Appunti completi per preparare l'orale di Motori a combustione interna

INERZIA DELLA COLONNA FLUIDA

Si consideri l'ambiente di aspirazione a p_infinito mentre l'aria aspirata all'interno del cilindro alla

pressione p. La velocità con cui l'aria entrerà all'interno del cilindro sarà funzione della differenza tra

queste due pressioni. Infatti l'aria nell'ambiente a p_infinito è inizalmente ferma e dovrà essere accelerata

per entrare all'interno del cilindro. Si consideri la seconda legge della dinamica F = m*a (supponendo

l'aria a densità costante).

F = S*(p_infinito - p) = pressione * superficie

m = delta*l*S = densità * volume

a = dc/dt = derivata della velocità nel tempo

S*(p_infinito-p) = delta*l*S*dc/dt (semplifico entrambe i termini di superficie e metto in evidenza dc/dt)

dc/dt = (p_infinito-p)/(l*densità) (all'aumentare del gradiente di pressione, quindi all'aumentare della

depressione nel cilindro, al diminuire della densità e della lunghezza del condotto l'accelerazione

aumenta)

Posso quindi scrivere la portata massica come il prodotta tra velocità dell'aria per la superficie attraverso

la quale transita per la densità: G = c*delta*S. La derivata della portata (ovvero la rapidità con cui varia la

portata) sarà data da:

dG/dt = delta*S*dc/dt; sostituendo dc/dt precedentemente ricavato: dG/dt = (p_infinito-p)*S/l

Si osserva quindi l'elevato sforzo che si spende per accelerare l'aria e farla rifluire all'interno del cilindro.

A tal proposito bisogna attenzionare molto le tempistiche legate alla chiusura ed apertura delle valvole.

Dopo aver speso energia per mettere in moto la colonna d'aria non posso chiudere, per esempio,

l'aspirazione quando lo stantuffo è al punto morto inferiore (fine della corsa di aspirazione). Per

aumentare l'aria, che per inerzia continua ad entrare del cilindro, mantengo ulteriormente aperta la

valvola di aspirazione (si dice che ne viene ritardata la chiusura), per lo stesso motivo può essere

anticipata l'apertura della valvola d'aspirazione. La velocità del fluido aspirato varia con il regime del

motore, la soluzione ideale sarebbe variare la fasatura delle valvole al variare del regime. Attenzione però

a gestire il ritardo di chiusura della valvola d'aspirazione: per determinati regimi (bassi), parte dell'aria

rifluisce nel condotto di aspirazione (viene appunto annullata la velocità dell'aria nella direzione di

aspirazione e piuttosto inizia a guadagnare velocità nella direzione di espulsione, non bene). Stesso

discorso può essere fatto per i gas di scarico, pensando di chiudere in ritardo la valvola di scarico.

I sistemi a fasatura variabile hanno come obiettivo il massimizzare il più possibile il coefficiente di

riempimento ad ogni regime di moto. In questo modo la curva del coefficiente di riempimento al variare

del regime non è più dipendente dalle tempistiche di un sistema di valvole a fasatura fissa, ma è dato

dall'inviluppo dei massimi che si raggiungono utilizzando diversi sistemi a fasatura fissa ottimizzati per

ogni regime.

Le valvole vengono aperte e chiuse in sincronismo con le varie fasi del ciclo, ne deve quindi essere

accuratamente controllata l'apertura e la chiusura. Per far ciò si utilizza in genere la distribuzione, ovvero

un albero a camme collegato meccanicamente all'albero motore che permette grazie appunto ad una

coppia o più di camme di poter controllare il profilo d'alzata delle valvole. Il profilo della camma è di

particolare importanza per quanto riguarda il profilo d'alzata, si vedrà nei sistemi a fasatura variabile come

al variare di questo vari l'alzata valvola. Esistono diversi sistemi per mettere in collegamento l'albero a

camme e la valvola: possono essere direttamente in contatto, può tra loro essere frapposto un bilanciere,

può essere realizzato un sistema con asta e bilanciere (se l'albero è posto in basso), etc. Esiste un

particolare tipo di distribuzione chiamata DESMODROMICA. In questo tipo di distribuzione, la particolarità

è che non uso molle per controllare il ritorno della valvola, ma un sistema di camme, ruote dentate e

bilancieri a cui sono direttamente collegate le valvole. L'idea di questo sistema potrebbe essere quella di

poter avere un profilo d'alzata valvola più verticale, vincendo lo smorzamento causato dalla presenza

della molla, ma la cosa in realtà non si verifica.

Il profilo di alzata valvola in realtà si presenta scampanato a causa dell'inerzia della valvola non

instantaneamente reattiva. Anche se la valvola pesa poco, la velocità con la quale deve aprire e chiudersi

è talmente elevata che ci sono in gioco accelerazioni enormi e quindi elevatissima inerzia. La spinta sulle

camme è difatti notevole.

VALVOLE A FUNGO

Sono costituite da uno stelo cilindrico di piccolo diametro che scorre nel canale di guida valvola.

Presentano una testa ed un margine. L'alloggiamento della testa della valvola prende il nome di sede

valvola.

Possono essere identificate due sezioni di passaggio: area sede valvola ed area di cortina.

AREA SEDE VALVOLA: è pari all'area della testa della valvola meno l'area dello stelo della valvola (area

di una corona circolare), risulta essere sempre costante al variare dell'alzata.

AREA DI CORTINA: superficie laterale del cilindro che ha come diametro quello della valvola e come

altezza l'alzata valvola.

