Risposta alle domande uscite per preparare l'esame di Sistemi energetici e macchine/macchine

Domande esame orale risposte e prof e corti. Lorenzo Novagaforli

1. Funzionamento ideale del motore: ipotesi di studio

1. Funzionamento ideale del motore: ipotesi di studio (fluido ideale, macchina ideale). Descrizione delle 4 fasi del ciclo e diagramma P-V (Otto, Diesel), problema dell’espansione interrotta (limitazione del rendimento termodinamico). Cicli termodinamici: Otto, Diesel, Sabathè con diagrammi P-V e T-s.

Il funzionamento ideale di un motore a combustione interna è quello di convertire energia termica in energia meccanica, ovviamente la maggior parte possibile anche se in termini reali parliamo del 20/50%.

Il ciclo solitamente comprende 4 fasi (4 tempi):

• Aspirazione: viene aspirata la nuova carica;
• Compressione: viene compressa la miscela di aria e combustibile;
• Combustione ed espansione: avviene la combustione ed espansione del volume nel cilindro;
• Scarico: i gas combusti vengono scaricati e fatti uscire dalla camera di combustione;

Ciclo Otto: impiegati nei motori a accensione comandata, abbiamo aria premiscelata con combustibile in mandata del cilindro; ho come in ogni ciclo una compressione ed una espansione ISOENTROPICA, e scarico a volume costante, il ciclo Otto si differenzia per aver la combustione a volume costante.

Ciclo Diesel: utilizzato per i motori ad accensione per compressione, combustibile iniettato nebulizzato dentro la camera di combustione, l’aria calda e l’alta pressione innescano una autocombustione prolungata nel tempo, ho compressione ed espansione isoentropiche, scarico di calore a volume costante, combustione avviene a pressione costante.

Ciclo Sabathè: ciclo che può descrivere sia i motori ad accensione comandata, sia i motori per compressione, caratterizzato sempre da compressione ed espansione isoentropiche, scarico di calore a volume costante, la combustione avviene in parte a volume costante e in parte a pressione costante.

Espansione interrotta: interruzione dell’espansione dei gas combusti quando la pressione nel cilindro è superiore al valore di quella atmosferica, con una perdita di energia (recuperabile solo in motori turbo sovralimentati) considerevole per tutta l’espansione del ciclo.

2. Diagrammi T-s

2: diagrammi T-s: ipotesi di ciclo chiuso, confronto tra i cicli prefissato il rapporto di compressione, a parità di calore introdotto. Confronto i cicli a rapporto di compressione diverso, con stessa pressione massima.

Rapporto volumetrico di compressione sarebbe r = v1/v2, in particolare si può dir che il rendimento indicato cresce iperbolicamente al crescere di r. Nel Diesel invece è il rapporto di espansione che fa incrementar il rendimento.

3. Calcolo del rendimento termodinamico del Sabathè

3. Calcolo del rendimento termodinamico del Sabathè. Temperatura media dei gas di scarico.

¥ERAPPORTO VOLUMETRICO compressione di : = ÈÈTuRapporto volume costante di combustione a : == TÈTÈEppressione costante di combustione a Rapporto =: =-1VK costTisoeeurropicatrasformazione→ .→ = tefunzione→ esprimo temperaturetutte le diin :affettata ).it/TvTp( % "% )%("1- f→ rendimento )(: t.it= i, -e ..{ ]e)(1)Tu Tp Ehi+- -LA nevi hooooc

TEMPERATURA GAS scarico Hanno orsinetemperaturedel di del.

4. Ciclo limite, effetti variazione capacità termica, variazione composizione, dissociazione CO2

Ciclo limite, effetti variazione capacità termica, variazione composizione, dissociazione CO2. Diagrammi di indicatori reali, rendimento indicato.

Il ciclo limite è un ciclo che in cui si tiene conto delle caratteristiche del fluido di lavoro, continuando però a considerare la macchina cimd ideale.

