a Combustione InternaA. Della Torre

Contenuti

1) Introduzione

2) Cicli3) Classificazione dei m.c.i.

4) Campi di impiego5) Parametri caratteristici 6) Prestazioni

Introduzione

I motori a combustione interna sono macchine motrici termiche, che convertono in lavoro meccanico la parte pi grande possibile dellenergia liberata bruciando combustibili entro la macchina stessa. Fluido di lavoro: aria + combustibile prima della combustione, prodotti dellossidazione del combustibile con aria dopo la combustione Confronto con le altre macchine motrici termiche: turbine a gas: combustione interna, elevata velocit periferica, flusso continuo, elevate portate, elevate potenze, macchine adiabatiche, perdite fluidodinamiche, molto esigente dal punto di vista dei combustibili turbine a vapore: combustione esterna, necessit di scambiatori di calore, accetta combustibili scadenti

Cicli

Ciclo Ideale: fluido ideale in macchina ideale Introduzione perdite dovute al comportamento reale del fluido Ciclo Limite: fluido reale in macchina ideale Introduzione perdite dovute alla macchina Ciclo Indicato: fluido reale in macchina reale

Ciclo IdealeFluido: gas perfetto a calori specifici costanti Macchina: Ideale Due Cicli: 1. Ciclo Otto 2. Ciclo Diesel

Ciclo OttoCiclo di Carnot:T

B

Tmin Tmaxs

A

Ciclo infinitesimo elementare:

Tmin TmaxA B

1 2 : compressione isoentropica 2 3 : riscaldamento isocoro 3 4 : espansione isoentropica 4 1 : raffreddamento isocoro

T1 1 T2

non dipende dalla Tmax

Ciclo DieselBCiclo di Carnot:T

Tmin Tmaxs

A

Ciclo infinitesimo elementare:

Tmin Tmax

1 2 : compressione isoentropica 2 3 : riscaldamento isobaro 3 4 : espansione isoentropica 4 1 : raffreddamento isocoro

Otto, B Diesel , B Otto, A Diesel

Otto, A Diesel , A Diesel , A Otto

Ciclo Otto vs Ciclo Diesel

a pari rapporto di compressione il ciclo Otto ha un rendimento pi alto di quello del ciclo Diesel nelle applicazioni tuttavia per i cicli Diesel si adottano rapporti di compressione pi alti e quindi generalmente le macchine operanti a ciclo Diesel sono pi efficienti di quelle a ciclo Otto

Ciclo LimiteFluido: Gas Reale Macchina: Ideale Caratteristiche di un gas reale:

1. Dissociazione ad alta temperatura: alle alte T i prodotti della combustione (CO2, H2O) subiscono una significativa dissociazione:

2CO2 2H2O

2CO O2 2H2 O2

Variazione del numero di molecole Messa in gioco di importanti calori di reazione

2. Calori specifici crescenti con la temperatura

Ciclo Limite

effetto dei calori specifici crescenti con la temperatura: lisocora di raffreddamento rimane inalterata mentre quella di riscaldamento diverge sensibilmente da quella ideale allestremit calda del ciclo il rapporto Tmax / Tmin minore rispetto a quello ideale penalizzazione del rendimento

Ciclo IndicatoFluido: Gas Reale Macchina: Reale Perdite della macchina reale: 1. Lavoro di pompaggio 2. Perdite fluidodinamiche 3. Perdite per refrigerazione Anticipo di apertura della valvola di scarico

Anticipo di accensione

Lavoro di pompaggio

Rendimenti

Rendimento ideale id: rapporto tra lavoro del ciclo ideale e calore entrante Rendimento indicato ind: rapporto tra lavoro indicato e lavoro ideale, a pari introduzione di calore Rendimento organico org: rapporto tra lavoro effettivo e lavoro indicato, a pari introduzione di calore

Rendimento globale: prodotto dei tre rendimenti, il rapporto tra lavoro effettivo e calore entrante

Lefftot

Q1

id

ind

org

Classificazione dei m.c.i.Criteri di classificazione: modo di avviare la combustione: ad accensione comandata o spontanea durata del ciclo: in quattro corse del pistone (4T) o in due (2T)

natura del combustibile usato: benzina, alcool, gasolio, olio combustibile, gas, doppio combustibile, poli-combustibile alimentazione dellaria: aspirato, sovralimentato, turbocompresso alimentazione del combustibile: carburazione o iniezione (diretta o indiretta)

regolazione del carico: variazione della composizione della miscela, variazione della quantit di carica, combinazione dei due metodi tipo di moto delle parti del motore in movimento: alternativo, rotatorio, oscillante sistema di raffreddamento: ad aria o a liquido

