sistemi energetici motore combustione interna

8/17/2019 sistemi energetici motore combustione interna

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SISTEMI ENERGETICI 137

CAPITOLO 13 MOTORI ALTERNATIVI A

COMBUSTIONE INTERNA

CICLO IDEALE

Il più generale ciclo ideale , adatto ad essere realizzato nei motori ter-

mici volumetrici, è il ciclo Sabathè, e ad esso possono essere ricondotti

sia il ciclo Otto sia quello Diesel.Con riferimento ai simboli della figura, il rendimento del ciclo ideale

Sabathè può essere così espresso

Per ottenere un’espressione più significativa è opportuno definire,

innanzitutto, oltre al rapporto volumetrico di compressione , i

due parametri

e

i quali sono detti rapporti di combustione, rispettivamente a volume

costante e a pressione costante. Esprimendo poi tutte le temperature in

funzione di e dei parametri , e , tramite l’equazione

dell’adiabatica

{ }

si ottiene per il rendimento ideale la seguente formula

dove con si indica, al solito, l’esponente dell’adiabatica reversibile.

Dall’esame di questa formula si ricava che, fatta eccezione per il caso

in cui è , è sempre maggiore dell’unità ed è inol-

tre crescente con stessa: il rendimento è pertanto decrescente con

ηid 1Q2

Q1------ 1

cv T 4 T 1 – ( )

cv T 3 T 2 – ( ) ) c p T 3' T 3 – ( )+---------------------------------------------------------------- – = – =

ρv1

v2----=

τT 3

T 2-----= τ'

T 3'

T 3------=

T 1 ρ τ τ'

Tv γ 1 – t cos=

T 2 T 1 ργ 1 – ⋅=

T 3 τT 2 T 1τργ 1 – ==

T 3' τ'T 3 T 1ττ 'ργ 1 – ==

T 4 T 3'v3'

v4-----

γ 1 –

T 1ττ'ργ 1 – τ'

ρ---

γ 1 –

T 1ττ 'γ ===

v3'

v4-----

v3'

v3-----

v3

v4----

T 3'

T 3------

v3

v4---- τ'

1

ρ---=⋅=⋅=

ηid 11

ργ 1 – -----------

ττ 'γ 1 – τ 1 – τ' 1 – ( )τγ +----------------------------------------- 1

1

ργ 1 – ----------- f τ τ' γ , ,( )⋅ – =⋅ – =

γ

τ' 1= f τ τ' γ , ,( )

τ'


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MOTORI ALTERNATIVI A COMBUSTIONE INTERNA

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, cioè con l’entità della combustione a pressione costante; quando è

invece (ciclo Otto), detta funzione ha valore unitario, e il ren-

dimento ideale, a parità di fluido motore e di rapporto volumetrico di

compressione , assume pertanto il valore massimo

Implicazioni di ordine pratico portano a modificare questa conclu-

sione.

Il ciclo Otto rappresenta il ciclo di riferimento per i motori ad accen-

sione comandata nei quali viene compressa una miscela omogenea di

aria + combustibile e alla quale viene comunicata l’accensione

nell’istante voluto (punto 2). Per ragioni legate alle caratteristiche dei

combustibili (potere indetonante misurato dal numero di ottano) si

limita la pressione di fine compressione per evitare combustioni incon-

trollate o anomale (detonazione) che possono portare alla distruzione

del motore. Il limite odierno è .

Il ciclo Diesel rappresenta il ciclo di riferimento dei motori ad accen-

sione per compressione nei quali viene compressa solo aria in seno alla

quale si inietta, nell’istante voluto (punto 2), il combustibile. Man-

cando il problema della detonazione la pressione di fine compressione

(che è anche la massima del ciclo) sarà solo limitata dalla resistenza

meccanica del motore. I valori usuali di sono circa doppi rispetto al

motore ad accensione comandata.

Tenendo conto di questi limiti il rendimento ideale dei due cicli è

all’incirca lo stesso.

Ciclo termodinamico e ciclo di lavoro

Nelle macchine motrici a combustione interna il fluido non compie un

ciclo termodinamico, cioè non ritorna dopo una serie di trasformazioninelle condizioni iniziali, ma percorre un’evoluzione aperta. Nel caso

delle macchine volumetriche è però ancora possibile parlare di ciclo,

ma esclusivamente per la macchina, la quale in effetti segue un’evolu-

zione chiusa ritornando ad ogni periodo nelle condizioni di partenza. In

particolare si chiama ciclo di lavoro il diagramma chiuso costruito con

i volumi della camera variabile in ascisse, e con le pressioni esercitate

sulla parete che lavora in ordinate: in questo modo la sua area è propor-

zionale al lavoro effettuato, donde il nome al ciclo. Si definisce ideale

un ciclo di lavoro che sia privo di perdite e sia percorso da un fluido

ideale; limite, se è ancora privo di perdite, ma percorso dal fluido reale;

indicato, quando il fluido è reale e le sue trasformazioni avvengono

con tutte le tipiche perdite reali. Corrispondentemente si hanno i lavori per ciclo , , e i lavori per unità di massa di fluido

.

