Appunti Motori a combustione interna

CRITERI DI CLASSIFICAZIONE

1.Tipo di combustione

È la classificazione di riferimento nell’analisi dei fenomeni termodinamici alla base del

funzionamento dei motori.

A seconda del tipo di combustibile (leggero = benzine o pesante = oli combustibili) si distinguono:

•MOTORI AD ACCENSIONE COMANDATA

(generalmente a scintilla) in cui la combustione avviene con una propagazione di fiamma in una

miscela prodotta da un organo opportuno detto carburatore con velocità relativamente modesta

(30 m/s per motori a piena potenza).

•MOTORI AD ACCENSIONE PER COMPRESSIONE

in cui il combustibile viene immesso in camera di combustione in prossimità della fine della fase di

compressione. E’ il caso degli oli combustibili (gasoli, nafte), per i quali non avrebbe significato parlare

di carburazione in quanto, a causa della bassa volatilità, la miscelazione sarebbe non buona, con

depositi liquidi o parzialmente combusti sulle pareti interne del cilindro. Il combustibile viene quindi

iniettato in camera di combustione proprio al momento in cui è in grado di autoaccendersi con

combustione di tipo esplosivo (motori Diesel).

2. Tipologia costruttiva

•Esistono motori con cilindri in linea, a V, a doppio V, in linea rovesciato, a stella etc.

•Questo criterio di classificazione è legato molto spesso anche al tipo di applicazione finale del

motore a combustione interna.

3. Tipo di refrigerazione

•MOTORI REFRIGERATI A LIQUIDO

−Disposizione in linea (o a V pluricilindrico).

−Solitamente acqua (dolce, marina o demineralizzata per ridurre i fenomeni di incrostazione con

conseguente perdita di efficacia nello scambio termico).

−In alcuni motori da competizione vengono miscelate con l’acqua sostanze (glicoli ad es. il glicol-etilene

con temperatura di ebollizione di 200°C) che innalzano il punto di ebollizione. In questo modo si

possono ottenere ingombri frontali (radiatori) minori con rendimenti più elevati (minore il calore ceduto

al refrigerante in quanto è minore il salto termico).

•MOTORI REFRIGERATI AD ARIA

−Hanno necessariamente blocco cilindri e testata provvisti di alettatura con il compito di

aumentare le superfici di scambio termico e generare fenomeni di turbolenza che accrescono il

valore del coefficiente di scambio termico per convezione.

−Questo tipo di raffreddamento non è indicato per motori con cilindri in linea (corrente d’aria non

efficace sugli ultimi cilindri).

−Nel caso di raffreddamento ad aria viene per tale motivo adottata la disposizione ‘a stella’ (motori

aeronautici).

4.Tipo di applicazione

Per quanto riguarda l’utilizzazione dei MCI si individuano 5 macrocategorie:

–MOTORI PRIMI PER IMPIANTI FISSI

–MOTORI PER TRAZIONE STRADALE

–MOTORI PER TRAZIONE FERROVIARIA

–MOTORI NAVALI

–MOTORI AERONAUTICI

Questo tipo di classificazione è importante sia sotto il profilo delle potenze necessarie nei diversi

casi, sia per i diversi aspetti di funzionamento:

−Per trazione ferroviaria e per i grandi motori navali si utilizzano esclusivamente Diesel, i motori

navali sono tuttavia lenti (100-120 giri/minuto) per poter consentire un agevole accoppiamento

con l’elica.

−Per i motori aeronautici si utilizzano solo motori ad accensione comandata.

−I motori per impianti fissi e per trazione stradale possono essere di entrambi i tipi.

15. Emissioni Motori AC

Le emissioni inquinanti sono insite del sistema di combustione dei MCI. Tra i prodotti della combustione, un

posto importante è occupato dalla CO2 (anidride carbonica), responsabile del fenomeno dell’effetto serra.

Oltre alla CO2, la combustione rilascia anche altri elementi, frutti di una combustione incompleta. Vediamo

quali sono i principali nei motori ad accensione comandata.

Il CO (monossido di carbonio), il quale legandosi al sangue porta alla morte in pochissimi minuiti, ha origine

nella zona di reazione come prodotto di ossidazione parziale degli idrocarburi. Successivamente, in presenza

di ossigeno si ha la sua ossidazione ad anidride carbonica. Durante la fase di espansione, però, gli equilibri

chimici che regolano il processo di ossidazione del CO, possono congelarsi per il troppo rapido calo di

temperatura.

Risultati sperimentali confermano che l’unica variabile motoristica che influenza sensibilmente la

concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto aria/combustibile nella miscela di alimentazione.

Gli HC (idrocarburi incombusti) hanno origini diverse e sono parte del combustibile che non ha dato luogo

neanche alla reazione parziale di ossidazione. Al momento della compressione, al crescere della pressione

nel cilindro, parte della carica fresca è forzata ad entrare nei piccoli interstizi dove il fronte di fiamma non

riesce a penetrare. I depositi in camera di combustione e l’eventuale strato di lubrificante aderente alle

pareti del cilindro, assorbono idrocarburi dalla carica fresca compressa.

Durante la combustione, il fronte di fiamma si spegne (quencing) in prossimità delle pareti per effetto del

raffreddamento da queste prodotto. Resta quindi uno strato particolarmente ricco di idrocarburi incombusti

o parzialmente ossidati. In determinate circostanze, inoltre, può avvenire che il fronte di fiamma si arresti

33prima di aver acceso tutta la carica, lasciando quindi masse di gas ricche di incombusti e di prodotti di

parziale ossidazione.

