Cicli di gas ideali - Cicli motore

IL FUNZIONAMENTO

Nella fase iniziale ci troviamo al Punto Morto Superiore: la valvola di aspirazione si deve aprire e il pistone deve

scendere verso il basso.

Avviene la prima trasformazione 0-1 a pressione costante (alla pressione atmosferica) e il pistone è passato dal PMS,

dove aveva il volume minimo, al PMI dove ci sarà volume massimo. La valvola di aspirazione si è aperta e ha

permesso il passaggio della miscela aria-benzina.

La trasformazione si chiama di Aspirazione perché il pistone aspira aria e benzina.

A questo punto si chiude la valvola di aspirazione e il pistone inizia la sua fase di compressione.

Avviene la compressione adiabatica (trasformazione 1-2): valvola di aspirazione ed espulsione sono chiuse.

Poiché si parla di motore ad accensione comandata, la candela presente nella camera di combustione, su comando

di una centralina, dà origine alla combustione tramite l’innesco di un arco elettrico (quindi di una scintilla).

Questo comporta che dal punto 2 al punto 3 (con volume che è quello racchiuso al PMS) avviene la fase di

combustione: mentre il volume rimane costante la pressione aumenta.

È in questa fase che si immette calore all’interno del ciclo sottoforma di energia chimica (o calore di combustione); la

miscela aria-benzina, infatti, prende fuoco e libera energia termica.

Avviene poi la fase di espansione (trasformazione adiabatica 3-4) e i gas caldi, poiché hanno aumentato di molto la

loro pressione, spingono il pistone verso il basso (fino al PMI).

Lungo questa trasformazione si recupera la maggior parte del lavoro utile del ciclo.

Le valvole sono ancora tutte e due chiuse.

Avviene poi la trasformazione 4-1: la valvola di espulsione si apre e permette la fuoriuscita di una parte dei gas: per

questo lungo questa isocora si cede calore.

I gas fuoriescono dalla valvola perché la pressione nel punto 4 è ancora maggiore della pressione nel punto 1 (il tutto

avviene a volume costante).

Segue infine l’ultima parte: se in questa fase 1-0 non spingessimo il pistone verso l’alto, una parte dei gas rimarrebbe

comunque all’interno della camera di combustione.

In questo modo i gas residui sono spinti fuori dalla valvola di scarico: per questo la trasformazione in esame viene

detta anche fase di espulsione o di lavaggio (e avviene a pressione costante).

Riprende quindi poi il ciclo

Facciamo ora delle considerazioni sul Rendimento del Ciclo Otto.

Si definisce un parametro geometrico noto come Rapporto di Compressione ed è sempre minore di 10 (vedremo poi

perché):

= = < 10

In generale, sappiamo che il rendimento si calcola come differenza tra 1 e il rapporto tra la somma dei calori ceduti e

quelli assorbiti.

Nel Ciclo Otto abbiamo solo due quantità di calore: il calore immesso lungo la trasformazione 2-3 e il calore

ceduto lungo la trasformazione 4-1

Quindi: ∑| | | |

=1− =1−

∑| |

Siccome la trasformazione 4-1 è un’isocora: ( )

= = ∙ −

| | | ( )| ( )

= ∙ − = ∙ −

Analogamente: ( )

= = ∙ −

Quindi:

−1

| | ( ) ( )

∙ − −

=1− =1− =1− =1−

( ) ( )

∙ − − −1

Osserviamo che il ciclo è simmetrico, è costituito da due coppie di trasformazioni che sono uguali tra di loro:

 Trasformazioni 1-2 e 3-4 sono del tipo =

 Trasformazioni 2-3 e 4-1 sono a =

Allora deve valere che: =

=

E allora:

−1

=1− =1−

−1

Ma attenzione:

 è la temperatura minima del ciclo

 è la temperatura di fine compressione, non è la massima temperatura del ciclo

Quindi:

=1− =1−

Possiamo dire che, per la simmetricità del ciclo: =

1

= =

Infine: 1

=1− =1−

ESEMPIO E PROBLEMA DELL’AUTOACCENSIONE

Guardando il presente nel libretto di circolazione di un’automobile vediamo che è pari a e calcoliamo il

= 7

rendimento del motore e troviamo che (abbiamo diminuito di un fattore il rendimento teorico,

= 0,43 0,8

che era pari a 0,54, per diverse situazioni che non abbiamo tenuto in conto)

Se andiamo a mettere nel serbatoio di benzina (e quindi immettiamo una certa quantità di calore ), questa

1

automobile sarà in grado di produrre un Lavoro = 0,43 ∙

Più o meno, dato che allora si ottiene:

1 = 10ℎ ∙ = 4,3ℎ

Se il rendimento fosse avremmo avuto un rendimento teorico di 0,57.

= 8,

In generale: =1− 0≤ ≤1

Se il rapporto di compressione aumenta allora anche il rendimento aumenta, per cui con lo stesso litro

di benzina si fanno più .

Però ragioniamo un attimo…

La temperatura di fine compressione è legata al rapporto di compressione:

=

= ∙ = ∙

Ma, aumentando il rapporto di compressione, il rapporto aumenta.

Quindi la temperatura di fine compressione aumenta molto se aumenta.

