Motori a combustione interna (MCI)

Prima di affrontare lo studio dei motori alternativi è opportuno

introdurre la terminologia e la simbologia utilizzata.

Con riferimento alla figura, le grandezze geometriche caratteristiche

sono le seguenti:

- punto morto inferiore (PMI): posizione angolare in

corrispondenza della quale il pistone si trova più lontano dalla

testa;

- punto morto superiore (PMS): posizione angolare in

corrispondenza della quale il pistone si trova più vicino alla

testa;

- alesaggio D: diametro interno del cilindro;

- corsa C: spazio percorso dall’asse dello spinotto nel

passaggio da un punto morto all’altro coprendo un angolo di

manovella di 180゜; è pari a due volte il raggio di

manovella;

- volume totale del cilindro : è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando

questo si trova al PMI ed è uguale al massimo volume del cilindro;

- volume della camera di combustione : è il volume compreso fra la testa ed il

pistone quando questo si trova al PMS ed è uguale al minimo del cilindro;

- cilindrata unitaria : volume spazzato dal pistone nella sua corsa dal PMS al PMI;

- rapporto volumetrico di compressione : rapporto fra il volume totale del cilindro ed il

β

volume della camera di combustione, ossia:

+

β = =

Tipici valori del rapporto di compressione come compresi fra 8 e 12 per i motori AS e

fra 12 e 24 per i motori AC.

- angolo di manovella : angolo descritto dalla rotazione della manovella a partire dal

θ

PMS; indicata con la velocità di rotazione dell’albero motore e con il suo numero

ω

di giri nell’unità di tempo si ha:

θ = ω · = 2π · ·

Con riferimento ad un motore alternativo caratterizzato da un manovellismo di spinta

centrato formato da pistone, biella, manovella ed albero a gomiti possiamo definire le

seguenti grandezze cinematiche:

- spostamento del pistone : distanza percorsa dal pistone a partire dal PMS; indicato

( )

con il rapporto fra il raggio di manovella e la lunghezza di biella e

Φ Φ = /

2

trascurando rispetto a si ottiene:

Φ Φ

Φ Φ

⎡ ⎤

≈ · 1 + − Φ −

( 2θ

)

⎣ ⎦

4 4

- velocità istantanea del pistone : si annulla all’inizio ed alla fine della corsa e

presenta un massimo circa a metà corsa.

Φ

⎡ ⎤

≈ · ω · Φ −

( 2θ

)

⎣ ⎦

2

- accelerazione del pistone : è massima, in valore assoluto, in corrispondenza del

2

PMI e del PMS: ≈ · ω · [ Φ + Φ

( 2θ

) ]

Le leggi che regolano il moto del manovellismo risultano importanti perché permettono di

calcolare le forze che si generano nel movimento; gli organi in movimento rettilineo alternato

sono soggetti a forze d’inerzia che possono essere genericamente espresse tramite la

relazione = ·

2

mentre invece le parti rotanti sono soggette alla forza centrifuga data da

= · ω ·

- rapporto corsa/alesaggio (C/D): solitamente nel campo dell’autotrazione vengono

assunti valori prossimi all’unità per ragioni di ingombro e di peso. Tuttavia non è raro

trovare motori a corsa corta, i quali presentano diversi vantaggi rispetto ad un motore

a corsa lunga di pari cilindrata riassumibili in: incremento della potenza (aumenta con

il quadrato del diametro e solo con l’esponente 0,5 della corsa), possibilità di un

migliore alloggiamento delle valvole, possibilità di adottare valvole di maggior

diametro, diminuzione della velocità media del pistone, riduzione delle forze d’inerzia

centrifughe ed alterne.

D’altra parte i motori a corsa lunga offrono anch’essi dei vantaggi soprattutto dal

punto di vista termico: camere di combustioni più raccolte, più elevati i rendimenti e

migliore raffreddamento del pistone e del cilindro.

Diagramma di indicatore

Il ciclo reale di funzionamento può essere studiato utilizzando un particolare diagramma p-V,

chiamato diagramma di indicatore, in cui sono riportate le variazioni della pressione assoluta

p che agisce sul pistone in funzione del volume V a disposizione del fluido.

Durante la corsa del pistone V varia da un minimo pari a ad un massimo uguale a

, nessun punto del diagramma di indicatore può presentare un valore di ascissa

= +

esterno all’intervallo delimitato da e da .

Sebbene il diagramma di indicatore sia uno strumento validissimo per la caratterizzazione

sperimentale del ciclo reale, non va dimenticato che non è un diagramma termodinamico in

quanto descrive le variazioni di pressione che avvengono all’interno del cilindro in condizioni

lontane dall’equilibrio termodinamico. I punti del diagramma di indicatore non rappresentano

stati fisici del fluido.

Permette di valutare il lavoro L scambiato dal fluido con il pistone: il diagramma rileva la

pressione che agisce sulla superficie del pistone di area S e la variazione infinitesima di

volume dV è esprimibile in funzione di spostamento infinitesimo dc del pistone ( ),

= ·

ne deriva che l’area del diagramma indicato rappresenta il lavoro L scambiato dal fluido con il

pistone:

= ∫ ·

Va precisato che a rigore del lavoro L andrebbe condotto introducendo le pressioni effettive in

quanto sulla faccia del pistone rivolta al carter agisce la pressione ambientale : essendo

l’integrale esteso a tutto il ciclo operativo, risulta indifferente ragionare in termini di pressione

assoluta o effettiva.