Gli HC hanno effetti cancerogeni, se inalati risultano quindi molto pericolosi per la natura umana,

contribuiscono all’effetto serra e, a volte, possono essere emessi sotto forma di particolato.

Tenute presenti le probabili cause che determinano la presenza degli HC allo scarico di un motore ad

accensione comandata, si può comprendere come le principali variabili motoristiche che ne influenzano la

concentrazione siano:

- il rapporto aria/combustibile della miscela di alimentazione;

- il valore dell'anticipo all'accensione rispetto al PMS;

- il rapporto superficie/volume della camera di combustione;

- la natura e la quantità dei depositi in camera di combustione;

- il regime di rotazione e le condizioni di carico del motore;

- l'efficacia del sistema di raffreddamento;

- l'angolo di contemporanea apertura delle valvole;

- la contropressione incontrata allo scarico.

Solo il rapporto di miscela e l'anticipo all'accensione influenzano largamente la concentrazione di

idrocarburi incombusti. Il primo può far sì che la combustione avvenga più o meno completamente e

rapidamente; il secondo, diminuendo l'anticipo all'accensione della miscela, ritarda anche il completamento

della combustione, la quale continua nella prima parte del collettore di scarico, coinvolgendo anche gli

idrocarburi incombusti che vi si trovano dopo la loro espulsione dal cilindro.

Gli Nox (ossidi di azoto) si formano alle alte temperature raggiunte nella zona di reazione, dove, in eccesso

di O2, atomi di azoto ed ossigeno possono combinarsi direttamente. Quando i gas si raffreddano durante la

corsa di espansione, gli equilibri chimici si congelano, ancora prima di quelli che regolano la chimica del CO.

Fra gli ossidi di azoto scaricati, il monossido si trova in percentuale nettamente predominante (98%),

derivando dall’ ossidazione dell'azoto presente nell'aria, secondo il meccanismo proposto da Zeldovich.

Esso presuppone la dissociazione delle molecole di N2 ed O2 in atomi, in seguito alle elevate temperature

raggiunte dai gas nella zona di reazione del fronte di fiamma, ma soprattutto da quelli appena bruciati.

Questi ultimi vengono ulteriormente compressi dall'espansione della carica che sta reagendo e sono quindi

portati a valori di temperatura ancora più alti. Occorre però tener presente che in un motore non si

raggiunge mai una vera e propria condizione di equilibrio chimico fra i reagenti, per i piccoli tempi a

disposizione e gli elevati gradienti locali e nel tempo della temperatura. Così, durante la fase di espansione,

le reazioni di distruzione dell'NO sono congelate dalla rapida diminuzione di temperatura e l’NO rimane

come costituente dei gas combusti. La sua concentrazione dipende in definitiva da due fattori:

- i valori massimi di temperatura raggiunti;

- il contenuto di ossigeno della miscela di alimentazione.

È possibile ottenere sostanziali riduzioni nella concentrazione di NO, ricircolando in aspirazione fino al 15-

25% di gas combusti, valori massimi che normalmente un motore può tollerare, a carico parziale, senza che

il suo funzionamento diventi eccessivamente irregolare.

CONTROLLO DELLE EMISSIONI IN UN MOTORE AC

Le cause che portano alla formazione degli inquinanti, scaricati da un motore ad accensione comandata,

sono molte complesse. Il loro controllo è reso ancor più difficile dalla necessità di cercare un soddisfacente

compromesso tra diverse esigenze, spesso in contrasto tra di loro, e con quella di uno scarico pulito, quali

ad esempio: le prestazioni del motore, il consumo di combustibile, etc.

Il problema viene quindi normalmente attaccato su più fronti, in modo da conseguire diverse soluzioni

parziali, che permettano alla fine di rispettare i limiti imposti dalle norme antinquinamento, con la minor

complessità ed il minor costo possibile.

Schematicamente, si può ritenere che i vari interventi riguardino prevalentemente:

- i combustibili, la cui composizione può essere ottimizzata anche dal punto di vista della

composizione dei gas scaricati;

- l’alimentazione, per assicurare le caratteristiche più opportune per la miscela aria combustibile;

- il processo di combustione, in modo da accelerarlo e renderlo il più completo possibile;

- i gas di scarico, per depurarli dagli inquinanti ormai formati.

Nei primi tre casi si tenta di impedire a monte la formazione delle sostanze nocive, agendo direttamente sui

fenomeni che avvengono nel cilindro del motore, mentre nel quarto caso si cerca di eliminare a valle i

costituenti dei gas di scarico non tollerati.

L'azione sul combustibile può essere molto ampia e deve svilupparsi in armonia con quella sul motore, in

modo da ottimizzare il binomio combustibile-motore anche dal punto di vista della qualità dei gas scaricati.

In genere si ottiene una riduzione dei Nox.

Agendo sull'alimentazione del motore, e più precisamente sul rapporto aria/combustibile, si possono

.

ridurre drasticamente le emissioni di e

Parallelamente si può agire sulla combustione, cercando di accelerarla, per controbilanciare la più lenta

propagazione del fronte di fiamma, tipica del funzionamento con miscela magra. Questo tipo d'intervento

può essere fatto (fast burn) ottimizzando:

- il rapporto di compressione del motore;

- la forma della camera di combustione;

- il livello di turbolenza d