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Motori alternativi a combustione interna - Cicli termodinamici

tecnica




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Motori alternativi a                 combustione interna

9.1 Generalità

Con questa denominazione si indicano quelle macchine volumetriche, termiche, motrici, alternative nelle quali la combustione avviene all'interno del fluido motore: esse richiedono pertanto che ad ogni ciclo il fluido venga rinnovato e sono quindi dotate di un apparato di distribuzione. Le macchine volumetriche, operative o motrici, hanno un funzionamento che si basa sulla presenza di almeno una camera a volume variabile (ciclicamente) entro cui il fluido operante compie le sue trasformazioni.

La combustione interna alla macchina motrice vera e propria comporta conseguenze sia positive che negative:

positive:

- semplificazioni per l'assenza di scambiatori di calore;

- minor numero di luoghi di perdita.

negative:

- limitazione sulla scelta di combustibile e loro dosatura con l'aria (niente solidi, la combustione deve essre veloce);

- complicazioni legate al rinnovo del fluido e all' introduzione del comustibile;

- perdite particolari: cessione calore alle pareti; durata della combustione; presenza di incombusti.




Per i motori alternativi a combustione interna le classificazioni fondamentali sono quelle basate sulle caratteristiche di funzionamento.

Nei motori alternativi a combustione interna la parete che lavora (stantuffo) ha un moto rettilineo alterno, mentre è fisso l'insieme di pareti di chiusura della camera (cilindro).

Il moto e il lavoro dello stantuf 737e45h fo vengono trasmessi all'albero motore attraverso il cinematismo biella-manovella.

figura 9.1


I motori si distinguono a seconda che i cilindri siano dosposti in linea (assi paralleli) a V semplice o multiplo (assi contenuti in due o più semipiani) a stella semplice o multipla.

Delle dverse classificazioni possibili una permette di separare in due grandi classi tutti i motori a c.i. ed è quella basata sul tipo di accensione adottato:

motori ad accensione comandata;

motori ad accensione per compressione.

La prima classe è detta anche dei motori a benzina o a combustione o a propagazione di fiamma; la seconda è anche detta dei motori a nafta o gasolio o a iniezione oppure a combustione graduata dall'iniezione.

Per brevità di linguaggio le due classi di motori vengono sovente indicate anche, con riguardo al loro inventore più famoso, come motori a ciclo Otto e motori a ciclo Diesel o Sabathè. Un'ultima distinzione, di tipo cinematico - funzionale, si basa sul numero di tempi o corse che lo stantuffo deve compiere per completare il ciclo di lavoro:

motori a 2 tempi (2T);

motori a 4 tempi (4T).

9.2 Cicli termodinamici

Nei motori a c.i. non si svolgono a rigore cicli termodinamici ma trasformazioni aperte e volendo parlare di cicli occorre far riferimento ai cicli di lavoro. E'conveniente ragionare anche in termini di cicli termodinamici ideali. Essi si collegano ai cicli di lavoro limite mediante criteri di equivalenza fra trasformazioni, basati sull'uguaglianza di alcuni parametri caratteristici e delle quantità di energia messe in gioco.

Dalla termodinamica è noto che se si dispone di due sorgenti di calore a differente temperatura, il ciclo ideale di massimo rendimento è quello di Carnot. Nei motori a c.i. si ha a che fare con trasformazioni monotermiche, si dispone cioè della sola sorgente a bassa temperatura che è l'atmosfera.

Non esiste in pratica una limitazione sulla temperatura massima della combustione in quanto il motore, grazie alla sua inerzia termica, risente del valore medio della temperatura del ciclo e non del suo massimo.

Le pareti del cilindro sono refrigerate e pertanto ci sarà un salto di temperatura tra gas e pareti (coefficente di scambio termico elevato tra pareti e liquido refrigerante, basso fra gas e pareti). Con temperature medie del ciclo di 700 900 °C si riesce ad avere a parete una temperatura tra 150 250 °C, fino a 300 °C (esclusa la valvola di scarico).

Da quanto sopra si deduce che, con una adeguata lubrificazione e refrigerazione, conviene lavorare con il massimo valore di temperatura.


figura 9.2


In figura 9.2 dopo la adiabatica di compressione possiamo considerare le trasformazioni isocora e isobara per la fase di combustione.

