Motori a combustione interna

Motori a combustione interna

I motori a combustione interna possono essere classificati, in maniera non univoca, in funzione di:

Accensione

Può essere:

• Comandata: motori a ciclo Otto, in cui la combustione, che inizia grazie a una scintilla causata da un impulso elettrico che coinvolge la candela, è teoricamente isocora.
• Spontanea: motori a ciclo Diesel, in cui la combustione avviene grazie al raggiungimento di determinate condizioni di pressione e temperatura all’interno della camera di combustione, che permettono l’innesco delle reazioni chimiche grazie al raggiungimento dell’energia di attivazione.

Durata ciclo

• 2 tempi: il pistone effettua solamente due corse per concludere un ciclo, che è composto da aspirazione, compressione e combustione durante la prima corsa, mentre da espansione, scarico e lavaggio per la seconda corsa. In questo motore l’aspirazione non avviene nel cilindro principale, e durante la fase di lavaggio viene immesso un nuovo fluido che spinge il pistone verso il basso ed espelle i gas di scarico.
• 4 tempi: il pistone effettua quattro corse per concludere un ciclo, ovvero aspirazione, compressione, combustione e scarico.

Disposizione cilindri architettura motore

• In linea.
• A V, doppia V W.
• Radiale.
• Stellare.

Numero cilindri

• Mono-cilindro.
• Multi-cilindro: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16, 18, 20, 24.

Alimentazione aria

• Aspirazione naturale: non fa ricorso ad una macchina esterna che manda aria al motore. N.B. se varia la pressione dell’aria, di conseguenza varia anche la sua densità, quindi a pari volume di aria aspirato, la massa è minore, quindi a seguito di variazioni di pressione questo motore riscontra problemi di prestazioni, dovuti alla minor energia rilasciata per ogni ciclo, e quindi minor lavoro termodinamico prodotto.
• Sovralimentazione: fa ricorso ad una macchina esterna che manda aria al motore. Questi motori vengono alimentati con un fluido compresso, con il quale si compensa un’eventuale perdita di densità, che viene compressa da un compressore, alimentato da una turbina che viene messa in moto dai gas di scarico, che hanno un contenuto entalpico molto elevato.

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Alimentazione combustibile

• Carburatore: la miscela aria-combustibile viene formata all’esterno del motore sfruttando un condotto convergente-divergente, principio di Venturi, che fa aumentare la portata d’aria sfruttando la depressione, permettendo quindi l’aspirazione di più combustibile.
• Iniezione, diretta o indiretta: per il caso dei motori Diesel l’iniezione avviene direttamente in camera di combustione, permettendo, ad elevate temperature, l’evaporazione del combustibile, che si miscela localmente, nelle zone in cui si è raggiunto il giusto rapporto aria/combustibile, con l’aria, iniziando la combustione, la quale porta ad un ulteriore aumento di temperatura, completando il miscelamento.

Natura del combustibile

• Liquido: il liquido in sé non brucia, lo fa se viene miscelato con l’aria, ma affinché ciò avvenga bisogna portare il combustibile alle condizioni di miscelamento.
• Gassoso.

Raffreddamento

Può avvenire mediante:

• Aria: la testa e la parte alta del cilindro sono caratterizzate da un’alettatura, che aumenta la superficie di scambio termico con l’aria, caratterizzata da un basso coefficiente di scambio termico, che va compensato con un’elevata superficie di scambio termico per produrre una sufficiente potenza di scambio termico.
• Liquido: prevede un radiatore, scambiatore acqua-aria, che trasferisce il problema in un’altra zona del motore, e un impianto di raffreddamento in cui fluisce un liquido composto da acqua e glicole, che aumenta la temperatura di ebollizione dell’acqua, la quale altrimenti evaporerebbe date le alte temperature del motore; in alternativa si pressurizza il condotto, per aumentare la temperatura di ebollizione dell’acqua.

Funzionamento del motore

Il motore a combustione interna definisce il suo funzionamento in base a:

• Regime di rotazione.
• Carico: è un lavoro che viene erogato a un certo regime di rotazione, che fornisce quindi potenza; aumentando la resistenza, per mantenere la stessa velocità devo fornire più carico.