Nel caso dei motori a combustione interna è frequente e utile l’uso

della nozione di lavoro per ciclo e per unità di cilindrata: esso ha le

dimensioni di una pressione e prende il nome di pressione media.

Ciclo limite

Il ciclo ideale è il ciclo compiuto da un fluido ideale in una macchina

ideale. Secondo l’uso si introduce il ciclo limite che differisce da

quello ideale per il fatto che a compiere il ciclo sia un fluido reale ma

in una macchina ideale. Si tiene quindi conto della presenza del com-

τ'

τ' 1=

ρ

ηid

( )Otto

11

ργ 1 – ----------- 1

T 1

T 2----- – = – =

ρ 10≈

ρ

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 4 8 12 16 20 24

Lid Lli m Lin d

l id l li m l in d , ,T

s1

2

2′

3

3′

4′4

A

303′0


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Ciclo di lavoro


bustibile, della variabilità di e con la temperatura e la composi-

zione, della dissociazione, ecc.

- diminuisce sia all’aumentare della temperatura che della quantità di

combustibile, per cui il rendimento diminuisce ( );

- aumenta sia all’aumentare della temperatura che della

quantità di combustibile, per cui se confrontiamo i due cicli, ideale e

limite, a pari introduzione di calore e rapporto volumetrico di compres-

sione il calore sottratto aumenta diminuendo il rendimento;

- la dissociazione a parità di spesa di combustibile fà abbassare la tem-

peratura finale di combustione e se anche il calore viene restituito nella

riassociazione successiva si ha una perdita di rendimento rappresentato

dall’area tratteggiata.

Si definisce rendimento limite il rapporto tra il lavoro del ciclo limite

(rappresentata dall’area del ciclo) e il calore complessivamente intro-

dotto nel ciclo

.

La diminuzione complessiva del rendimento termico, dovuta alle

caratteristiche reali del fluido motore, è molto forte. La figura, che

riporta l’andamento del rapporto per un ciclo Otto in fun-

zione della dosatura , mostra come con una miscela stechiometrica

si perda circa il 25%, e ancora di più nel campo delle dosature ricche;

piccola influenza ha invece il rapporto di compressione, che pure è il

parametro più importante di ogni rendimento termico.

Ciclo di lavoro

Il ciclo si può pensare realizzato in una macchina alternativa costituita

da un cilindro all’interno del quale scorre a tenuta uno stantuffo. Il

moto alterno dello stantuffo viene usualmente convertito in moto rota-

torio mediante un meccanismo biella-manovella.

La cilindrata unitaria è il volume spazzato dallo stantuffo durante la

corsa (differenza tra e ).

Lo spazio morto è il volume residuo quando lo stantuffo è al PMS.

Il rapporto volumetrico di compressione è il rapporto tra il volume

massimo e il volume minimo

La velocità media dello stantuffo è

Distribuzione

Poichè la combustione è interna alla macchina è necessario effettuare il

ricambio del fluido ad ogni ciclo della macchina.

Idealmente, si può aprire una luce sul cilindro in corrispondenza del punto 4 onde far avvenire lo scarico spontaneo verso l’esterno dei gas

combusti fino al punto 5. Dopodicchè si hanno due possibilità:

c p γ

γ

η 11

ργ 1 – ----------- – =

c p cv( )

T

s1

2

33′

4′ 4

30 3′0 40

ηli m Lli m

Q1---------=

ηli m ηid ⁄

α

c V ma x V mi n

V πd 2

4--------- c⋅=

V m

ρV V m+

V m----------------=

u s

t --

2c

1

n---

------ 2cn===


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1. sfruttando la portata d’aria o di miscela fresca inviata da un’apposita

pompa si può effettuare il lavaggio del cilindro e la sostituzione della

carica con lo stantuffo al PMI, con la luce di scarico ancora aperta; e

questo è il funzionamento a 2 tempi cioè l’intero ciclo si compie in due

sole corse dello stantuffo.

2. effettuare altre due corse con lo stantuffo: durante la 1a corsa con

luce di scarico aperta si ha lo scarico ulteriore forzato dei gas combusti

(tranne quelli residui nello spazio morto) mentre nella seconda, chiu-dendo lo scarico e aprendo una luce di aspirazione, si ha l’introduzione

della nuova carica; è questo il funzionamento in 4 tempi.

Nel caso ideale queste fasi avvengono senza richiedere lavoro.

Ciclo indicato

E’ il ciclo compiuto da un fluido reale in una macchina reale. Le prin-

cipali fonti di perdita sono:

1. combustione imperfetta

2. scambio di calore con le pareti

3. fughe di fluido motore

4. laminazioni nel ricambio del fluido motore.

Combustione imperfetta

La combustione è imperfetta per due motivi: i) perchè non è istantanea

e ii) perchè è incompleta.