Si hanno le due seguenti limitazioni.


a) limitazione sulla p2

Serve per motori a carburazione, con accensione comandata, per evitare temperature troppo elevate e quindi accensione spontanea. In questo caso la trasformazione migliore è la più rapida possibile, quindi la isocora v. Infatti, analizzando la figura 9.3:


figura 9.3


a parità di calore introdotto:

Q1v area 1023'40'

Q1p area 102340


La quantità di calore sottratto risulta: Q2p > Q2v

La parte in eccesso è l'area 40'4'440; si ottiene un rendimento: = 1 -

b) limitazione sulla pmax (sollecitazione meccaniche al motore)


figura 9.4


Con riferimento alla figura 9.4 si ottiene:

Q1v = Q1p

Q1v area 102'3'40'

Q1p area 102340


La quantità di calore sottratta risulta: Q2v > Q2p

Quindi si ha il miglior rendimento per una introduzione di calore alla pressione massima. Questi cicli così schematizzati non son attuabili in quanto 4-1 è una compressione isoterma, attuabile molto lentamente per cui in una macchina alternativa n 0 con potenza 0, pur con un ciclo ottimo. La trasformazione 4-1 viene sostituita con una isocora, che permette di avere corse uguali per la fase di espansione e di aspirazione.

I cicli fondamentali, ottimi da realizzare, sono:


figura 9.5a - limitazione pmax ciclo Diesel

figura 9.5b - limitazione pmax ciclo Diesel



figura 9.6a - limitazione p2 ciclo Otto


figura 9.6b - limitazione p2 ciclo Otto


Il ciclo Sabathè è un ciclo che nasce dal Diesel per motori veloci, in quanto si ha una combustione a v cost, ed arrivati alla pmax si cerca di avere l'ulteriore combustione a p=cost.




figura 9.7


Si può dimostrare che il rendimento del ciclo Sabathè, che può essere considereato un caso generale dei due cicli, è espresso da:

id = 1 - = 1 - f(, ',K)

dove = è il rapporto volumetrico di compressione in cui Vmax = V + Vmin con V cilindrata e Vmin volume di spazio morto;

= rapporto di combustione v = cost.;

'= rapporto di combustione p = cost.


Per '= 1 allora f(, ',K) = 1 segue che per il ciclo Otto: id = 1-

Al crescere di ,' la f(...) cresce, mentre il rendimento decresce.

Un andamento qualitativo della dipendenza di id da è dato dal diagramma:


figura 9.8

Passaggio dal caso ideale a quello reale

Si effettua in due tempi:

1. da ciclo idale e fluido ideale a ciclo ideale con fluido reale (aria);

2. da ciclo ideale con aria a presenza di combustibile nella miscela (ciclo reale).


Nella fase 1 si tiene conto del fatto che il fluido motore è aria e pertanto non osserva le leggi dei gas perfetti:

cp e cv sono funzioni della temperatura, f(T);

R varia tra prima e dopo la combustione;

durante la reazione di combustione si verifica il fenomeno della dissociazione.

Nella fase 2 si considerano le perdite proprie del ciclo reale:

perdite per imperfetta carburazione;

presenza di scambi termici con le pareti;

ricambio del fluido motore;

potenza persa per effetto degli attrirti.

9.2.1 Ciclo di lavoro indicato

Il ciclo di lavoro indicato di un motore a 4 tempi consta di sei fasi:

figura 9.9


1. Aspirazione 6A - 1 Lo stantuffo "scendendo" genera un volume che viene occupato dalla carica che nel ciclo Otto è rappresentata dalla miscela aria + combustibile; mentre nel ciclo Diesel è l'aria.

2. Compressione 1 - 2 Lo stantuffo, risalendo a valvole chiuse, comprime la carica entro la camera di combu- stione.

3. Combustione 2 - 3 Prima che lo stantuffo raggiunga il punto morto superiore (PMS) viene comunicata l' accensione (motori Otto) o viene iniettato il combustibile (motori Diesel - Sabathè). La combustione richiede un certo tempo e si completa quando lo stantuffo sta scendendo.

4. Espansione 3 - 4 A valvole ancora chiuse, i gas combusti si espandono facendo scendere lo stantuffo.

5. Scarico (spontaneo) 4 - 5 La valvola di scarico si apre con un certo anticipo rispetto alla fine della corsa di espansione e permette la fuoriuscita di gran parte dei gas combusti che si trovano a pressione superiore di quella esterna.