Motori ad accensione comandata

In questi motori l’aspirazione del combustibile avviene mediante carburatore o iniettori nel condotto di aspirazione/nel cilindro, quindi la miscela aria-combustibile viene formata a monte del cilindro, deve essere il più possibile omogenea e il combustibile deve essere il più vaporizzato possibile, altrimenti si rischiano scarse prestazioni e di conseguenza bassi rendimenti.

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Il carico del motore viene regolato mediante valvole a farfalla, che regolano la quantità d’aria, e quindi di combustibile, che entra nel cilindro; per far aumentare il carico, e quindi il lavoro meccanico, serve una maggiore densità d’aria: ciò avviene intercettando i condotti di aspirazione mediante una valvola a farfalla, che introduce una perdita di carico grazie alla differenza di pressione tra valle e monte; se la valvola viene chiusa diminuisce la pressione, e quindi la densità, dell’aria.

Motori ad accensione spontanea

Il carico del motore viene regolato variando la quantità d’aria nel combustibile introdotta nel cilindro ad ogni ciclo.

Pro

• Rendimenti più elevati, maggior rapporto di compressione volumetrico.
• Rendimento del motore non dipende dal carico, non ci sono valvole a farfalla, quindi il motore non si trova ad aspirare aria in condizioni di depressione, che comportano un maggior lavoro.
• A pari potenza, la coppia trasmessa all’albero è maggiore rispetto al motore ad accensione comandata, questa viene fornita ad un regime di rotazione minore.

Contro

• Minor rapporto potenza/peso, maggiori livelli di pressione massima del ciclo termodinamico, quindi il motore viene dimensionato in modo più voluminoso, per esempio con pareti più spesse.
• Lento processo di combustione, non si possono raggiungere elevati regimi di rotazione.
• Motore più rumoroso, a causa del processo di combustione, che involve un processo di auto-accensione, che comporta alti gradienti di pressione.

Motori a due tempi

Hanno come obiettivo quello di massimizzare l’efficienza meccanica, vengono infatti rimossi tutti i componenti esterni, tra i quali anche la pompa di lubrificazione; per ovviare a questo problema:

• Nei motori ad accensione comandata alla miscela aria-combustibile viene aggiunto dell’olio lubrificante. In fase di scarico tuttavia 3 viene in parte emessa la miscela aria-combustibile-olio lubrificante ancora incombusta, causando un alto livello di inquinamento.
• Nei motori ad accensione spontanea vengono ricavate delle luci sul cilindro, che permettono ai fluidi di lavoro di passare quando il pistone si trova al PMI, per poi venire espulsi dalla valvola, posta nella parte superiore del cilindro, al termine del lavaggio, che per questi tipi di motore prende il nome di “lavaggio unidirezionale”, effettuato esclusivamente con l’aria stessa; tuttavia il processo di lavaggio nei motori Diesel risulta complicato a causa dell’ampia corsa.

Motori a quattro tempi

Nei motori a quattro tempi durante la 3a corsa, quella di espansione, viene introdotta aria fresca in camera di combustione, e ciò migliora il raffreddamento del motore.

Parametri motoristici

Parametri geometrici e cinematici

• Alesaggio D [m]: diametro nominale del cilindro.
• Corsa C [m]: distanza percorsa dal pistone dal PMS al PMI.
• = 2 ∙ !
• Cilindrata unitaria V [m³]: volume spazzato dal pistone, che quindi è l’interno volume del cilindro meno il “volume morto”, ovvero il volume dell’estremità superiore del cilindro Vc.
• ! = 4 4
• Rapporto volumetrico di compressione r [-]: + ! = 9 ÷ 14, 14 ÷ 24 !
• Velocità di rotazione angolare dell’albero motore [rad/s] o [gradi/s].
• Velocità di rotazione dell’albero motore N [giri/s] o [giri/min]. N.B. questa non è costante, subisce delle accelerazioni/decelerazioni imputabili al moto del pistone, tuttavia si approssima a costante grazie alla trasmissione, che assorbe queste irregolarità.
• Frequenza di ciclo f [giri/ciclo].
• Angolo di manovella [rad] o [gradi]: = = 2.
• Spostamento istantaneo del pistone s [m]: p1 1 1 = 1 + − − 1 − ! !!
• Velocità istantanea del pistone u [m/s].
• Accelerazione istantanea del pistone a [m/s²].
• Volume istantaneo del cilindro V [m³].
• Velocità media del pistone [m/s]: ! = 2 6 ÷ 27 /!

