Motori a combustione interna

Università degli studi di Perugia

Laurea Magistrale in Ingegneria Industriale

A.A. 2021-2022

Motori a combustione interna

Appunti rielaborati dal corso del Prof. L. Postrioti

Autori:

Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

Contents

INTRODUZIONE ............................................................................................................................................. 4

Classificazione dei motori ............................................................................................................................. 4

Definizioni geometriche ................................................................................................................................ 5

Parametri operativi fondamentali .................................................................................................................. 5

Caratteristiche delle varie tipologie di motori ............................................................................................... 8

Curve caratteristiche dei motori .................................................................................................................... 9

Alimentazione aria motori a 4 o 2 tempi - Coefficiente di riempimento ................................................... 11

–

Motori 4t Sostituzione carica .................................................................................................................... 11

– –

4T Efflusso attraverso la valvola a fungo Coeff. efflusso ................................................................. 15

Il diagramma di distribuzione - Permeabilità della valvola ..................................................................... 20

–

4T Il diagramma di distribuzione ......................................................................................................... 21

Influenze dei parametri operativi del motore sul coefficiente di riempimento ........................................ 23

MOTORI 2T ................................................................................................................................................ 25

Il processo di lavaggio ............................................................................................................................. 25

Progetto delle luci .................................................................................................................................... 29

FENOMENI DINAMICI ......................................................................................................................... 31

MODELLI DI CALCOLO PER LO STUDIO DEI FLUSSI .................................................................. 37

SISTEMI DI SCARICO MOTORI 2T .................................................................................................... 39

SOVRALIMENTAZIONE .............................................................................................................................. 40

SOVRALIMENTAZIONE: ENERGIA DI FINE ESPANSIONE .............................................................. 43

SOVRALIMENTAZIONE A PRESSIONE COSTANTE .......................................................................... 44

SOVRALIMENTAZIONE A IMPULSI ..................................................................................................... 46

GEOMETRIA DEL TURBOCOMPRESSORE ......................................................................................... 48

COMPRESSORI VOLUMETRICI ............................................................................................................. 48

SOVRALIMENTAZIONE NEI MOTORI 4T ............................................................................................ 49

EFFETTI DELLA SOVRALIMENTAZIONE SUL RENDIMENTO GLOBALE .................................... 50

INSERIMENTO DEL REFRIGERATORE ................................................................................................ 51

Accoppiamento meccanico, MCI-compressore volumetrico ...................................................................... 52

Accoppiamento meccanico, MCI-compressore centrifugo ......................................................................... 52

Accoppiamento fluidodinamico, MCI-compressore centrifugo .................................................................. 53

SCELTA DEL TURBOCOMPRESSORE .................................................................................................. 53

MOTI ORGANIZZATI DELLA CARICA ..................................................................................................... 55

MOTO DI SWIRL ....................................................................................................................................... 59

MOTO DI TUMBLE ................................................................................................................................... 62

MOTO DI SQUISH ..................................................................................................................................... 63

COMBUSTIBILI PER MCI ............................................................................................................................ 64

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Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

LA COMBUSTIONE NEI MCI ...................................................................................................................... 91

Velocità di fiamma ...................................................................................................................................... 93

Effetto della turbolenza ............................................................................................................................... 95

Combustione diffusiva. ................................................................................................................................ 96

La combustione nei MCI S.I........................................................................................................................ 97

La combustione nei MCI Diesel ................................................................................................................ 109

LE EMISSIONI INQUINANTI DEI MCI .................................................................................................... 112

–

Le emissioni inquinanti dei MCI S.I. ..................................................................................................... 113

Le emissioni inquinanti dei MCI - Diesel ................................................................................................. 115

Formazione NOx dei MCI S.I. ................................................................................................................. 116

Formazione NOx dei Diesel ...................................................................................................................... 122

Formazione di CO nei MCI ....................................................................................................................... 125

Formazione di HC nei MCI ....................................................................................................................... 127

Quenching a parete ................................................................................................................................ 128

Assorbimento/desorbimento nel film lubrificante ................................................................................. 128

Interstizi ................................................................................................................................................. 129

Combustione irregolare ......................................................................................................................... 130

Meccanismi di trasporto di HC nei MCI S.I. ............................................................................................. 130