Le reazioni di combustione richiedono un certo tempo per svolgersi

cosicchè l’introduzione di calore non avviene tutta al PMS ma si pro-

lunga oltre. Per contrastare questo inconveniente si anticipa l’accen-

sione, nei motori ad accensione comandata, e l’iniezione nei motori ad

accensione per compressione. La perdita permane, attenuata, perchè

parte del calore viene uìintrodotto già in fase di compressione e poioltre in fase di espansione.

Dati i brevissimi tempi a disposizione la combustione risulta incom-

pleta per il congelamento delle reazioni chimiche in fase di espansione.

Inoltre, all’interno della camera di combustione la distribuzione del

combustibile non è uniforme. Il danno, oltre che essere sul rendimento,

è anche nella formazione degli inquinanti.

Scambio di calore con le pareti

Le trasformazioni che abbiamo considerato adiabatiche nella macchina

ideale in realtà avvengono con scambio di calore con le pareti. L’Ener-

gia termica sottratta dalle pareti è circa 1/3 dell’energia disponibile. Lariduzione di rendimento è comunque più bassa perchè lo scambio di

calore è presente in tutte le fasi ed è grave solo durante la combustione

mentre è addirittura benefico durante l’espulsione.

Fughe di fluido motore

Sono trascurabili in un motore in buone condizioni. Occorre comunque

distinguere tra fughe di sola aria o di aria + combustibile, più gravi.

Nel motore a 2 tempi è inevitabile che durante la fase di lavaggio

sfugga allo scarico anche una parte della carica fresca. Si introduce

allora un rendimento di lavaggio

che incide direttamente sul rendimento complessivo del motore

ηlvm

internamlavaggio---------------------=


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Lavoro utile


Laminazioni nel ricambio di fluido motore

Si intendono le cadute di pressione che si verificano nei condotti e

nelle luci che mettono in comunicazione l’interno del cilindro con

l’esterno.

La sostituzione della carica richiede quindi una spesa di lavoro che nel

caso del motore a 4 tempi è sostenuta dallo stesso cilindro motore e che

è rappresentata dall’area negativa sul diagramma p V detta ciclo di

pompaggio, mentre nel motore a 2 tempi è sostenuta dalla pompa dilavaggio

L’area netta positiva del ciclo di lavoro indicato fornisce il lavoro indi-

cato .

Si definisce rendimento termico indicato il rapporto tra il lavoro indi-

cato e il calore disponibile

.

Per mettere in evidenza le perdite connesse solamente alle trasforma-

zioni che si realizzano nella macchina reale si introduce anche un ren-

dimento interno definito come rapporto tra il lavoro del ciclo indicatoe il lavoro del ciclo limite

.

Per cui risulta evidentemente

.

Al rapporto tra il lavoro indicato e la cilindrata unitaria si da il nome di

pressione media indicata

che rappresenta pertanto l’ordinata media del ciclo.

Lavoro utile

Il lavoro perduto per attriti meccanici e quello necessario per il

comando degli accessori riducono il lavoro indicato. Indicando con

la somma di questi lavori il lavoro utile ottenuto al ciclo è pertanto

Dividendo per la cilindrata unitaria si ottiene

in cui è la pressione media effettiva e la pressione media diattrito o pressione di marcia a vuoto.

Si definisce rendimento organico il rapporto

.

Utilizzando per la pressione di attrito la seguente relazione empirica

in cui i è il numero dei cilindri e D l’alesaggio, si può giustificare, in

via qualitativa, l’andamento del rendimento organico in funzione del

carico e del numero di giri in un dato motore.

Lin d

ηin d Lin d Q1---------=

ηθi Lin d

Lli m---------=

ηin d ηli m ηθi⋅=

pmi Lin d

V ---------=

Lv

Lu Lin d Lv – =

pme pmi pv – =

pme v

ηo Lu

Lin d --------- 1

pv

pmi------- – ==

pv 0.06 11

i---+

3

D mm( )------------------ 0.03 pme MPa( )⋅ 0.015 u

m

s----

⋅+ + +⋅=


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Il riempimento del motore

La quantità di lavoro prodotta in un ciclo dipende dalla quantità di

combustibile introdotta, e per dato dalla quantità di aria che si riesce

a introdurre in ogni singolo cilindro

Si definisce coefficiente di riempimento il rapporto tra la massa di

aria effettivamente introdotta ad ogni ciclo rispetto alla massa che ide-

almente si potrebbe introdurre se il cilindro fosse riempito con aria alle

condizioni esterne

dove è la densità dell’aria esterna.

I principali fenomeni che incidono sul riempimento di un motore a 4

tempi sono:

1. Le laminazioni allo scarico che determinano una pressione maggiore

rispetto all’ambiente esterno, dei gas combusti. Di conseguenza,durante la prima parte della corsa di aspirazione, anzichè l’ingresso

della nuova carica si verifica l’espansione degli stessi gas residui.