Modo di avviare la combustione

Motori ad accensione comandata (Otto): la miscela di aria e vapori di benzina viene accesa da una scintilla fatta scoccare tra gli elettrodi di una candela, realizzando una combustione molto rapida (idealmente a volume costante) Motori ad accensione spontanea (Diesel): il combustibile viene iniettato, finemente polverizzato, in seno allaria calda e compressa in modo da provocarne lautoaccensione e dare origine a una combustione lenta e graduale (idealmente a pressione costante)

Regolazione del carico su motori Otto e DieselLa regolazione del carico avviene secondo due modalit diverse: motori Otto: il carico viene regolato riducendo la quantit di miscela aspirata, mentre il rapporto aria combustibile rimane praticamente costante. La regolazione avviene tramite la valvola a farfalla, che strozza il condotto di aspirazione introducendo una perdita di carico e determinando un lavoro di pompaggio motori Diesel: la regolazione del carico avviene variando la quantit di combustibile iniettato, mentre per quanto riguarda laria il motore funziona sempre a piena ammissione

Motore Diesel VS Motore Otto Vantaggi: 1. Miglior rendimento globale: a causa dei pi elevati rapporti di compressione necessari per ottenere lautoaccensione 2. Meno rapido peggioramento del rendimento al diminuire del carico: la regolazione del carico avviene variando il rapporto aria combustibile 3. Maggiore coppia massima a parit di potenza sviluppata (poich il regime di rotazione pi basso) Svantaggi: 1. Pi elevato rapporto peso/potenza: dovuto ai pi alti rapporti di compressione 2. Maggior lentezza del processo di combustione: impedisce il raggiungimento di alti regimi di rotazione 3. Ruvidezza della combustione: causa di vibrazioni della struttura del motore e maggiore rumorosit

Campi di applicazione motori Otto e Diesel motore Otto: indicato nel campo delle basse potenze (mezzi di trasporto leggeri), in tutte quelle applicazioni dove sono importanti elevata potenza specifica, leggerezza, contenute dimensioni, dolcezza di funzionamento motore Diesel: indicato in tutte quelle applicazioni in cui il costo di esercizio del motore risulta prevalente rispetto ai problemi di peso ed ingombro: campo delle potenze medio alte (trasporti pesanti, mezzi agricoli, macchine per il movimento terra, impianti fissi di generazione di potenza) nel campo dellautotrazione negli ultimi anni si registrato un forte incremento della quota di mercato dei Diesel: questo dovuto allaumento della loro potenza specifica (grazie alla sovralimentazione) e al miglioramento del processo di combustione (grazie alla tecnologia commonrail)

Durata del ciclo: motori a 4T

Durata del ciclo: motori a 2T

Motore 2T vs Motore 4T Vantaggi: 1. Pi alta potenza specifica 2. Maggiore semplicit costruttiva 3. Maggiore uniformit della coppia motrice Svantaggi: 1. Pi basso rendimento, poich la fase di espansione sacrificata nella sua parte finale 2. Meno buono ricambio del fluido 3. Maggiori sollecitazioni termiche e meccaniche degli organi del motore 4. Problemi di inquinamento (solo Otto): rilascio di incombusti

Campi di applicazione motore 2T Motore a 2T ciclo Otto: trova applicazione nel settore delle basse potenze globali (motocicli e gruppi portatili), grazie alla sua semplicit costruttiva e allelevata potenza specifica

Motore a 2T ciclo Diesel: trova applicazione nel settore delle potenze molto grandi (propulsori di grosse navi, generatori fissi di potenza, locomotive). Oltre ai vantaggi tipici (elevata potenza specifica e semplicit costruttiva) si aggiunge la possibilit, in un Diesel lento, di effettuare un buon lavaggio del cilindro con sola aria, di aumentare il rendimento con la sovralimentazione, di utilizzare combustibili scadenti.