Ciò comporterebbe il rischio di una “autoaccensione”: se la miscela aria-benzina si auto-accende prima che il pistone

arrivi al PMS, dallo scoppio che ne deriva il pistone viene spinto verso il basso, causando gravi danni al motore

perché le valvole non risulterebbero neppure chiuse.

Per questo motivo non si può aumentare a dismisura il rapporto di compressione.

1.4-RAPPRESENTAZIONE NEL PIANO DI GIBBS

La raffigurazione del Ciclo Otto nel Piano di Clapeyron è la seguente:

Nel Piano di Gibbs:

 La trasformazione 1-2 è un’adiabatica isoentropica

 La trasformazione 2-3 è un’isocora, quindi abbastanza inclinata

 La trasformazione 3-4 è un’adiabatica isoentropica

 La trasformazione 4-1 è un’isocora, quindi abbastanza inclinata

2-CICLO DIESEL

2.1-GENERALITA’

Si illustra il Ciclo Diesel nel diagramma di Clapeyron, utilizzando le stesse ipotesi semplificative illustrate per il

motore a scoppio (non illustriamo la trasformazione 0-1 e la 1-0 per i motivi già visti nel paragrafo del ciclo otto).

 La prima fase di Aspirazione (trasformazione 0-1) avviene a pressione costante.

 La fase di Compressione è la trasformazione 1-2 ed è una trasformazione adiabatica.

 La fase di Combustione (trasformazione 2-3) avviene a pressione costante (principale differenza con il ciclo

otto).

 La fase di Espansione è la trasformazione 3-4 ed è una trasformazione adiabatica.

 La fase di Scarico è la trasformazione isocora 4-1, avviene a volume costante.

 L’ultima fase di Espulsione (dei gas), la trasformazione 1-0, è opposta alla 0-1 e avviene a pressione costante

Il calore viene immesso lungo la trasformazione 2-3 e viene ceduto lungo la 4-1

( ) ( )

Il Ciclo Otto e il Ciclo Diesel si differenziano principalmente nella trasformazione 2-3: nel ciclo otto la combustione

avviene a volume costante, nel ciclo diesel avviene a pressione costante.

CICLO DIESEL CICLO OTTO

 Nel Ciclo Otto: = = 0

 Nel Ciclo Diesel: = > 0

Nel Ciclo Diesel poi il lavoro continua ad essere prodotto lungo la trasformazione 3-4

Lungo la trasformazione 1-2 si sottrae il lavoro come area sottesa alla trasformazione; resta il lavoro netto del ciclo

come area interna al ciclo

2.2-FUNZIONAMENTO DEL MOTORE DIESEL Iniettore

Condotto di aspirazione Condotto di scarico

Punto Morto Superiore (PMS)

Punto Morto Inferiore (PMI)

Albero motore

Il motore Diesel, invece di aspirare la miscela aria-benzina, aspira solamente aria e poi la comprime.

Possono essere quindi raggiunti valori di rapporto di compressione più elevati, con un effetto benefico sul

rendimento.

Il combustibile può essere poi introdotto alla fine della fase di compressione (compressione solo dell’aria, quindi

non si ha il rischio dell’autoaccensione) ed in tal caso brucia spontaneamente a contatto con l’aria calda.

L’immissione del combustibile è dosata in modo da avere una combustione approssimativamente isobara.

Una sostanziale differenza è che al posto della candela si ha un iniettore.

Quindi, mentre nel Ciclo Otto l’accensione è comandata, cioè guidata da una scintilla che viene gestita da una

centralina elettronica, nel Ciclo Diesel il combustibile brucia spontaneamente per come appena spiegato nelle righe

soprastanti.

Si hanno sempre Punto Morto Superiore e Punto Morto Inferiore, rappresentano l’escursione massima e minima del

pistone e quindi i volumi massimo e minimo all’interno della camera di combustione.

IL FUNZIONAMENTO

1-Fase di aspirazione

Il pistone si trova nel Punto Morto Superiore

Si apre la valvola di aspirazione e viene aspirata solamente aria dall’esterno

Il pistone scende e crea una depressione e questo fa si che fluisca attraverso il condotto di aspirazione una portata di

aria:

Il pistone si ferma al Punto Morto Inferiore e tutte e due le valvole sono chiuse:

2-Fase di compressione

L’aria viene compressa e la sua temperatura aumenta di molto (le valvole comunque sono chiuse e non può entrare

aria).

In un Ciclo Diesel i rapporti di compressione sono molto più alti: mentre in un Ciclo a Otto i rapporti andavano da 7 a

9 massimo, nel Ciclo Diesel il range va da 12 a 22.

Poco prima che il pistone arrivi al Punto Morto Superiore, quindi idealmente alla fine della compressione, viene

iniettato del combustibile

3-Fase di combustione

Avviene la combustione.

I motori multijet, rispetto ad altri motori, garantiscono più iniezioni e quindi fanno si che il combustibile venga

bruciato contemporaneamente in più parti della camera per via del fatto che i punti di innesco dell’accensione sono

diverso.

Una macchina con motore diesel ha una velocità leggermente minore di una macchina con motore a benzina perché

la combustione nel motore diesel avviene con tempi più lenti rispetto quelli del motore a benzina.

Già nella fase di combustione il pistone scende; il motore mentre si espande, tra il volume e il volume , produce

un certo lavoro (come ave