• L’aumento della capacità termica del fluido reale comporta una riduzione del rendimento del ciclo limite rispetto a quello ideale; (la capacità termica aumenta con la temperatura)
• Bisogna mantenere il fluido ad alte temperature per dissociare i prodotti di ossidazione del combustibile, le molecole di CO2 ->CO, quelle di H2O ->H2 e O2, si dissociano tanto velocemente quanto si combinano per formale le molecole prima indicate, al crescere della T gli equilibri si spostano verso destra e aumenta la frazione molare dei prodotti dissociati, altrimenti è il contrario. Conseguenza di questi effetti è un rilascio di energia reale inferiore a quello teorico.

DIAGRAMMI indicatori REALI . %Indicato L' 80 del Rendimento Del RAGGIUNGE Mediamente il LIMITE corrispondente CICLO.

5. Determinazione della potenza per via termica, rendimento organico

5. Determinazione della potenza per via termica, rendimento organico. Definizione dei termini di rendimento (indicato, di combustione, termodinamico). Combustione, rapporto A/F, lambda, bilanciamento reazione di base C43H84. Definizione di tonalità termica per motori ad accensione comandata e per compressione. Fattore di carica (rendimento volumetrico), espressione della potenza e della coppia con dipendenza esplicita da cilindrata e densità del fluido aspirato.

→ FARPER Rendimento ORGANICO VARI FUNZIONARE USATI RENDIMENTO ORGANI DEI: MOTORE IL albero lavoro motore {÷% →. = )( =/ PoloLiLavoro indicato→carinumero→Lo 2¥po ALBERO MOTORE potenza→ : .= l'( )TEMPI2 =LperCORSE→ numero ciclo Teletempi µPopoeti LthF- I.? se%- -unitàper Lavoro DI MASSA→€Mtb→ Rendimento termodinamico : = unità massaper calore di→↳ Lth 4th 01.-02( 4242043Cles 6402Hole →→ Reazione t t+84 600Miguel 3243 20486412 Mq . =- = ==NNOZ 2048 Bisogna considerare L'CHE area utilizzata= 600Mpeg Kg kgÈ 0,23 per ogni DI CIRCA di aria .¥ ARN-lcohbustlb.ve ÈRapporto DEI nessuno DETTO stechiometria quando= È eccesso REAGENTI in.

Il AFR )( Meir Meir 1Moz AFR 2048 14.84= == = ..Moz 600Miguelmnfuel 0,23 ( )Benzina14.65 stechiometria tipici VALORI : ( )14.50 gasolio )(17,00 metano( )9,00 etanolo del stechiometria da(d) AFRd'→ aria indice : ( )| grassa Fuel Eccesso 1( <)AFR St ) ( )Aria eccesso e> magra MaiaM' )(fuel mnifuel combustibile effettiva= M di MassagueqMpeg = gtomfuee.LT( maie combustione partecipa alla che .Q (0.95/0,98)% 'RENDIMENTO→ di combustione : = Mim'pree' ← calorifico inferiore potere

QUANTITÀ TONALITÀ→ Rappresenta BE DI termica CALORE PARAMETRO L'CHE LA: =fluido1kgData Dalla ASPIRATO di combustione PERFETTA di.

1sePo dv' Vcli fa%Potenza ftp.nf.info MfMg ' ' =- --= . tCilindro[→ ÷it :[÷ III.# :[ :[. : ÷:S:[÷ 'nseiv.Po Vcfg ' Mi? %li - .. --= . parità potenza PER coppia ALa Regolare La di ovvero m :, ( pressionefg→ A sistema farfalla di modifico La Agendo VALVOLE sul La diminuisco, VC→ coppia aumentare aumento per .,ff→ PER aumentarnesovralimentati coppianei UTILIZZO, .→ parità potenza di M aumenta coppia la a.

6. Gradi di libertà per modificare progettualmente e regolare la potenza del motore

6. Gradi di libertà per modificare progettualmente e regolare la potenza del motore, in motori ad accensione comandata e compressione.

Prestazioni: coppia, pressione media effettiva, pressione media indicata, consumo specifico, curve di prestazione: P, C, Cs, per motori accensione comandata e compressione.

Curve di coppia, potenza e consumo specifico per motori naturalmente aspirati e sovralimentati.

