Motori a combustione interna

Università degli studi di Perugia

Laurea Magistrale in Ingegneria Industriale

A.A. 2021-2022

Motori a combustione interna

Appunti rielaborati dal corso del Prof. L. Postrioti

Autori: Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

Contents

• Introduzione ............................................................................................................................................. 4
• Classificazione dei motori ............................................................................................................................. 4
• Definizioni geometriche ................................................................................................................................ 5
• Parametri operativi fondamentali .................................................................................................................. 5
• Caratteristiche delle varie tipologie di motori ............................................................................................... 8
• Curve caratteristiche dei motori .................................................................................................................... 9
• Alimentazione aria motori a 4 o 2 tempi - Coefficiente di riempimento ................................................... 11
• Motori 4t Sostituzione carica .................................................................................................................... 11
• 4T Efflusso attraverso la valvola a fungo - Coeff. efflusso ................................................................. 15
• Il diagramma di distribuzione - Permeabilità della valvola ..................................................................... 20
• 4T Il diagramma di distribuzione ......................................................................................................... 21
• Influenze dei parametri operativi del motore sul coefficiente di riempimento ........................................ 23
• Motori 2T ................................................................................................................................................ 25
• Il processo di lavaggio ............................................................................................................................. 25
• Progetto delle luci .................................................................................................................................... 29
• Fenomeni dinamici ......................................................................................................................... 31
• Modelli di calcolo per lo studio dei flussi .................................................................. 37
• Sistemi di scarico motori 2T .................................................................................................... 39
• Sovralimentazione .............................................................................................................................. 40
• Sovralimentazione: energia di fine espansione .............................................................. 43
• Sovralimentazione a pressione costante .......................................................................... 44
• Sovralimentazione a impulsi ..................................................................................................... 46
• Geometria del turbocompressore ......................................................................................... 48
• Compressori volumetrici ............................................................................................................. 48
• Sovralimentazione nei motori 4T ............................................................................................ 49
• Effetti della sovralimentazione sul rendimento globale .................................... 50
• Inserimento del refrigeratore ................................................................................................ 51
• Accoppiamento meccanico, MCI-compressore volumetrico ...................................................................... 52
• Accoppiamento meccanico, MCI-compressore centrifugo ......................................................................... 52
• Accoppiamento fluidodinamico, MCI-compressore centrifugo .................................................................. 53
• Scelta del turbocompressore .................................................................................................. 53
• Moti organizzati della carica ..................................................................................................... 55
• Moto di swirl ....................................................................................................................................... 59
• Moto di tumble ................................................................................................................................... 62
• Moto di squish ..................................................................................................................................... 63
• Combustibili per MCI ............................................................................................................................ 64

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Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

• La combustione nei MCI ...................................................................................................................... 91
• Velocità di fiamma ...................................................................................................................................... 93
• Effetto della turbolenza ............................................................................................................................... 95
• Combustione diffusiva. ................................................................................................................................ 96
• La combustione nei MCI S.I........................................................................................................................ 97
• La combustione nei MCI Diesel ................................................................................................................ 109
• Le emissioni inquinanti dei MCI .................................................................................................... 112
• Le emissioni inquinanti dei MCI S.I. ..................................................................................................... 113
• Le emissioni inquinanti dei MCI - Diesel ................................................................................................. 115
• Formazione NOx dei MCI S.I. ................................................................................................................. 116
• Formazione NOx dei Diesel ...................................................................................................................... 122
• Formazione di CO nei MCI ....................................................................................................................... 125
• Formazione di HC nei MCI ....................................................................................................................... 127
• Quenching a parete ................................................................................................................................ 128
• Assorbimento/desorbimento nel film lubrificante ................................................................................. 128
• Interstizi ................................................................................................................................................. 129
• Combustione irregolare ......................................................................................................................... 130
• Meccanismi di trasporto di HC nei MCI S.I. ............................................................................................. 130
• Meccanismi di formazione di HC nei MCI Diesel ................................................................................... 132
• Overleaning ........................................................................................................................................... 132
• Undermixing .......................................................................................................................................... 133
• Meccanismi di formazione di PM ............................................................................................................. 134
• Formazione di Soot. ............................................................................................................................... 136
• Sistemi di controllo emissioni allo scarico e normativa sulle emissioni ....... 139
• Motori S.I-convertitori catalitici trivalenti ............................................................... 139
• Diesel-Diesel Oxidation Catalyst ........................................................................................................... 141
• Diesel Particulate Filter ............................................................................................................................. 141
• Controllo di NOx - Tecnologie ................................................................................................................. 146
• SCR Selective Catalytic Reduction .................................................................................................... 146
• NOx Adsorbers ...................................................................................................................................... 153
• L’influenza delle normative....................................................................................................................... 155
• Sviluppo sistemi Diesel e GDI ......................................................................................................... 158
• Evoluzioni del motore Diesel .................................................................................................................... 158
• Sviluppo del sistema di iniezione: ...................................................................................... 159
• Sistemi di combustione avanzata: HCCI/PCCI ................................................................ 160
• Strategie multiniezione nel Diesel:..................................................................................... 161
• Injection shaping ....................................................................................................................................... 163
• Otto - evoluzione motori GDI ................................................................................................... 164

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• GDI combustione stratificata .............................................................................................................. 165
• GDI configurazioni ................................................................................................................................. 167
• Sistemi GDI a precamera .......................................................................................................... 169
• Veicoli ibridi .......................................................................................................................................... 170
• Efficienza dei veicoli MCI e degli HEV.................................................................................. 170
• Scenari tecnici possibili: le soluzioni a disposizione: ........................................... 170
• Architetture ..................................................................................................................................... 173
• I veicoli ibridi - Classificazioni ................................................................................................................ 175
• Livello di ibridizzazione: ....................................................................................................... 175
• Componentistica dei veicoli ibridi ed elettrici: ........................................................... 176
• Classificazione per tipologia di powertrain: ................................................................ 178
• Ibrido parallelo ......................................................................................................................... 179
• Ibrido serie-parallelo ............................................................................................................. 179
• Parliamo di prestazioni e consumi di combustibile: ................................................... 179
• Prospettive in termini di effettiva riduzione della CO2: life cycle assessment emissione globale di CO2 .............................................................................. 180
• Vediamo meglio l’architettura dei veicoli ibridi:...................................................... 181
• Configurazione in serie ........................................................................................................... 181
• Configurazione in parallelo: ............................................................................................. 183

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Introduzione

Classificazione dei motori

Definizione: è un sistema di conversione dell’energia basato sul processo di combustione.