2. La cessione di calore da parte dei condotti di alimentazione e delle

pareti del cilindro, che producendo un riscaldamento del fluido motore

con conseguente diminuzione della massa volumica, ne fa entrare di

meno.

3. Le laminazioni all’aspirazione le quali fanno si che durante tutta la

corsa di aspirazione la pressione interna sia inferiore a quella ambiente.

La massa che riesce ad entrare nel cilindro risulta pertanto diminuita.

Per contrastare questo fatto si provvede a ritardare la chiusura della

valvola di aspirazione oltre il PMI, sfruttando la depressione creatasi

all’interno del cilindro. Tuttavia la massa entrata risulta ancora infe-

riore a quella teorica dato che il volume a disposizione risulta nel frat-

tempo diminuito.

4. Le pulsazioni di pressione nelle correnti entranti e uscenti dal cilin-

dro, eventualmente esaltate dalla periodicità del moto.

5. Il rifiuto, ovvero il riflusso verso l’esterno, che si ha in certe condi-

zioni di funzionamento, della massa entrata, a causa del ritardo

costante della chiusura delle valvole di alimentazione.

L’andamento del coefficiente di riempimento in funzione del numero

di giri del motore presenta un massimo in una zona intermedia del

campo di funzionamento di un motore. Infatti, al alti regimi esso dimi-

nuisce per la crescente influenza delle laminazioni attraverso le valvole

mentre a bassi regimi diventano importanti sia gli scambi termici con

le pareti sia, in modo particolare, il rifiuto della carica..

Rendimenti, potenza, consumo

Abbiamo già visto che il rendimento utile è

oppure

α

Lu

ηu

Q1

ηu

mb

H i

ηu

ma

H i

α-----===

λ v

λ vmaρV -------=

ρ

ηu Lu

Q1------

Lu

Lin d ---------

Lin d

Q1--------- ηoηin d =⋅==

ηu LuQ1------ Lu

Lin d --------- Lin d

Lli m--------- Lli m

Q1---------⋅ ηoηθiηli m=⋅==


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Rendimenti, potenza, consumo


rappresenta l’energia disponibile attraverso la combustione della

massa per ciclo di combustibile di potere calorifico inferiore .

La seconda espressione consente di valutare separatamente le perdite

connesse alla realtà del fluido motore ( ) dalle perdite legate alla

realtà delle trasformazioni all’interno della macchina ( ) e dalle per-

dite meccaniche e per il comando degli accessori ( ).

Nel caso del motore a 2 tempi ad accensione comandata la massa di

combustibile è quella inviata dalla pompa di lavaggio che diversa

da quella che rimane all’interno del cilindro . Nell’ipotesi che la

dosatura della miscela di lavaggio sia la stessa della miscela che

rimane nel cilindro, cioè che

l’energia disponibile vale

per cui

La potenza indicata complessiva fornita dal motore è pari al prodotto

del lavoro indicato ottenuto in ogni ciclo da ciscun cilindro per la fre-

quenza dei cicli stessi e per il numero dei cilindri . E’ comodo corre-

lare la frequenza dei cicli di un cilindro con la frequenza dei giri

dell’albero motore attraverso il numero di giri necessario per com-

piere un ciclo. Si ottiene perciò

Analogamente la potenza utile

Dalla definizione si ottiene l’espressione della pressione media effet-

tiva

ma

per cui

Nel caratterizzare globalmente l’efficienza di funzionamento del

motore, anzichè il rendimento utile, si usa, analogamente a quanto si fa

nel campo dei turbomotori, il consumo specifico di combustibile

che è una funzione inversa del rendimento.

Q1

mb H i

ηli m

ηθi

ηo

mbl

mbi

ηlvmaimal --------

mbimbl --------==

Q'1 mbl H i=

η'u LuQ'1-------

Lumbl H i-------------- ηlv

Lumbi H i-------------- ηlv ηu=⋅===

i

n

m

P in d i Lin d n

m---- pmi iV

n

m----⋅⋅=⋅ ⋅=

P u i Lun

m---- pme iV

n

m----⋅⋅=⋅ ⋅=

pme LuV -----

ηuQ1V

------------1

V --- ηumb H i

1

V --- ηu

maα------ H i⋅=⋅===

ma λ vρV =

pme ηuλ vρ H i

α-----=

qbm· b

P u------

mb i n

m----⋅ ⋅

Lu i n

m----⋅ ⋅

---------------------

Q1

H i------

ηuQ1------------

1

ηu H i------------====


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Caratteristica meccanica

Otto

Se l’impiego del motore è a giri variabili (per esempio nella trazione)

risulta comodo rappresentare le prestazioni del motore in funzione del

numero di giri. Poichè le prestazioni (per es. la potenza) dipendono

dalla quantità di combustibile introdotto è necessario precisare che gliorgani di regolazione siano bloccati (per es. acceleratore tuuto pre-

muto). La variazione dei giri viene allora ottenuta variando il carico

resistente.