→ Potenza RAGGIUNGIBILE PROGETTUALI MODIFICHE massima PER modificare La :VC Aumentata Aumenta SE anche• LA coppia: . parità• aumentareper M a incrementato potenza La di coppia: .ff° PER dei coppia sovralimentati Aumentare motori UTILIZZATO LAi .coppia→ i TONALITÀ dipende dalla TERMICA:?{MO ftp.I-mfg.VC.tv densità dalla carica di' eµ== = -. Rendimento totale .)(PME pressione→ Effettiva PARAGONARE con valore media diche consente MOTORI: DIFFERENTI CILINDRATE .| ¥ NoPNE E P sepre Vc; -. -. Potenza ALBERO carico visto come PUÒ ESSERE motore DEL TERMICO.

( )PMI→ Riferita media discorso lavoro ma pressione stesso al indicata : insicuro .Li PME EPMI Me piMi== = =Vc Io 70 %dicoppia indicata PME PMI che CHE legate organico rendimento sono dato sia al PMI Pre più sarà avremo che alti giri massima ns di.

)(BSFC→ specifico hece consumo ? combustibile Rapporto di portata tra: di dato valore ottenere un PER Sarto sui Potenza potenza stessa albero LAE .,2¥• MercemingereMerce .BSFC = = =Po seFaiMi seFaiMim' m'guee . - Lee . -ti{ e d- iseBSFC = RiotHi -È "BSFC se ^' .neta. ,→ adell'graficibene PER tenere disegnare conto i devo che angolo curva punto Generico della UN SEGMENTO AD :congiunge il Po MoTom (a) 2km Mo' zit-=== m m→ →aspirato motore naturalmente PER PAIO DI ARRIVARE un CICLI Impiega )(sovralimentati0,1 ipieno Seccarico A , )( 1-Elettricamente impiegato zsec1 più le avanti Vediamo modifiche alla valvola7)(Farfalla figura.

→ DATO piatta caratteristicamente MOTORI SOVRALIMENTATI CHE CURVA coppia di: ,POTRÒ Pressione ALLORA MAGGIORE usare una% " più posso " stessa PER Limitarla coppia giri a AVER .POSSIBILITÀ PUÒ Questa sfrenatisi non La tre INA Quanto GIRI BASSI A mandare RIESCE turbina non Abbastanza pressione mandata in.

L' della andamento decrescente È fase dovuto coppia finale in parti Delle sicurezza mobilia ( )Wargirano TROPPO aumenta CHE di.

→ simile Raggiunge quanto molto DIESEL prema LA diesel coppia in Max non: , POSSIBILITÀ ASPETTARE LA DEVE IMPIEGO detonazione DI DI, )( VGT turbine Geometria variabile Meno sensibili variazioni a portare di

7. Curve di coppia per motori aspirati in regolazione

7. Curve di coppia per motori aspirati in regolazione. Superfici di livello iso-consumo per motori ad accensione comandata e per compressione. Downsizing, downspeeding, operating point shifting.

→ PER IN ASPIRATI CURVE REGOLAZIONE COPPIA MOTORI DI , più parziale velocemente con scendere Tende La a note coppia ZZATA valvola: PERCHÉ maggiore che giri pressione Bassi caduta di a. una HO ad Act , .Aconsumo specifico→ all' ALBERO coppia SE LA si annulla.

→ consumo motori accensione comandata Iso -.

Notiamo fin da subito che il consumo minimo lo individuiamo ad una velocità non troppo elevata e ad un carico vicino a quello massimo, per esempio se ci portassimo a 3000 rpm con coppia 110 abbiamo un valore minimo di consumo, rimanendo a quella velocità e diminuendo la coppia notiamo un notevole aumento del consumo, questo era il caso di un aspirato.

Nel caso di un motore sovralimentato avremo una curva piatta nel grafico quindi un range più alto di velocità per avere un consumo minimo ad un carico leggermente inferiore a quello massimo.

I motori diesel quindi quelli per compressione avremo un caso simile al motore per accensione comandata ma con dei Delta dei consumi molto più piccoli, passando da 190 g/kWh (1200 rpm, 20 bar) a 240 g/kWh (1200 rpm, 5 bar).

→ Ridotte downsizing OPERARE TURBOCOMPRESSORE tcon cilindrate= Mo VePME .= poema potenza→ contenuti sulla GIRI AGIRE con SPEEOING vi down = .:→ %Rendimenti Avremo inferiori maggiori 30 del carico massimo Ea20% parziale Quello zzaro con del.