6. Espulsione 5 - 6s Nel suo moto di risalita lo stantuffo espelle i gas residui che riempiono ancora il cilindro alla pressione esterna; rimangono soltanto quelli contenuti nello spazio morto.


Il tratto 6A - 6s è comune alle due fasi di aspirazione e di espulsione: questa

sovrapposizione è richiesta unicamente per potere sfruttare al massimo le linee di passaggio delle valvole nel tratto utile della corsa utile dello stantuffo.

Le varie fasi del ciclo sono messe i nrilievo qualitativamente nel giagramma della distribuzione, che indica gli anticipi i posticipi di apertura e chiusura delle valvole di aspirazione e scarico.

Il ciclo indicato di un motore a 2 tempi consta anch'esso in generale di sei fasi.

Le figure 9.10 9.14 riportano gli schemi dei motori trattati.


[Figure su fogli a parte]

figura 9.12 a - motore a ciclo Otto figura 9.12 b - motore a ciclo Diesel

figura 9.13 - configurazioni degli organi mobili di un motore a 4 tempi

durante le diverse fasi del ciclo di lavoro: A, valvola

di aspirazione; S, valvola di scarico

figura 9.14

figura 9.15 - configurazioni degli organi mobili di un motore a 2 tempi

durante le diverse fasi del cilo di lavoro: A, luce di ali-



mentazione; C, luce di carica; S, luce di scarica.

9.3 Costituzione dei motori alternativi

In tutte le diverse costituzioni dei motri alternativi a c.i. si possono distinguere le seguenti parti:

il cilindro, costituito da una cassa esternamente alettata nel caso di raffreddamneto ad aria, o non alettata; in questo secondo caso è presente un involucro che crea l'interca- pedine per il liquido refrigerante;

la testata che chiude superiormente il cilindro;

l'incastellatura che collega il liquido con il basamento;

il basamento su cui si scaricano le forze di inerzia del manovellismo e le forze dovute alle pressioni dei gas; nelle strutture leggere il basamento può ridursi ai supporti di banco, che sono "appesi" alla parte inferiore dell'incastellatura;

lo stantuffo che è la parete della camera mobile;

la catena cinematica che ha il compito di trasmettere il lavoro all'albero motore;

la coppa dell'olio che chiude inferiormente il carter e ha lo scopo di raccogliere l'olio di lubrificazione della camera del cilindro.


[Figure su fogli a parte]

figura 9.16 - disegno in sezione di un motore Chrysler 2.2 litri ,4 cilindri


I motori comprendono inoltre numerosi altri organi che sono:

l'apparato della distribuzione che ha il compito di provvedere, all'istante voluto, al rin- novo del fluido motore;

l'apparato della alimentazione del combustibile

- a iniezione;

- a carburazione;

l'apparato di alimentazione limitatamente al moto ad accensione comandata;

l'apparato di lubrificazione che provvede a fornire il lubrificante nei punti e nella quanti- tà stabilita;

l'apparato di refrigerazione che ha il compito di provvedere al raffreddamento delle pareti della camera;

il dispositivo di avviamento.


Prestazioni dei motori alternativi a combustione interna

Il lavoro utile del ciclo è pari a: Lc = u Mb Hi

dove: u è il rendimento utile;

Mb è la massa di combustibile introdotta nel ciclo;

Hi è il potere calorifico inferiore del combustibile.


La potenza utile, per un motore dotato di i cilindri, vale: Pu = i Lc nc

dove nc = è il numero di cicli all'unità di tempo. Nella formula n è il numero di cicli al secondo; mentre m = 1 se il motore è a 2 tempi e m = 2 se il motore è a 4 tempi.

Introducendo la dosatura del combustibile: =

si ottiene: Pu = u i Hi


Definiamo il coefficente di riempimento v per un motore (espressione esatta per motore alimentato da sola aria): v =

dove:

Ma è la massa che ad ogni ciclo alimenta la macchina;

a è la massa volumica del fluido nelle condizioni esterne;

V è la cilindrata.


Il prodotto aV è la massa teoricamente operante nella corrispondente macchina ideale.

