Appunti di Sviluppo e innovazione nei motori a combustione interna

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Energetica

Curriculum Energia

A.A. 2025/2026

Appunti di Sviluppo e Innovazione nei Motori a

Combustione Interna

Autore: Docenti:

Leonardo Gagliani Zacchei Giovanni Ferrara

Francesco Balduzzi

Indice

SOVRALIMENTAZIONE ...................................................................................................... 6

RENDIMENTO ORGANICO E SOVRALIMENTAZIONE ........................................................ 6

IMPATTO DELLA SOVRALIMENTAZIONE SULLE PRESSIONI .............................................. 8

ANALISI DELL'EFFICIENZA AI VARI CARICHI .................................................................... 8

DEFINIZIONE ................................................................................................................ 8

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI ...................................................................................... 8

SOVRALIMENTAZIONE MECCANICA ............................................................................... 9

Aspetti Termodinamici e Raffreddamento ................................................................... 9

Grafico Rapporto Densità ......................................................................................... 10

DETTAGLI SUL RAFFREDDAMENTO (INTERCOOLER) .................................................. 10

CONFRONTO CURVE: VOLUMETRICO VS DINAMICO .................................................... 11

Compressore Volumetrico (A Lobi) ........................................................................... 11

Compressore Dinamico (Centrifugo) ......................................................................... 11

ANALISI DELLA TURBOSOVRALIMENTAZIONE A P=COST ............................................... 11

Il Grafico Termodinamico (Ciclo di Scarico e Turbina) ................................................. 11

TURBOSOVRALIMENTAZIONE A IMPULSO .................................................................... 12

IL COMPRESSORE: ANALISI TERMODINAMICA ............................................................. 12

MAPPA DI FUNZIONAMENTO DEL COMPRESSORE ........................................................ 13

Considerazioni sulla Potenza Massima ..................................................................... 13

Tecniche per estendere il campo di funzionamento (evitare lo stallo) .......................... 13

SISTEMI A MOLTEPLICI STADI: SEQUENTIAL TWIN TURBO .......................................... 14

LOW-FLOW vs HIGH-FLOW TURBOCHARGER ........................................................... 14

STAZIONARIO E OPERAZIONE "NA" ........................................................................... 15

TURBINA .................................................................................................................... 15

EFFETTI DEL CARICO E DELLA COMPRESSIONE ........................................................ 17

IL TRANSITORIO .......................................................................................................... 17

ANALISI DEL GRAFICO E DELLE FASI (F , F , F ) .......................................................... 18

1 2 3

METODI PER RIDURRE IL TURBO-LAG ....................................................................... 18

CONSIDERAZIONI SUL TRANSITORIO ....................................................................... 18

EMISSIONI INQUINANTI .................................................................................................. 20

MOTORI MAC (Benzina) ............................................................................................... 21

MOTORI MAS (Diesel) .................................................................................................. 23

SISTEMI AFTERTREATMENT .......................................................................................... 24

BENZINA ................................................................................................................. 24

DIESEL .................................................................................................................... 25

LIMITI DI EMISSIONE ................................................................................................... 26

LOW TEMPERATURE COMBUSTION (LTC) ......................................................................... 28

MOTORE A BENZINA .................................................................................................... 28

MOTORE DIESEL ......................................................................................................... 28

SISTEMI GDI E CARICA STRATIFICATA ........................................................................... 28

NOTE SUL GRAFICO E TEMPERATURE ....................................................................... 28

FATTORI DOMINANTI DELLA COMBUSTIONE ............................................................. 31

CARATTERISTICHE DELLA COMBUSTIONE HCCI ....................................................... 31

REQUISITI PER IL FUNZIONAMENTO HCCI .................................................................... 31

1. LIMITI DEL RANGE OPERATIVO (HCCI operating range) ........................................... 32

2. LIMITAZIONI E SVANTAGGI TECNICI ...................................................................... 32

3. SFIDE DI PROGETTAZIONE E COSTI ....................................................................... 32

Strategie di Controllo................................................................................................... 33