Rendimento - Al crescere di n aumentano le predite per attrito

(diminuisce ) e cresce l’angolo di combustione (diminuisce ). A

bassi giri aumentano gli scambi di calore con le pareti (diminuisce

). Ci sarà quindi un regime intermedio in cui è massimo.

A parità di dosatura (perchè provvede il carburatore o l’apparato di

iniezione a mantenerla costante) l’andamento della è l’andamento

del prodotto delle due funzioni e .

all’aumentare del numero di giri diminuisce perchè aumentano i

trafilamenti attraverso le valvole. Diminuisce pure a bassi giri per il

ritardo fisso di chiusura della valvola di aspirazione che determina il

rifiuto di parte della carica. presenta quindi un massimo che è spo-

stato verso alti n tanto più è esteso il posticipo.

Il diagramma della rappresenta anche la coppia, basta operare un

cambiamento di scale

Dalla curva di (o di coppia) si passa alla curva di potenza moltipli-

cando ordinata per ascissa.

La caratteristica meccanica non è tutta utilizzabile. Al di sotto di un

non conviene andare perchè aumentano le sollecitazioni negli

accoppiamenti (le forze sullo stantuffo dovute alle pressioni dei gas

non risultano diminuite dalle forze di inerzia) e la lubrificazione

diviene problematica. Parimenti pericolose sono le alte velocità perchè

gli accoppiamenti tendono a surriscaldarsi (non si supera ).

Solitamente si riporta pure il consumo specifico di combustibile

che sarà minimo laddove presenta il massimo.

Diesel

La differenza sta nel diverso modo di regolare il motore. Con regola-

tore bloccato significa con . Poichè

l’andamenti di sarà analogo a quello di .

ηu

ηo ηθi

ηθi ηu

pme

ηu λ v

λ v

λ v

pme

C P u

ω -----

1

ω ---- pme

iVn

m--------- pme

iV

2πm-----------=⋅==

me

nmi n

nmax

qb

m·

P u-----

m·

ηum· b H i-------------------

1

ηu H i------------===

ηu

m· b t cos=

pme ηuQ1

V ------ ηu

mb H i

V ------------==

pme

ηu


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Combustione normale nei motori ad accensione comandata


Combustione normale nei motori ad

accensione comandata

Affinchè una reazione di combustione possa iniziarsi è necessario che

la concentrazione delle specie chimiche sia quella opportuna e che al

temperatura sia sufficientemente alta.

In un motore ad accensione comandata, in cui viene compressa una

miscela omogenea di combustibile e aria, l’accensione viene comuni-cata dalla scintilla generata tra gli elettrodi della candela. La miscela

intorno alla candela, con composizione interna al campo di combusti-

bilità, viene portata a una temperatura superiore a quella di autoaccen-

sione e la reazione può svilupparsi con velocità .

Il calore sviluppato dalla reazione va a scaldare gli strati via via più

esterni che subiscono in più una compressione per il dilatarsi della fra-

zione bruciata. Progressivamente viene così comunicata all’intera

massa la temperatura di autoaccensione e il fronte di fiamma può pro-

pagarsi sfericamente, con centro la candela, fino a coinvolgere le fra-

zioni più lontane. Questo secondo processo avviene con una velocità,

che chiamiamo velocità di avanzamento della reazione oppure velocitàdi avanzamento del fronte di fiamma, che dipende tra l’altro dal moto

posseduto dalle particelle (perchè influenza lo scambio termico) e dalla

velocità di reazione stessa. A parità di turbolenza, o di velocità di

rotazione del motore, ha perciò la stessa dipendenza di da .

La durata della fase di combustione risulta funzione inversa di

entrambe queste velocità. Essa è minima per dosatura ricca perche

e risultano massime.

Agli effetti del rendimento termico del motore non è tanto il tempo per

cui dura la combustione, quanto l’angolo di cui nel frattempo ruota la

manovella. Il rendimento sarà massimo in corrispondenza dell’angolo

di combustione minimo. D’altra parte risulta crescente con sia

per la variabilità di e , sia per il diminuire di e quindi degli

effetti della dissociazione. Inoltre per mancando l’ossigeno

sufficiente per bruciare tutto il combustibile diminuirà più marca-

tamente. Il prodotto dei due rendimenti che rappresenta il rendimento

indicato

presenterà allora un massimo per dosature povere. La

diminuendo circa proporzionalmente a per miscele ricche avrà

quindi lo stesso andamento di . Poichè le perdite meccaniche a

wr

wr

wa wr α

wr

wa

ηli m αcv κ T 3

α α st <

ηli m

ηin d ηli m ηθi⋅=

pmi ηli m ηθi λ v ρ H i

α-----⋅ ⋅ ⋅ ⋅=

ηli m α

ηθi


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parità di e di non risultano influenzate da , gli stessi anda-

menti restano validi per e .

Poichè l’introduzione di calore è più rapida per miscele ricche è facile

attendersi che in questo campo si ottenga il lavoro massimo ovvero la

massima .