Parametri Caratteristici dei m.c.i

1) Grandezze geometriche e cinematiche 2) Coppia e potenza effettive 3) Rendimento organico

4) Consumo specifico di combustibile5) Coefficiente di riempimento

Grandezze geometriche e cinematiche Alesaggio: D Corsa: Sezione trasversale del cilindro: Cilindrata unitaria: Rapporto volumetrico di compressione: Velocit di rotazione dellalbero motore: Frequenza del ciclo:

Grandezze geometriche e cinematiche rapporto raggio di manovella/lunghezza di biella:= Caratterizza il moto del pistone e influenza le forze scambiate dal pistone con le pareti e con la biella: in particolare nelle equazioni di moto moltiplica le forze inerziali del secondo ordine. Valori tipici: 0.25-0.35 per motori di piccola/media cilindrata 0.10-0.20 per grandi motori marini

Grandezze geometriche e cinematiche spostamento del pistone:

velocit media del pistone:

accelerazione del pistone:

Grandezze geometriche e cinematiche

Grandezze geometriche e cinematiche velocit media del pistone: relativa ad un giro completo di albero motore

Caratterizza: 1. Perdite fluidodinamiche nel processo di sostituzione del fluido 2. Forze dinerzia sui principali accoppiamenti cinematici 3. Perdite energetiche per flusso di calore verso il sistema di raffreddamento

Tipici valori della velocit media del pistone sono: 27 m/s per motori da corsa 10-24 m/s per motori benzina per autovetture 12-16 m/s per motori Diesel per autovetture 8-14 m/s per motori Diesel da trasporto (sovr.)

Grandezze geometriche e cinematiche rapporto alesaggio/corsa: in base a questo parametro si classificano: motori con rapporto alesaggio/corsa 1 (square engine): tipici motori per autovettura (0.95 1.04) motori con rapporto alesaggio/corsa > 1 (corsa corta o over square): motore di caratteristiche sportive:- a pari up possibili regimi di rotazione pi elevati - possibile adottare valvole pi grandi - minore attrito tra canna e pistone - albero a gomiti pi robusto - problemi di detonazione

motori con rapporto alesaggio/corsa < 1 (corsa lunga o under square): motori lenti (marini):- camera di combustione compatta, minori problemi di detonazione - impiegato quasi solamente per motori marini

Coppia e potenza effettive

Lavoro ideale

Lavoro limite

Lavoro indicato

Misurazione nella camera di combustione

Lavoro effettivo

Rilevamento allalbero

Coppia e potenza effettive

Grandezze indicate Pressione istantanea nel cilindro: rilevata con un trasduttore di pressione (candela strumentata) Volume istantaneo del cilindro: determinato a partire dalla posizione angolare dellalbero e dei parametri geometrici (r, )

lavoro motore

lavoro motore

lavoro di pompaggio

Lavoro e potenza indicate lavoro indicato per ciclo: lavoro ceduto dal fluido di lavoro al pistone

potenza indicata: prodotto tra il lavoro indicato per ciclo e la frequenza del ciclo ( = 1 per 2T, = 2 per 4T )

Pressione media indicata E un parametro che esprime il lavoro indicato per ciclo per unit di cilindrata:

La pmi permette un confronto tra motori aventi cilindrate diverse Significato fisico: pressione che se agisse sul pistone per la sola intera corsa di espansione produrrebbe tutto il lavoro del ciclo indicato

Grandezze indicate Legame tra pmi e potenza indicata: nota (o stimata) la pmi possibile conoscere la potenza indicata di un motore

Rendimento indicato del motore: rapporto tra la potenza indicata e la potenza termica fornita attraverso il combustibile

Indice dellefficienza con cui il calore sviluppato dal combustibile convertito nel lavoro meccanico compiuto dalla pressione dei gas sul pistone

Rendimento organico Rendimento organico: coefficiente che permette di passare dalle grandezze indicate a quelle effettive

tiene conto del fatto che parte della potenza ceduta dal fluido di lavoro al pistone deve essere spesa per vincere gli attriti nei principali accoppiamenti cinematici e per trascinare gli accessori al ridursi del carico aumenta il peso percentuale degli attriti e degli accessori

al crescere della up aumenta la potenza dissipata per gli attriti

Pressione media effettiva Pressione media effettiva: lavoro effettivo per ciclo allunit di cilindrata

D una misura dellefficienza con cui il progettista riuscito a sfruttare la cilindrata del motore per un dato regime di rotazione.