Meccanismi di formazione di HC nei MCI Diesel ................................................................................... 132

Overleaning ........................................................................................................................................... 132

Undermixing .......................................................................................................................................... 133

Meccanismi di formazione di PM ............................................................................................................. 134

Formazione di Soot. ............................................................................................................................... 136

SISTEMI DI CONTROLLO EMISSIONI ALLO SCARICO E NORMATIVA SULLE EMISSIONI ....... 139

MOTORI S.I-CONVERTITORI CATALITICI TRIVALENTI ............................................................... 139

DIESEL-Diesel Oxidation Catalyst ........................................................................................................... 141

Diesel Particulate Filter ............................................................................................................................. 141

–

Controllo di NOx Tecnologie ................................................................................................................. 146

–

SCR Selective Catalytic Reduction .................................................................................................... 146

NOx Adsorbers ...................................................................................................................................... 153

L’influenza delle normative....................................................................................................................... 155

SVILUPPO SISTEMI DIESEL E GDI ......................................................................................................... 158

Evoluzioni del motore Diesel .................................................................................................................... 158

SVILUPPO DEL SISTEMA DI INIEZIONE: ...................................................................................... 159

SISTEMI DI COMBUSTIONE AVANZATA: HCCI/PCCI ................................................................ 160

STRATEGIE MULTINIEZIONE NEL DIESEL:..................................................................................... 161

Injection shaping ....................................................................................................................................... 163

OTTO - EVOLUZIONE MOTORI GDI ................................................................................................... 164

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Pier Giacomo Santini, Mohamed Oubih, Giulio Morelli

–

GDI combustione stratificata .............................................................................................................. 165

–

GDI configurazioni ................................................................................................................................. 167

SISTEMI GDI A PRECAMERA .......................................................................................................... 169

VEICOLI IBRIDI .......................................................................................................................................... 170

EFFICIENZA DEI VEICOLI MCI E DEGLI HEV.................................................................................. 170

SCENARI TECNICI POSSIBILI: LE SOLUZIONI A DISPOSIZIONE: ........................................... 170

ARCHITETTURE ..................................................................................................................................... 173

I veicoli ibridi - Classificazioni ................................................................................................................ 175

LIVELLO DI IBRIDIZZAZIONE: ....................................................................................................... 175

COMPONENTISTICA DEI VEICOLI IBRIDI ED ELETTRICI: ........................................................... 176

CLASSIFICAZIONE PER TIPOLOGIA DI POWERTRAIN: ................................................................ 178

IBRIDO PARALLELO ......................................................................................................................... 179

IBRIDO SERIE-PARALLELO ............................................................................................................. 179

PARLIAMO DI PRESTAZIONI E CONSUMI DI COMBUSTIBILE: ................................................... 179

PROSPETTIVE IN TERMINI DI EFFETTIVA RIDUZIONE DELLA CO2: LIFE CYCLE

ASSESSMENT EMISSIONE GLOBALE DI CO2 .............................................................................. 180

VEDIAMO MEGLIO L’ARCHITETTURA DEI VEICOLI IBRIDI:...................................................... 181

CONFIGURAZIONE IN SERIE ........................................................................................................... 181

CONFIGURAZIONE IN PARALLELO: ............................................................................................. 183

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INTRODUZIONE

Classificazione dei motori

Definizione: è un sistema di conversione dell’energia basato sul processo di combustione

Il motore a combustione interna

che si realizza all’interno degli stessi organi in cui si svolge il processo termodinamico, organi dotati di moto

alternativo.

Sono macchine:

- Semplici: numero ridotto di organi e componenti;

- Efficienti: rendimento da circa il 15% al 50%;

- Elevata potenza specifica: kW/kg, adatti per sistemi di trasporto.

Classificazione:

- Attivazione della combustione (accensione comandata/accensione per compressione);

- Durata del ciclo (4 tempi o 2 tempi -> 2 giri di albero motore o 1 giro);

Tipo di combustibile (benzina, Diesel, gas naturale, …);

-

- Alimentazione aria (aspirati, sovralimentati);

- Alimentazione carburante (ad iniezione indiretta, diretta, a carburatore);

- Modalità di regolazione del carico (per qualità, ciclo Diesel, o per quantità, ciclo Otto);

- Raffreddamento (ad aria o a liquido).