Il rendimento utile, invece, presenta il massimo per miscele povere per

l’influenza esercitata dal rendimento limite. Per miscele ricche, infatti,

il combustibile introdotto in eccesso non può bruciare per cui graverà

solo come spesa senza produrre effetto utile, semmai la sua presenza

abbasserà il lavoro per la diminuzione di e l’aumento di e .

Si individuano così due valori di dosatura, una di massima e

quindi di coppia massima e una di massimo ovvero minimo con-

sumo specifico.

La ristrettezza del campo di variabilità della dosatura unita all’elevata

ripidezza della curva della ai limiti del campo in cui può avve-

nire la propagazione della fiamma, unita all’inevitabile disuniformità

di distribuzione del combustibile fra i vari cilindri di un motore vietano

l’uso della regolazione per qualità, cioè per sola variazione della quan-

tità di combustibile, nei motori a carburazione. Regolazione che deve

quindi avvenire per quantità, cioè variando la quantità di fluido

ammessa ad ogni processo, e non la sua composizione. Il rapporto

della carica deve così mantenersi all’incirca costante e, possibilmente,

adeguarsi al valore che, in ogni condizione di funzionamento, fornisce

il miglior rendimento o la minor concentrazione di inquinanti nelle

emissioni o la massima potenza. Ciò è ottenuto praticamente “stroz-

zando” il gas, ossia socchiudendo una valvola, generalmente a farfalla,

posta nella tubazione aspirante subito a valle del carburatore o a monte

dell’iniettore o degli iniettori.

La bontà della regolazione la si giudica tracciando la cosiddetta carat-

teristica di regolazione del motore in un diagramma ottenuta

a numero di giri costante variando la posizione del regolatore (la far-

falla).

Al diminuire del carico il rendimento diminuisce innanzitutto per

l’accresciuta importanza delle perdite meccaniche, poi perchè il

sistema di regolazione per strozzamento dà luogo ad un’area crescente

del ciclo di aspirazione-scarico (ciclo di pompaggio).

Due di questi cicli, uno a pieno carico e l’altro a carico ridotto, sono

presentati in figura. La diversa estensione delle aree tratteggiate mostra

n mi α

pme ηu

pme

κ c p cv

pme

ηu

pme

α

ηu pme –


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la variazione assoluta della perdita, la variazione relativa è poi assai

maggiore per la contemporanea diminuzione della .

In luogo del rendimento è spesso utilizzato il consumo specifico di

combustibile.

Combustioni anormali

La combustione normale comincia all’istante voluto e si sviluppa gra-dualmente.

Producono una combustione anomala i seguenti fenomeni.

Preaccensione: quando l’accensione, provocata da punti caldi nella

camera di combustione, avviene prima dello scoccare della scintilla.

L’introduzione di calore risulta troppo anticipata nel ciclo. Si ha una

diminuzione del rendimento e un aumento delle sollecitazioni per le

elevate pressioni che si raggiungono.

Autoaccensione: quando durante la compressione viene raggiunta la

temperatura di accensione. Il danno dipende dalla frazione di carica sul

totale che brucia in questo modo perchè la combustione procede con

elevata celerità. Gli inconvenienti della preaccensione risultano aggra-

vati.Detonazione: fenomeno analogo all’autoaccensione ma che avviene

dopo l’inizio della combustione normale. La maggior parte della

miscela brucia regolarmente e solo l’ultima parte, quella che per ultima

viene raggiunta dal fronte di fiamma, si accende quasi istantaneamente

dando luogo a violente onde di pressione, che si propagano all’interno

della camera di combustione producendo un rumore caratteristico chia-

mato “battito in testa”.

Le frazioni ultime a bruciare possono autoaacendersi, se il combusti-

bile non ha le caratteristiche indetonanti richieste, perchè vengono

compresse e riscaldate dalle porzioni bruciate in precedenza.

Modesta e, al limite, trascurabile è la diminuzione di rendimento con-

seguente alla detonazione; gravi possono invece essere i danni alle

parti del motore che si affacciano in camera di combustione (in partico-

lare lo stantuffo). Le onde di pressione prodotte dalla detonazione

asportano infatti lo straterello di gas (strato di spegnimento) aderente

alle pareti della camera di combustione dove, in condizioni normali, il

fronte di fiamma non riesce a propagarsi dal momento che la velocità

vicino alla parete si abbassa fino ad annullarsi (effetto di strato limite)

e le reazioni di ossidazione del combustibile si arrestano perchè la

parete è fredd rispetto ai gas di combustione. Lo strato di spegnimento

va considerato come uno strato isolante che protegge le pareti della

camera dalle elevatissime temperature di fiamma; venendo a mancare

questo strato, si determina il surriscaldamento dei materiali che circon-

dano la camera di combustione. Si verificano allora danni consistenti

quali l’erosione iniziale dello stantuffo seguita dalla foratura per fusione.