Quindi l'espressione della Pu diventa: Pu = u i Vv

Le prestazioni di un motore volumetrico vengono caratterizzate, oltre che dalla potenza utile e dal rendimento utile, dalla pressione media effettiva pmc, la quale rappresenta il lavoro utile per unità di cilindrata e per ciclo:


pmc = = u v = u v


e utilizzando questa espressione, la Pu è data da:

Pu = pmc i V

E'utile osservare che la pmc è proporzionale alla coppia motrice C; infatti:

Pu = C = pmc i V



C = pmc i V = pmc


un altro parametro di interesse motoristico è il consumo specifico di combustibile qb dato da: qb = =

9.4 Curve caratteristiche

Le prestazioni di un motore alternativo ad accensione comandata si sintetizzano nei diagrammi di coppia, di potenza ed eventualmente di consumo specifico, in funzione della velocità angolare, con grado di parzizalizzazione della valvola a farfalla costante, in particolare massimo, e con riferimento alle condizioni di aspirazione normalizzate (760 mmHg e 20 °C). Questo diagramma prende il nome di carratteristica meccanica.

Si parla invece di caratteristica di regolazione del motore (soprattutto per i motori a ciclo Diesel di impiego stazionario) per il diagramma che riporta, a numero di giri costante, l'andamento del rendimento utile (o di qb) al variare della posizione del regolatore (ovvero di Pu o pmc).


Caratteristica meccanica


figura 9.16


La posizione del regolatore rimane fissa (pedale dell'acceleratore che comanda la valvola a farfalla).

Un impiego industriale ottimale del motore è quello a potenza utile costante al variare di n.

Una caratteristica di questo tipo non andrebbe bene per la trazione in quanto la coppia è iperbolica, con C per n 0, quindi dovrebbe intervenire un regolatore di coppia.

In figura 9.17 è riportato l'andamento della caratteristica meccanica del motore a ciclo Otto:

figura 9.17


Con riferimento alla figura 9.17:

nmin: autosostentamento;

nmax: sollecitazioni.


Caratteristica di regolazione


figura 9.18


Il carico del motore è rappresentato dalla coppia resistente (ovvero C o Pu, essendo n costante).

La curva cotrassegnata con la lettera a) è la caratteristica ideale.

Per un punto A generico appartenente alla caratteristica b):

tg = =

La linea OR rappresenta la regolazione limite, corrispondendo a tg = 1, mb = mb0, pur con Pu < Pu0.

9.5 Cenni sulla sovralimentazione dei motori a c.i.

La sovralimentazione è il metodo più razionale per aumentare la potenza e la pmc di un motore alternativo a combustione interna.

Pu = pmc i V

pmc = u v

dove:

dipende dal combustibile, sua reperibilità, caratteristiche,ecc. E'costante per i combustibili di possibile impiego civile;

u max: si riescono solo a ottenere lievi migioramenti affinando il progetto del motore;

v max: dimensione e numero di valvole di aspirazione (carica) e scarico (gas residui);

va: cambiando l'ambiente da cui aspira il motore, aumentando la densità massica a = , si ottiene una maggiore pmc.


Per aumentare a si agisce fondamentalmente sulla pressione dell'ambiente di alimentazione (le conseguenti variazioni di T sono poco favorevoli).

Si parla di sovralimentazione in senso proprio allorchè si intende aumentare la potenza rispetto a quella che si otterrebbe in condizioni ambiente-standard, mentre si tratta di alimentazione artificiale o forzata quando l'aumento di pressione è realizzato al fine di ristabilire le condizioni standard (caso dei motori aeronautici in quota).

Tipi di sovralimentazione adottata:

- a comando meccanico

E'realizzato tramite un compressore volumetrico comandato direttamente dall'albero motore mediante un accoppiamento a rapporto di trasmissione fisso.

- a turbina a gas di scarico

Si utilizza l'energia termica e cinetica dei gas di scarico per azionare la turbina che a sua volta trascina un turbocompressore centrifugo per la sovralimentazione del motore.


Le prestazioni di queste due metodologie si rappresentano in diagrammi del tipo quello rappresentato in figura 9.19:



figura 9.19


con riferimento allla figura 9.19:

C.M. = comando meccanico;

T.G. = turbina a gas;

:con il C.M. si può immettere più combustibile perchè è entrata più aria.






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