Si considera, come area di accesso del fluido al cilindro, quella più piccola tra l'area sede valvola e l'area

di cortina. Per alzate inferiori ad un certo punto (mm) considero area di cortina (più piccola a causa anche

dei fenomeni di strizione della vena fluida), poi quella di sede valvola (costante e minore, a questo punto,

dell'area di cortina). Per questo motivo l'alzata massima della valvola è generalmente pari a

0.3*diametro_valvola (all'aumentare dell'alzata si verificano fenomeni di restringimento della vena fluida,

area effettiva minore di quella nominale). Per tenere conto dei fenomeni di restringimento si considerano

due coefficienti di efflusso:

DISCHARGE COEFFICIENT: per l'area di cortina

FLOW COEFFICIENT: per l'area sede valvola

Si osserva che al variare dell'alzata valvola si manifestano fenomeni di restringimento della vena fluida

nell'area di cortina, quindi la portata smaltita all'aumentare dell'alzata valvola si riduce progressivamente.

All'opposto, all'aumentare dell'alzata valvola aumenta la portata smaltita dall'area sede valvola.

Teoricamente, il profilo d'alzata perfetto sarebbe verticale, ma a causa dei fenomeni di inerzia della

valvola assume una forma più scampanata.

DIAGRAMMA POLARE DELLA DISTRIBUZIONE DEL MOTORE 4T (DIFFERENZE TRA IDEALE E

REALE

Nel diagramma reale, diversamente da quello ideale, devo sempre tenere conto di anticipi e ritardi

nell'apertura e chiusura delle valvole, per favorire le fasi di aspirazione e scarico. Infatti la sezione di

passaggio deve essere abbastanza aperta quando devo far fluire fluido e la chiusura in ritardo per

prevedere fenomeni di inerzia della colonna fluida. Devo però porre l'attenzione sul profilo d'alzata reale

delle valvole di ingresso e scarico. In parte questi due profili si sovrapporrano, si dice che si incrociano

parzialmente, ovvero saranno per qualche istante aperte contemporaneamente. In questa fase purtroppo

si verificano fuoriuscite di combustibile e aria fresca, è quindi un sistema di lavaggio poco efficiente.

Attualmente a questo si preferiscono sistemi EGR (exaust gas recirculation).

PROPAGAZIONE DELLE ONDE DI SOVRAPPRESSIONE NEI CONDOTTI

Condizione: aspirazione da serbatoio ambiente a pressione p_infinito all'interno del cilindro a pressione p.

Ipotesi semplificativa: valvola si chiude istantaneamente. A causa dell'inerzia della colonna fluida, l'aria

stessa comprime l'aria rimasta nel condotto di aspirazione nei pressi della valvola. Questo genera

un'onda di pressione che si propaga nel condotto di aspirazione in direzione opporsta a quella di

aspirazione a velocità prossima a quella del suono (cs - c). Quando l'onda raggiunge il serbatoio

d'aspirazione si crea una depressione nel condotto. A causa di ciò si genera un'onda di depressione che

si propaga all'interno del condotto di aspirazione verso la valvola a velocità leggermente superiore

rispetto quella del suono. Trovando però la valvola chiusa, quest'onda viene riflessa in direzione opposta,

muovendosi verso il serbatoio di aspirazione. Si verifica quindi la stessa cosa.

Tutto ciò per un totale di 4 riflessioni (andata e ritorno x4). L'idea è quella di sfruttare questa onda per

aumentare la quantità d'aria che è possibile immettere nel cilindro in fase di aspirazione. Calcolando

quindi il periodo dell'onda, è possibile scrivere: T = 4*L/cs (L è la lunghezza del condotto e cs è la velocità

del suono). La durata (in termini di angolo di manovella) in cuil a valvola resta chiusa, è pari a 540°. Per

convertire questa grandezza in unità di tempo la divido per 6*n. Infatti è una velocità angolare ricavata

come (360*n/6). Se sincronizzassi quindi l'apertura della valvola con l'arrivo dell'onda riflessa, immetterei

nel cilindro altra aria più densa.

Eguagliando quindi il tempo di percorrenza dell'onda al tempo per cui resta chiusa la valvola, posso

trovare la lunghezza del condotto tale da far coincidere l'ultima riflessione con la valvola aperta.

T = 4*L/cs = 540/(6*n)

Posso definire una variabile k che varia al variare della lunghezza del condotto e del regime. Tanto più

piccola è k, maggiore è il beneficio ottenuto dall'onda di pressione. k deve però essere un intero, se così

fosse si otterrebbero le condizioni di risonanza volute, diversamente si lavorerebbe in antirisonanza. Il

problema è che per sortire un effetto positivo, k deve essere molto piccolo (2, 3, 4 max) e questa

condizione si verifica a numero di giri molto elevato. Si può pensare quindi di adottare condotti a

geometria variabile in modo da ottenere k bassi anche al variare del regime (in questo modo si adatta la

lunghezza del condotto, essendo L a denominatore, man mano aumenta il regime, si allunga il condotto e

si mantiene basso il valore di k).

Le perdite di gas a causa delle tenute imperfette si riducono all'aumentare del regime

PERDITE PER ATTRITO MECCANICO ED ENERGIA DRENATA DAGLI ACCESSORI

La FMEP è la pressione media equivalente dell'energia persa per attrito meccanico e per alimentare gli

accessori. E' data dalla differenza tra l'IMEP e la BMEP. Le perdite possono essere ricondotte a 3

principali fattori:

1. l'attri