I parametri motoristici più importanti per evitare l’insorgere della deto-

nazione sono l’anticipo all’accensione e il rapporto di compressione;

ambedue questi parametri condizionano pressione e temepratura a cui

vengono sottoposti i gas in camera di combustione.

Combustibili per motori ad accensione comandata

La benzina è il combustibile maggiormente impiegato. Si utilizzano

pure metano, GPL, alcoli (metanolo, etanolo, quest'ultimi spesso

miscelati alla benzina, ma tuttora non rappresentano una alternativa su

vasta scala per vari motivi.

La benzina, ottenuta per distillazione del greggio, è una miscela di

idrocarburi che distilla tra 30 °C e 215 °C.

pmi


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Per contrastare la detonazione la benzina deve possedere una capacità

indetonante che viene espressa attraverso il numero di ottano. Si defi-

nisce numero di ottano di un carburante la percentuale in volume di

iso-ottano (idrocarburo a cui viene assegnato il numero di ottano 100),

che, contenuto in una miscela di iso-ottano e normal-eptano (idrocar-

buro a cui viene attribuito il numero di ottano 0), manifesta uguale resi-

stenza alla detonazione del carburante in prova. Il confronto tra la

miscela campione e la benzina in prova viene fatto su un motore dalaboratorio in cui le condizioni che portano alla detonazione (rilevata

attraverso un sensore di pressione affacciato in camera di combustione)

vengono ottenute facendo variare il rapporto di compressione.

La benzina è costituita da una miscela di idrocarburi aventi diversa

resistenza alla detonazione. Quanto più compatta è la molecola

dell'idrocarburo tanto più difficilmente si rompe all'aumentare della

temperatura. Per esempio, l'iso-ottano (2-2-4 trimetilpentano) ha una

struttura ramificata a differenza del normal-eptano che presenta una

catena diritta.

L'aumento del numero di ottano si può ottenere aggiungendo delle fra-

zioni ad alto potere indetonante (tipo gli idrocarburi aromatici con

struttura ad anello) oppure aggiungendo particolari additivi antideto-

nanti tra cui il piombo tetraetile, attualmente limitato per legge e inde-siderato nei motori muniti di marmitta catalitica perchè neutralizzano i

catalizzari.

Un'altra caratteristica importante dei carburanti è la volatilità, che deve

essere alta ma non troppo. Infatti, a basse temperature la quantità di

combustibile evaporata deve essere alta per favorire le partenze a

freddo, ma occorre evitare che a motore caldo si producano delle bolle

di vapore nel tratto aspirante della pompa del combustibile.

Emissioni motori ad accensione comandata

Gli inquinanti emessi allo scarico del motore alternativo ad accensione

comandata possono essere o il risultato della combustione incompletadella miscela aria-benzina, come avviene per il monossido di carbonio

CO e per gli idrucarburi incombusti HC, oppure la conseguenza del

congelamento delle reazioni di dissociazione ad elevata temperatura di

alcune specie chimiche come possono essere gli ossidi di azoto NOx

(NO-NO2)..

Il parametro più importante nel determinare la concentrazione degli

inquinanti presenti allo scarico del motore è la dosatura .α


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Il CO aumenta notevolmente per miscele ricche, come gli HC, mentre

è trascurabile per miscele povere. Gli HC invece oltre una certa dilui-

zione ricominciano ad aumentare perchè si abbassa la temperatura di

combustione e gli scambi termici insieme a disuniformità di distribu-

zione del combustibile determinano zone in cui il fronte di fiamma non

si propaga.

Gli ossidi di azoto (NOx) sono tanto maggiori quanto più elevata è la

temperatura di combustione ( la temperatura massima si raggiunge per miscele leggermente ricche) e quanto più alta è la concentrazione

dell'ossigeno: il massimo si verifica per una miscela leggermente

povera.

In mancanza di una legislazione antinquinamento il motore ad accen-

sione comandata è stato sviluppato in passato nel campo delle miscele

ricche per ottenere prestazioni più brillanti a scapito del consumo di

combustibile e delle emissioni inquinanti.

Attualmente le sostanze tossiche considerate inquinanti, e quindi limi-

tate per legge, sono gli HC, il CO, gli NOx e le particelle.

Nel motore ad accensione comandata l'emissione di particelle è prati-

camente trascurabile per cui l'attenzione è rivolta verso gli altri inqui-

nanti.