L'EGR ...................................................................................................................... 33

SUPERCHARGING o TURBOCHARGING .................................................................... 34

PRE-RISCALDATORE DELL'ARIA ................................................................................ 34

Tecnologie alternative ................................................................................................. 34

3) RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) ......................................... 37

4) SACI (Spark Assisted Compression Ignition) .................................................... 38

5) LACI (Laser Assisted Compression Ignition) .................................................... 39

6) TJI (Turbulent Jet Injection) e TI (Torch Ignition) ................................................ 39

Per riassumere tutte le combustioni LTC: ......................................................................... 44

VEICOLI IBRIDI ............................................................................................................... 45

RENDIMENTO ORAGINCO E DI POMPAGGIO ................................................................ 46

CLASSIFICAZIONE DEI VEICOLI IBRIDI ......................................................................... 46

ARCHITETTURE DEI VEICOLI IBRIDI .............................................................................. 47

Hybrid - Parallelo ..................................................................................................... 47

Hybrid - Serie .......................................................................................................... 48

Hybrid - Serie-Parallelo ............................................................................................ 48

GRADO DI ELETTRIFICAZIONE ..................................................................................... 48

CARATTERISTICHE DEI BEV (Battery Electric Vehicles) ............................................... 49

CONFRONTO CARATTERISTICHE SERIE VS PARALLELO ............................................. 49

CONFIGURAZIONI IBRIDE - CLASSIFICAZIONE .......................................................... 50

SISTEMA PS (Power Split Device) .............................................................................. 52

RECUPERO DI ENERGIA NEI VEICOLI IBRIDI ED ELETTRICI ............................................. 53

STRATEGIE DI CONTROLLO HEVs ................................................................................. 54

CONFRONTO RISULTATI DELLE STRATEGIE ............................................................... 56

EFFICIENZA DEI VEICOLI ............................................................................................. 57

E-FUEL .......................................................................................................................... 58

PROPRIETÀ IN COMBUSTIONE ED EMISSIONI ............................................................... 60

STOCCAGGIO E REQUISITI ENERGETICI DEI CARBURANTI SOSTENIBILI ......................... 60

IDROGENO .................................................................................................................... 62

PROPRIETÀ E CARATTERISTICHE DELL'IDROGENO ........................................................ 63

LA CRITICITÀ DELLA DENSITÀ E LA SOLUZIONE AMMONIACA (NH3) ............................... 64

VELOCITÀ DI COMBUSTIONE E GESTIONE DEL RAPPORTO DI DOSATURA (λ) .................. 64

ANALISI DEI BLEND METANO-IDROGENO ( .................................................. 65

− )

ANDAMENTO DELLA COMBUSTIONE E RILASCIO DEL CALORE ..................................... 65

STRATEGIE DI SMAGRIMENTO DELLA CARICA ............................................................... 65

LA "MAGAGNA": LA PERDITA DI POTENZA SPECIFICA .................................................... 66

SISTEMI DI INIEZIONE A CONFRONTO: PFI VS DI ........................................................... 66

ANOMALIE DI COMBUSTIONE ...................................................................................... 67

CRITICITÀ NEI SISTEMI DI TURBOCHARGING ............................................................. 68

DIAGNOSTICA DELLE PROBLEMATICHE DI INIEZIONE ............................................... 68

RETROFIT DI UN MOTORE ICE ................................................................................. 68

INCREMENTO DEL RAPPORTO DI COMPRESSIONE (RC) ............................................ 69

CRITICITÀ AI BASSI REGIMI E STRATEGIE DI FASATURA VARIABILE ............................... 69

PROGETTAZIONE DEI CONDOTTI E FLUIDODINAMICA ............................................... 69

CONSIDERAZIONI ECONOMICHE E REALTÀ PRODUTTIVA ............................................. 69

EMISSIONI ACUSTICHE................................................................................................... 70

Nota: In Corsivo le note complementari o argomenti aggiuntivi di anni scorsi non

affrontati durante le lezioni, mentre la parte di ripasso è da rivedere dal corso di Motori a

Combustione interna.