8. Effetto della velocità di rotazione e carico sul rendimento organico

8. Effetto della velocità di rotazione e carico sul rendimento organico. Effetto della velocità di rotazione e carico su coefficiente di riempimento, rendimento di combustione, rendimento indicato.

① 1 Mostra una bassa sensibilità alla velocità %RENDIMENTO combustione• DI =: MiMiguel di rotazione in quanto un basso numero. di giri rappresenta un ingresso meno turbolento portandolo a livelli ottimali.

Quindi in caso di rotazioni troppo elevate non ci sarà il tempo materiale per far avvenire le reazioni dei reagenti in camera di combustione. €ftp. Rimane costante• Rendimento termodinamico : li%indicatoRendimento i• =. lteorico

I fenomeni di attrito sono sensibili alla velocità di rotazione, in quanto aumentano all’aumentare della velocità;

Gli scambi di calore con le pareti diminuiscono quando la velocità aumenta a causa del mancato tempo a disposizione per effettuare gli scambi termici;

Stesso discorso riferito alle perdite di massa di fluido attraverso le fasce elastiche del pistone, perdite che tenderanno a diminuire se la velocità aumenta in quanto il fluido starà meno tempo nel cilindro.

Sommando questi effetti il rendimento indicato avrà una curva che sale e poi scende in base alla velocità di rotazione del motore. PRESSIONE PERDUTA MEDIA :→ rappresenta lavoro SPESO il in PMIPIE p PMP% attriti ORGANI E• diviso Ausiliari ORGANICO RENDIMENTO - 1-: == =Pmi per cilindrata motore PM PMI .,PHP3 PER INDIVIDUO indicare termini :PMP PMIKe1 .=. ' !(Maier II. CipII azioni inerziali dipendente Wars LizPMP ×2 a e. Ve )(Kg3 PHP motore E giri dai dipende carico del dal=.v andamento decrescente buoni mapieno carico a VALORI.

Reale entrata Miguel → Massa• Riempimento COETF di :. mq teorica entrata massa→

La velocità sul coefficiente di riempimento ha molto impatto, infatti basti pensare che un aumento della velocità dei gas comporterà un aumento quadratico delle perdite di carico con impatto ovvio sulla massa del fluido aspirato.

9. La combustione: descrizione fenomenologica del processo a partire da Arrhenius

9. La combustione: descrizione fenomenologica del processo a partire da Arrhenius. Combustione premiscelata e diffusiva.

Le reazioni di ossidazione avvengono in fase gassosa, quindi sarà più veloce se i nostri reagenti saranno gassosi, la velocità dei reagenti sarà influenzata anche dal fatto che i reagenti siano distribuiti in modo omogeneo; durante la combustione avvengono migliaia di reazioni legate tra di loro, i prodotti Intermedi delle reazioni consentono alle successive di progredire, le possiamo descrivere dal punto di vista della velocità con l’equazione di Arrhenius: ( )Eq più ENERGIA termine di attivazione importante=È# cpne -Wr =.VELOCITÀ PER TEMPERATURE bassa Reazione alzano PER Poasse e si di ,Eapiù alte temperature alzasi La Quanto.

Combustione premiscelata: tipica dei motori ad accensione comandata, dovuto al fatto che il combustibile viene immesso in camera in anticipo rispetto alla fase di combustione consentendo una miscelazione omogenea in parte dovuto alla benzina molto vaporizzata.

Combustione diffusiva: il combustibile viene iniettato direttamente nel cilindro alla fine della fase di compressione e dunque non ha il tempo di formare una miscela omogenea con l’aria aspirata, la velocità con cui essa avrà luogo sarà influenzata dai moti della carica che facilitano l’incontro tra i reagenti (oltre ad altri fattori che promuovono la vaporizzazione). Questo meccanismo di combustione è più lento di quello premiscelato proprio perché servono alcuni passaggi prima di passare alla reazione vera e proprio di combustione.

10. Autoaccensione di una miscela omogenea, tempo di induzione

10. Autoaccensione di una miscela omogenea, tempo di induzione. La combustione con propagazione del fronte di fiamma : incubazione, velocità