Poichè non c'è un valore di dosatura che consente di mantenere al disotto dei limiti di legge la concentrazione allo scarico di tutte e tre le

sostanze occorre introdurre dei dispositivi di abbattimento. La tecnica

utilizzata prima dell'introduzione della marmitta catalitica trivalente

era basata sulla postcombustione (nel reattore termico) e sul ricircolo

dei gas di scarico. Nel motore veniva bruciata una miscela alquanto

ricca, privilegiando così le prestazioni, e successivamente, veniva

introdotta allo scarico aria, chiamata secondaria, per completare ad ele-

vata temperatura ( >> 500 °C) , grazie al calore sviluppato, le reazioni

di ossidazione del CO e degli HC. La riduzione degli NOx veniva

invece ottenuta abbinando la pratica di ricircolo di parte dei gas com-

busti perchè abbassano, funzionando da inerti, la temperatura di com-

bustione.Limiti di legge sempre più stringenti hanno fatto affermare la marmitta

catalitica a tre vie. Essa è inserita nella tubazione di scarico e contiene

all'interno il supporto ceramico sulla cui superficie e deposto un mate-

riale refrattario ad elevatissima porosità, a sua volta impregnato di

materiale catalitico. L'elevata porosità è necessaria per garantire il

massimo contatto tra i gas di scarico e il materiale attivo.

Il catalizzatore, con composizione dei gas di scarico molto prossima

alle condizioni stechiometriche, è in grado di svolgere due funzione

antitetiche: l'ossidazione dell'ossido di carbonio e degli idrocarburi

incombusti a vapor d'acqua e anidride carbonica, nonchè la riduzione

degli ossidi di azoto a ossigeno e azoto. Il materiale attivo è costituito

da platino e rodio nelle proporzioni 10/1 o 5/1. Il buon funzionamento

dipende dalla temperatura, dal tempo di permanenza dei gas e, soprat-

tutto dalla dosatura; la finestra di dosatura per cui si raggiunge la mas-

sima efficienza di abbattimento di tutte le emissioni è molto stretta

(vedi figura). Per tale motivo a monte del catalizzatore viene inserita

una sonda, chiamata lambda (con lambda si indica anche il rapporto

) , capace di rilevare se la concentrazione di ossigeno nei

gas di scarico corrisponde a dosatura stechiometrica; il segnale della

sonda consente quindi di correggere, intervenendo sugli iniettori, la

quantità di combustibile introdotta in modo che la dosatura venga

costantemente mantenuta al valore stechiometrico. L'efficienza della

conversione è prossima al 90%, con valori più bassi con motore freddo

(marcia in città) e prossimi al 100% con motore caldo a regime come

nei percorsi autostradali

λ α α st ⁄ =


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La combustione nei motori ad accensione per compressione

La combustione nei motori ad accensione

per compressione

Nei motori ad accensione per compressione l'accensione non può propagarsi secondo un fronte di fiamma perchè il combustibile non è omo-

geneamente miscelato con l'aria. Anche se iniettato ad elevata

pressione, verso la fine della compressione, nella camera di combu-

stione il combustibile si presenta sotto forma di goccioline più o meno

grandi e maggiormente addensate all'interno del cono di efflusso.

Nel nucleo dello spray avremo quindi mentre all'esterno sarà

presente tutta aria ( ). Nelle zone intermedie la dosatura varierà

tra questi due estremi. Tuttavia perchè la reazione di combustione

possa innescarsi è necessario, come nei motori a benzina, che la dosa-

tura e la temperatura siano opportune. L'alto rapporto di compressione

e la qualità del combustibile fanno sì che la temperatura di autoaccen-

sione sia raggiunta. Riguardo alla concentrazione solo in alcuni punti

dello spray essa sarà prossima al valore stechiometrico e qui potrà

quindi svilupparsi la reazione. Perchè la combustione possa estendersi

in altri punti è necessario che le goccioline evaporino e trovino l'ossi-

geno necessario, cioè è necessario che il combustibile diffonda nel

comburente. Essenziale a che il processo si svolga correttamente è che

l'aria sia dotata di turbolenza, perchè favorisce l'incontro del combusti-

bile, e che l'iniezione avvenga con il giusto compromesso tra polveriz-

zazione e penetrazione.

Da quanto precede emerge che il massimo rendimento si otterrà con

miscele alquanto magre perchè solo in questo caso tutto il combustibile

trova l'ossigeno necessario affinchè la combustione sia completa.

L'eccesso d'aria corrispondente sarà maggiore per i motori lenti eminore per quelli veloci e a precamera per la grande influenza eserci-

tata dalla turbolenza dell'aria nel processo di diffusione.

La pme aumenterà all'aumentare della quantità di combustibile fino in

prossimità dell' oltre il quale non ha senso andare perchè si rag-

giunge il cosiddetto limite del fumo. Tale soglia limita la pme massima

raggiungibile in un motore diesel in confronto con un motore ad accen-

sione comandata di pari cilindrata.

La scarsa ripidezza delle curve nel campo delle miscele povere rende

comunque possibile la regolazione del motore agendo solo sulla quan-

tità di combustibile lasciando immutata la quantità d'aria. Infatti l'intro-

duzione anche di piccole quantità di combustibile in seno alla massa

d'aria darà luogo a una combustione completa, pur ostacolata dalloscambio di calore e dalle minori temperature raggiunte, indipendente-

mente dal fatto che poi prosegua l'iniezione di combustibile o no.

α 0=

α ∞=

α st

sistemi energetici motore combustione interna

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