SOVRALIMENTAZIONE

EFFETTI DELLA SOVRALIMENTAZIONE SULLA DETONAZIONE:

CONFRONTO DEI CICLI TERMODINAMICI

Nei motori ad accensione comandata, il principale limite all'aumento della pressione tramite sovralimentazione è

rappresentato dalla detonazione. Se la pressione all'interno del cilindro supera la pressione limite critica ( ), il sistema

entra nella pericolosa "Zona di detonazione". Per aggirare questo problema distruttivo, si analizzano due diversi

approcci progettuali.

1. CONFIGURAZIONE A PARITÀ DI RAPPORTO DI COMPRESSIONE (SAME

COMPRESSION RATIO)

In questa prima configurazione, il rapporto di compressione geometrico del

motore ( ) viene mantenuto costante, secondo la formula:

+

=

Analisi del ciclo e limitazioni:

• Innalzamento globale delle pressioni: Se la pressione di

aspirazione viene aumentata del 20% grazie al compressore,

l'intero diagramma termodinamico subisce una traslazione verso

l'alto. Il punto 1' (inizio della fase di compressione) aumenta del

o 20% (passando ad esempio da 1 bar a 1,2 bar).

Il punto 2' (fine della fase di compressione) aumenta

o anch'esso del 20% (passando ad esempio da 16 bar a 20

bar).

• Incremento di potenza: Rimanendo costante il rapporto di

compressione, si registra un incremento della pressione media indicata ( ) e una potenza superiore del 20%.

• Il superamento della soglia critica: Poiché il volume della camera di combustione ( ) è ridotto, la linea di

compressione sale molto più rispetto al ciclo aspirato. Durante la successiva combustione, la pressione

massima del ciclo (′ ) supera la linea di sicurezza , facendo entrare il motore in detonazione.

• Nota critica: "Tutto molto bello se non avessi la detonazione a rompere le scatole". Più il volume è ridotto, più

la compressione sale; a parità di combustione equivalente, questo fenomeno porta inevitabilmente il motore a

detonare.

2. CONFIGURAZIONE A PARITÀ DI PRESSIONE MASSIMA (SAME MAXIMUM

PRESSURE)

Per sfruttare i benefici della sovralimentazione senza incorrere nella

detonazione, la strategia ingegneristica prevede la modifica geometrica

della camera di combustione.

Analisi del ciclo e soluzioni:

• Aumento dello spazio nocivo: Il volume della camera di

combustione viene deliberatamente aumentato, passando da

a un volume maggiore .

′

• Riduzione del rapporto di compressione: Di conseguenza, si

riduce il rapporto di compressione geometrico ) proprio

(↓

per compensare la maggiore pressione dell'aria in ingresso ed

evitare il rischio di detonazione.

• Contenimento del picco di pressione: Come evidenziato dal

secondo grafico, il ciclo sovralimentato (in rosa) comincia da

una pressione di aspirazione più alta (1'), ma grazie alla camera

più grande (′ ), la fase di compressione si arresta a un livello

inferiore (2'). La successiva combustione genera un picco

massimo di pressione (3'-4') che eguaglia perfettamente quello

del ciclo aspirato (3-4), restando al di sotto della zona di detonazione .

NOTE PROGETTUALI E SCELTE GEOMETRICHE COSTRUTTIVE

• Dimensionamento corsa/alesaggio: Nelle applicazioni con turbo sovralimentato, si preferisce adottare una

configurazione geometrica in cui il rapporto corsa/alesaggio ( ) sia il più possibile vicino a 1 (definendo il motore

come quadro), evitando strutture sottoquadre.