Parametri termodinamici

• Coefficiente di riempimento, rendimento volumetrico [-]: definito come il rapporto tra la massa d’aria effettiva introdotta nel cilindro per ogni ciclo e la massa che teoricamente potrebbe riempire un volume pari alla cilindrata stessa, escluso lo spazio morto, con massa volumica riferita a condizioni prefissate. Misura il grado di utilizzo della cilindrata disponibile per far entrare nuova aria nel cilindro, alla fine di ogni ciclo; ! ! ! = = = ! ! ! !
• Lavoro indicato L, per cilindro, [J]: area racchiusa dalle trasformazioni termodinamiche che determinano il diagramma p-V; = !

Il lavoro indicato, nei motori 4 tempi, può essere visto come = + ,!,! in riferimento al suo ciclo termodinamico, pagina precedente, in cui la fase A consiste nel lavoro scambiato tra gas e pistone durante le corse di compressione ed espansione, mentre la fase B nel lavoro scambiato tra gas e pistone durante le corse di scarico e aspirazione, ed è definito “lavoro di pompaggio”, che può essere < 0 < o > 0 !"#$%!&$'() !"#$%"& > : se è > 0 la zona B viene percorsa in senso orario. !"#$%!&$'() !"#$%"&

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Nei motori ad accensione comandata, regolando il carico mediante valvola a farfalla, si crea una depressione, che porta entrambe le aree del ciclo termodinamico, indicato nel diagramma p-v, ad abbassarsi, influenzando il consumo di combustibile. Nei motori ad accensione spontanea invece una variazione di carico, non essendo regolato da valvole, non comporta modifiche della parte B del grafico, ma solo della parte A: il consumo quindi dipende dal carico solo in parte.

• Potenza indicata P [W]: è diversa dalla potenza effettiva/meccanica, poiché non tiene conto della potenza assorbita per vincere gli attriti interni al motore e della potenza assorbita dagli ausiliari. ∙ ! ! ! = = =! !"!#$ Con numero di giri dell’albero motore per completare un ciclo termodinamico, 2 tempi: = 1, 4 tempi: = 2.
• Pressione media indicata p [Pa].

Parametri meccanici

• Coppia effettiva all’albero M [Nm]: viene misurata con un freno dinamometrico; all’albero viene connesso il rotore del freno, e al rotore viene connesso elettro-magneticamente lo statore, sostenuto da cuscinetti: la coppia esercitata sullo statore viene misurata attraverso una cella di carico che impedisce la rotazione poiché lo vincola al basamento; = ∙ !
• Potenza effettiva all’albero P [W]: = ∙ = 2 ∙ ∙ = ! ! ! !" !
• Rendimento organico, meccanico [-]: coefficiente che permette di passare dalle grandezze indicate a quelle effettive, tenendo conto della potenza spesa per vincere l’attrito tra gli accoppiamenti cinematici del motore e della potenza ceduta agli ausiliari, pompa dell’olio, pompa del combustibile, pompa del refrigerante e alternatore, che si occupa di tutti gli ausiliari elettrici; ! =! !
• Pressione media effettiva p [Pa]: indice di prestazione, rappresenta il lavoro effettivo per ciclo e per unità di cilindrata. Può essere utilizzato come parametro di confronto tra motori di differente cilindrata e differente velocità di rotazione; ∙ ∙ ! ! = =!" ! ∙ ∙ ∙ ! ! = =!" ! ∙

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• Consumo specifico di combustibile c [g/MJ]: utilizzato per stabilire con che grado di efficienza un motore sta utilizzando il combustibile per produrre energia meccanica, portata di combustibile consumato per unità di potenza effettiva; ! =!" !
• Rendimento globale [-]: misura l’efficienza con cui l’energia contenuto nel combustibile è convertita in lavoro meccanico disponibile all’albero. ∙ ! ! ! = = =! ∙ ∙ ∙ ! ∙ ! ! ! ! !! =! ∙ ! ! con Hi potere calorifico inferiore, cioè l’energia rilasciata dal combustibile nell’unità di tempo.