Legame tra pme e potenza effettiva: stimata la pme possibile stimare la potenza effettiva di un motore

Consumo specifico di combustibile Durante le prove al banco-freno si rilevano anche le portate in massa di aria aspirata e quelle di combustibile impiegate per produrre la potenza effettiva si definisce dosatura il rapporto in massa aria/combustibile: dipende da: caratteristiche del combustibile tipo di regolazione della potenza impiegato sistema di miscelamento aria/combustibile valori tipici: = 12-18: motori Otto a benzina, regolazione della potenza tramite variazione della massa di miscela aria-benzina aspirata = 18 -70: motori Diesel a gasolio, regolazione della potenza tramite variazione del rapporto aria/combustibile

Consumo specifico di combustibile consumo specifico di combustibile riferito allunit di lavoro effettivo prodotto [g/kWh]: consumo specifico di energia riferito allunit di lavoro effettivo prodotto (adimensionale):

rendimento globale del motore (reciproco del consumo specifico di energia):

Valori tipici di

:

0.30-0.40: Otto per autotrazione 0.40-0.50: Diesel per trazione pesante 0.45-0.55: Diesel (sovr) per impianti fissi

Coefficiente di riempimento Coefficiente di riempimento: caratterizza il processo di ricambio della carica allinterno del cilindro

rapporto tra la massa daria effettivamente aspirata nel cilindro e la massa massima teoricamente introducibile per la definizione della massa teorica si pu fare riferimento alle condizioni dellaria : - nel condotto di aspirazione, a monte della valvola di aspirazione - nelle condizioni ambiente il coefficiente di riempimento d una misura del grado di sfruttamento della cilindrata, ma non fornisce alcuna indicazione sul rendimento con il quale viene effettuata la conversione si deve tenere presente che gli interventi atti a variare il coefficiente di riempimento (es: la parzializzazione) modificano generalmente anche il rendimento

Prestazioni dei motori Le prestazioni dei motori sono descritte attraverso le curve di potenza e coppia in funzione dei parametri operativi del motore I parametri operativi in un motore a combustione interna sono due: regime di rotazione dellalbero motore carico imposto dallutilizzatore Il carico viene imposto agendo sullorgano di regolazione (acceleratore) , che pu regolare la massa di miscela aria-benzina aspirata (Otto, tramite la valvola a farfalla) o la massa di combustibile iniettata (Diesel, agendo sulla pompa di iniezione) Quindi: fissato il regime la potenza prodotta dipende dal carico imposto. Esempio: marcia in discesa, carico nullo: potenza assorbita marcia in salita, carico imposto: potenza erogata

Prestazioni dei motori: potenza e coppia le curve di potenza e coppia sono funzione del regime e del carico generalmente le curve vengono fornite in corrispondenza del carico massimo

Otto, 3123cc

Diesel, 2967cc

Accoppiamento del motore con lutilizzatoreTre casi tipici: Caso 1: lutilizzatore richiede una velocit di rotazione costante con una coppia variabile dal minimo al massimo valore (es: generatore elettrico) Caso 2: lutilizzatore richiede una coppia crescente con il quadrato del regime di rotazione (es: elica marina, turbopompa, ventilatore)

Caso 3: vengono richiesti valori estremamente variabili di coppia e di potenza, prontezza di risposta e stabilt di funzionamento (trazione stradale)Soluzioni:

Caso 1: motori pluricilindri, grosso volano, consumo di combustibile ottimizzato per il particolare regime di rotazioneCaso 2: si cerca di adattare il numero di giri del motore a quello ottimale per la maccchina, cercando di evitare linterposizione di riduttori/moltiplicatori. Es: motori marini Diesel 2T con regime di rotazione di 1-2 giri/s

Motori per autotrazione: curva ideale Un motore ideale per autotrazione dovrebbe fornire alle ruote una potenza utile costante al variare della velocit del veicolo: Pe = (Fm)opt v = costante

curva resistente: Curva motore idealeCurva resistente Pendenza stradale Resistenza areodinamica R = R0 + R0 v2

Curva motore reale

Motori per autotrazione: trasmissione a pi rapporti Limpiego di una trasmissione a pi rapporti permette di avvicinare la curva della forza trasmessa alle ruote alla curva ideale

Esempi di curve motore

Motore elastico, potenza massima non elevata

Motore di caratteristiche sportive: poco elastico, elevata potenza massima

Consumo specifico di combustibile si esprime in funzione del regime di rotazione e del carico (espresso tramite la pme)

Motore Otto potenza max

Perdite termiche

Perdite organiche e termiche Perdite per attriti potenza max

Consumo specifico di combustibileMotore Diesel

Influenza della riduzione del carico sul consumo specifico di combustibile nei motori Otto