Il motore a combustione interna che si realizza all’interno degli stessi organi in cui si svolge il processo termodinamico, organi dotati di moto alternativo.

Sono macchine:

• Semplici: numero ridotto di organi e componenti;
• Efficienti: rendimento da circa il 15% al 50%;
• Elevata potenza specifica: kW/kg, adatti per sistemi di trasporto.

Classificazione:

• Attivazione della combustione (accensione comandata/accensione per compressione);
• Durata del ciclo (4 tempi o 2 tempi -> 2 giri di albero motore o 1 giro);
• Tipo di combustibile (benzina, Diesel, gas naturale, …);
• Alimentazione aria (aspirati, sovralimentati);
• Alimentazione carburante (ad iniezione indiretta, diretta, a carburatore);
• Modalità di regolazione del carico (per qualità, ciclo Diesel, o per quantità, ciclo Otto);
• Raffreddamento (ad aria o a liquido).

Le due principali classificazioni dei motori a cui faremo riferimento sono:

• Tipologia di combustione.

Motori ad accensione comandata

La combustione è avviata da una scintilla che innesca la combustione in una miscela omogenea di aria e vapore di combustibile. Il ciclo di riferimento è il Beau de Rochas (combustione a volume costante).

Motori ad accensione per compressione

Il combustibile nebulizzato è iniettato in aria compressa in camera di combustione e si auto-accende con una combustione eterogenea. Il ciclo di riferimento è il Diesel (combustione a pressione costante) o di Sabathé (2 fasi, volume-pressione costante).

• Processo di sostituzione della carica.

Motori a 4 tempi

Il ricambio della carica (espulsione prodotti di combustione, introduzione aria) richiede un’intera rotazione dell’albero e viene completata in maniera efficace.

Motori a 2 tempi

Il ricambio della carica avviene sacrificando una parte della fase di espansione e di compressione. Quindi, l’intero ciclo della macchina si realizza una rotazione dell’albero. Il lavaggio è poco efficace (incompleto).

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Definizioni geometriche

Parametri operativi fondamentali

Per definire in maniera sintetica le prestazioni di un motore (in termini di produzione meccanica) si utilizzano dei parametri globali rilevabili al banco di prova:

ϗ = cost

In condizioni di equilibrio meccanico ( ), la coppia motrice Me e la potenza erogata dal motore sono:

Per valutare questi parametri indipendentemente dalle dimensioni del motore, si valutano:

• Pe/V motore [kW/dm³]
• Peso motore/Pe [kg/kW]

L’analisi in dettaglio delle prestazioni di un motore viene effettuata a partire dalle “grandezze indicate”, ossia misurate mediante il “ciclo indicato” che misura l’andamento del processo di combustione.

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Ceduto al pistone è (“lavoro indicato”):

Il lavoro meccanico è la somma algebrica dell’area A (+) e della B (-).

Ceduta al pistone dal gas (“potenza indicata”).

La potenza meccanica sarà il prodotto di Li per la frequenza del ciclo:

• Numero di rotazioni del motore per l’unità di tempo n.
• ε frequenza con cui viene svolto lavoro, rispetto alle rotazioni del motore (= 1 motore a 2 tempi, = 2 motore 4 tempi).

Rapportando il lavoro meccanico alla cilindrata si ottiene la Pressione Media Indicata pmi:

Quindi il “rendimento indicato”: “indicate”.

Lo scambio energetico fra gas e pistone è quindi sintetizzato dalle grandezze.

Tenendo conto degli attriti interni al manovellismo e del lavoro assorbito dagli organi ausiliari (pompe, ventole...) si passa dalle grandezze indicate a quelle effettive misurate al banco di prova Pe e pme.

Allora si definisce il rendimento organico:

Cresce al crescere del carico motore ed al decrescere della sua velocità, tiene conto delle perdite di potenza per attriti ed ausiliari.

Si definisce quindi il concetto di Pressione Media Effettiva pme:

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Che assume il significato di lavoro medio effettivo per ciclo e per unità di cilindrata. Quindi:

Si definisce il rapporto stechiometrico:

Rapporto fra portata d’aria e di combustibile elaborate dal motore.

• Per i motori ad accensione comandata, si mantiene approssimativamente costante (14.7 per la benzina) in virtù della regolazione per quantità.
• Nel caso dei Diesel, la regolazione del carico avviene modulando la quantità di combustibile iniettato di aria all’incirca costante, variando così la qualità della miscela (varia dai 60-70 fino ad un minimo di 17-20 a pieno carico.

Tradizionalmente l’efficienza di un motore si valuta in termini di consumo specifico di combustibile:

Considerando il potere calorifico inferiore di combustibile Hi, si determina il rendimento energetico del motore:

Per valutare l’efficacia del processo di sostituzione della carica, si utilizza un parametro globale, il coefficiente di riempimento, che definisce il rapporto fra la massa di aria effetti