• Vantaggio competitivo: Questa scelta costruttiva consente di incrementare drasticamente la Pressione Media

Effettiva (↑ ) attraverso la sovralimentazione, garantendo un netto aumento delle prestazioni complessive

del motore senza indurre la detonazione.

RENDIMENTO ORGANICO E SOVRALIMENTAZIONE

Il rendimento organico ( ) viene definito come il rapporto tra la pressione media effettiva (PME) e la pressione

0

media indicata (PMI).

La relazione matematica è la seguente: −

= = = 1−

0

IMPATTO DELLA SOVRALIMENTAZIONE SULLE PRESSIONI

Con l'introduzione della sovralimentazione si verificano variazioni nei parametri di pressione:

• PMA (Pressione Media Attrito): Registra un lieve incremento, passando ad esempio da 3 a 3,3 bar.

• PMI (Pressione Media Indicata): Registra un incremento molto più significativo, passando ad esempio

da 15 a 22,5 bar.

• Considerazione tecnica: La PMI aumenta di più rispetto alla PMA proprio per effetto della

sovralimentazione.

ANALISI DELL'EFFICIENZA AI VARI CARICHI

• Pieno Carico: In queste condizioni di esercizio, il rendimento organico ( ) tende ad aumentare.

o

• Carico Parziale: In questa condizione, l'utilizzo del compressore viene considerato privo di senso ("non

ha senso").

Con un rapporto di sovralimentazione =2 il compressore è in grado di fornire un rapporto β doppio rispetto a

quello di cui il motore già disponeva.

DEFINIZIONE

Per sovralimentazione si intende la compressione della carica fresca in aspirazione al cilindro, in modo da

aumentare la portata di aria aspirata e, di conseguenza, la portata di combustibile che è possibile iniettare.

L'obiettivo finale è aumentare la PME (Pressione Media Effettiva) e quindi la Potenza utile (P ).

u

La formula di riferimento è:

Nota integrativa: L'aumento della potenza avviene perché, a parità di coefficiente di riempimento (λ),

aumentando la densità dell'aria in ingresso (ρ ) aumenta la massa di comburente introdotta. Il

ingresso

sovralimentatore mette solo più comburente, la potenza aumenta se α=cost e quindi aumenta m .

comb

CLASSIFICAZIONE DEI SISTEMI

La classificazione si basa sulla sorgente di energia che alimenta il compressore:

1. Sovralimentazione Meccanica: Il compressore è trascinato direttamente

dall'albero motore. In questo caso si comprime solo il comburente; la

potenza aumenta perché conseguentemente mi permette una maggiore

portata di massa combustibile ad α costante.

2. Turbo-sovralimentazione: Rappresenta circa il 95% delle applicazioni

attuali. Il compressore riceve energia da una turbina che estrae lavoro dai gas

di scarico del cilindro. Si divide in due sottotipi:

A pressione costante (TC). (b)

o A impulso. (c)

o

3. Turbo-compound: Il compressore riceve energia sia da una turbina (gas di

scarico) sia dal motore stesso tramite accoppiamento meccanico.

4. Sovralimentazione a membrana: Sfrutta le fluttuazioni di pressione dei gas di scarico in uscita. Il grado

di sovralimentazione di questo sistema è solitamente molto basso.

5. Electric Turbocompound: Sistema avanzato che utilizza un

motogeneratore elettrico per gestire l'energia tra turbina, compressore

e ruote. Oltre all'utilizzo di energia in uscita dal motore per

trasmetterlo alle ruote una parte e in ingresso ad un generatore che

produce energia elettrica per alimentare tutti i componenti che hanno

bisogno di energia. Questi componenti sono alimentati anche da

energia elettrica prodotta da un generatore alimentato da una turbina

che estrae lavoro da un gas di scarico in uscita dai sistemi di necessari

alla riduzione delle emissioni inquinanti in uscita dal motore. Nota:

Questa tecnologia è stata utilizzata in F1 fino allo scorso anno.