Le due principali classificazioni dei motori a cui faremo riferimento sono:

- Tipologia di combustione.

Motori ad accensione comandata:

La combustione è avviata da una scintilla che innesca la combustione in una miscela omogenea di aria e vapore

di combustibile. Il ciclo di riferimento è il Beau de Rochas (Combustione a volume costante).

Motori ad accensione per compressione:

Il combustibile nebulizzato è iniettato in aria compressa in camera di combustione e si auto-accende con una

combustione eterogenea. Il ciclo di riferimento è il Diesel (Combustione a pressione costante) o di Sabathé

(2 fasi, volume-pressione costante).

- Processo di sostituzione della carica

Motori a 4 tempi:

Il ricambio della carica (espulsione prodotti di combustione, introduzione aria) richiede un’intera rotazione

dell’albero e viene completata in maniera efficace.

Motori a 2 tempi:

Il ricambio della carica avviene sacrificando una parte della fase di espansione e di compressione. Quindi,

l’intero ciclo della macchina si realizza una rotazione dell’albero. Il lavaggio è poco efficace (incompleto).

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Definizioni geometriche

Parametri operativi fondamentali

Per definire in maniera sintetica le prestazioni di un motore (in termini di produzione meccanica) si utilizzano

dei parametri globali rilevabili al banco di prova:

 = cost

In condizioni di equilibrio meccanico ( ), la coppia motrice Me e la potenza erogate dal motore sono:

Per valutare questi parametri indipendentemente dalle dimensioni del motore, si valutano:

- Pe/V motore [kW/dm^3]

- Peso motore/Pe [kg/kW]

L’analisi in dettaglio delle prestazioni di un motore viene effettuata a partire dalle “grandezze indicate”, ossia

misurate mediante il “ciclo indicato” che misura l’andamento del processo di combustione. Pag. 5 a 187

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ceduto al pistone è (“lavoro

Il lavoro meccanico indicato”):

è la somma algebrica dell’area A (+) e della B (-).

ceduta al pistone dal gas (“potenza

La potenza meccanica

sarà il prodotto di Li per la frequenza del ciclo:

indicata”)

• numero di rotazioni del motore per l’unità di tempo

n

• ε frequenza con cui viene svolto lavoro, rispetto alle

rotazioni del motore (= 1 motore a 2 tempi, = 2 motore 4

tempi). –

Rapportando il lavoro meccanico alla cilindrata si ottiene la Pressione Media Indicata pmi:

Quindi il “rendimento indicato”: “indicate”.

Lo scambio energetico fra gas e pistone è quindi sintetizzato dalle grandezze

Tenendo conto degli attriti interni al manovellismo e del lavoro assorbito dagli organi ausiliari (pompe,

ventole...) si passa dalle grandezze indicate a quelle effettive misurate al banco di prova Pe e pme.

Allora si definisce il rendimento organico:

cresce al crescere del carico motore ed al decrescere della sua velocità, tiene conto delle perdite di potenza per

attriti ed ausiliari. –

Si definisce quindi il concetto di Pressione Media Effettiva pme: Pag. 6 a 187

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Che assume il significato di lavoro medio effettivo per ciclo e per unità di cilindrata. Quindi:

Si definisce il rapporto stechiometrico:

Rapporto fra portata d’aria e di combustibile elaborate dal motore

- Per i motori ad accensione comandata, si mantiene approssimativamente costante (14.7 per la benzina)

in virtù della regolazione per quantità.

- Nel caso dei Diesel, la regolazione del carico avviene modulando la quantità di combustibile iniettato

di aria all’incirca costante, variando così la

in una massa qualità della miscela (varia dai 60-70 fino

ad un minimo di 17-20 a pieno carico.

Tradizionalmente l’efficienza di un motore si valuta in termini di consumo specifico di combustibile:

Considerando il potere calorifico inferiore di combustibile Hi, si determina il rendimento energetico del

motore:

Per valutare l’efficacia del processo di sostituzione della carica, si utilizza un parametro globale, il coefficiente

di riempimento, che definisce il rapporto fra la massa di aria effetti