Altri

• Rapporto aria-combustibile, dosatura [-]: è relativo ad una specifica condizione di funzionamento, dipende da:
• Caratteristiche del combustibile.
• Tipo di regolazione della potenza.
• Sistema di miscelamento aria-combustibile.
• ! = !
• = 13 ÷ 14,7: nei motori ad accensione comandata il rapporto aria-combustibile è quasi costante poiché la regolazione è fatta variando la massa della miscela aspirata, non il rapporto stesso.
• = 18 ÷ 70: nei motori ad accensione spontanea la regolazione del carico avviene variando il rapporto aria/combustibile.

Mappe di funzionamento del motore: prestazioni

In funzione del carico resistenza, utilizzatore accoppiato al motore, è importante conoscere come il motore fornisce le sue prestazioni, coppia, potenza, consumi, emissioni, che sono funzione dei processi termo-fluidodinamici che avvengono nel processo di aspirazione e scarico e nei cilindri: le curve caratteristiche sono quindi uniche per ogni motore considerato!

Delle particolari curve caratteristiche di prestazione sono quelle di coppia e quelle di potenza, entrambe in funzione del regime di rotazione del motore, a pieno carico.

Queste curve sono caratterizzate da un regime minimo di giri al minuto, sotto al quale si hanno alti effetti di attrito e irregolarità, che al di sopra di questa soglia sono 7 compensati dal volano, che può essere ingrandito per diminuire il limite minimo, ma ciò causerebbe enormi inerzie aggiuntive, e da un regime massimo, sopra il quale il motore non riesce a sopportare le sollecitazioni dinamiche.

Le curve caratteristiche sono costituite da 3 zone:

• 1. Crescita di P e di M al crescere di N, cresce; e e !
• 2. Crescita ridotta di P e decrescita di M e e all’aumentare di N, decrescono e; ! !
• 3. Raggiungimento della massima P: l’incremento e del regime motore non compensa più la decrescita di M. e

Tra la zona 1. e la zona 2. si raggiunge il valore massimo di Me, che tuttavia non viene raggiunto quindi al massimo regime di giri del motore, ma viene raggiunto in corrispondenza del regime ottimale ai fini del riempimento del cilindro!

∙ ! ! ! → = ∙ ∙ ∙! ! ! 2 ∙ 2 ∙ → = ∙ = ∙ ! ! !60

Il diagramma rappresentato a destra è tipico dei motori turbo-sovralimentati, caratterizzati dalla zona a pendenza nulla; questi motori, a pari cilindrata, forniscono dei valori di p, me quindi di coppia, più elevati dei motori aspirati.

Per sfruttare al meglio la potenza, i motori per applicazioni su veicoli stradali dovrebbero rendere disponibile alle ruote una potenza utile costante al variare della velocità del veicolo: in questo caso ottimale la forza motrice disponibile alle ruote aumenterebbe iperbolicamente al diminuire della velocità del veicolo poiché la resistenza incontrata dal veicolo è = = +, R tiene conto delle 0! ! condizioni ambientali, es. pendenza, R tiene conto della resistenza aerodinamica, 2 dell’attrito degli pneumatici, ecc.

Nella figura di sinistra sottostante è rappresentato l’andamento ideale, in cui la forza motrice massima presenta un limite, pari alla forza trasmissibile massima, determinata dall’aderenza delle ruote motrici; si evidenzia la forza accelerante = − . La figura sottostante a destra rappresenta il caso reale !" !(motore a 4 rapporti di velocità), nel quale è nettamente ridotta la forza accelerante, a pari velocità.