Lo studio dello schema funzionale dei motori viene affrontato presentando il diagramma di

indicatore ideale, ossia riferito ad un ciclo termodinamico compiuto da un fluido ideale in un

motore ideale privo di imperfezioni.

Nella figura sono riportati i diagrammi di indicatore ideali di un motore a ciclo Otto e di un

motore a ciclo Diesel: dopo l’apertura della valvola di aspirazione in corrispondenza del punto

morto superiore (O), il pistone retrocede verso il punto morto inferiore (1) aspirando la miscela

preformata aria-benzina; nel caso ideale non vi sono perdite di carico, durante tutta la corsa di

aspirazione (0-1) la pressione all’interno del cilindro si mantiene costantemente uguale a

quella ambiente . In corrispondenza del PMI (1) si chiude la valvola di aspirazione ed il

pistone avanza verso il PMS (2): durante la corsa 1-2, a valvole chiuse, la miscela viene

compressa isoentropicamente all’interno del cilindro spendendo lavoro. Sul diagramma di

indicatore questa fase è rappresentata da una curva di equazione , dove

=

( )

rappresenta il noto rapporto tra i calori specifici .

= /

A parità di condizione fisiche a fine aspirazione, la pressione del fluido al termine della

compressione deve essere maggiore nei motori Diesel per consentire l’autoaccensione della

miscela.

Alla fine della fase di compressione, a partire dal PMS prende il via la combustione con

modalità differenti nei due tipi di motore. In condizioni ideali si può ipotizzare che nei motori

AS, dove lo sviluppo di energia termica è rapida, la combustione avvenga a volume costante

( )

; nei motori AC, dove l’energia viene rilasciata gradualmente, avvenga a pressione

2 − 3

( )

costante .

2 − 3

A partire dal PMS i gas caratterizzati da elevati valori della pressione e della temperatura si

espandono isoentropicamente compiendo lavoro sul pistone, il quale si sposta verso il PMI

(3-4): è durante questa fase che l’energia termica del fluido viene convertita in energia

meccanica. L’espansione rappresenta l’unica fase attiva delle quattro costituenti il ciclo di

lavoro.

In corrispondenza del PMI (4) la valvola di scarico si apre interrompendo l’espansione del

fluido con conseguente perdita di lavoro utile; sotto l’effetto della differenza di pressione

esistente fra l’interno del cilindro e l’ambiente esterno, parte dai gas combusti fuoriescono

spontaneamente dal cilindro senza movimento del pistone ed istantaneamente la pressione

tracolla al valore ambiente (isocora di scarico termico 4-1); durante la corsa di ritorno del

pistone verso il PMS si completa l’espulsione dei gas ed il valore di pressione si mantiene

uguale a quello ambiente (isobara di scarico comandato 4-5).

Per analizzare compiutamente il funzionamento del motore è necessario abbandonare il ciclo

ideale, basato su ipotesi semplificate, e ricercare un ciclo di riferimento più accurato.

Un primo passo è quello di considerare il comportamento

reale del fluido operatore all’interno di una macchina ideale,

pervenendo alla definizione di ciclo limite: rappresenta il limite

superiore delle prestazioni del motore ottenibili perfezionando

la macchina.

L’introduzione delle proprietà reali del fluido comporta un

deciso scostamento del tracciato del diagramma limite (linea

continua) da quello del diagramma teorico (linea tratteggiata)

in quanto i calori specifici variano in modo significativo con la

temperatura, provocando una diminuzione dei valori massimi

della pressione e della temperatura.

Il fluido reale è sede di reazioni chimiche e di conseguenza

devono essere considerati gli effetti provocati dalle reazioni di

dissociazione ad alta temperatura dell’anidride carbonica in

ossido di carbonio ed ossigeno: questa reazione è

accompagnata da assorbimento di energia, la temperatura

massima del ciclo risulta minore e di conseguenza va persa una parte di lavoro utile.

Successivamente durante l’espansione, avviene la reazione inversa di ossidazione del a

con rilascio di energia: nel ciclo reale, la temperatura, quindi la pressione, del fluido al

2

termine dell’espansione risulta maggiore con conseguente riduzione del rendimento

termodinamico.

Il passo finale è quello di considerare il ciclo reale, quello descritto da un fluido reale in un

motore reale; rispetto al ciclo limite in questo caso vengono considerate anche le

imperfezioni e le effettive condizioni operative della macchina.

Nel motore reale le trasformazioni di compressione e di espansione non sono adiabatiche

perché il cilindro e la testata sono raffreddati e di conseguenza il fluido operatore subisce

perdite di calore. Tali fasi sono rappresentabili con politropiche di esponente ( <

durante la compressione, durante l’espansione).

>

Se nella macchina perfetta le perdite di carico sono per ipotesi nulle, nelle condizioni

operative reali durante l’aspirazione e lo scarico la vena fluida incontra delle resistenze

fluidodinamiche dipendenti dalla geometria dei gruppi condotti-valvole e proporzionali al

quadrato della velocità del fluido, a sua volta legata alla velocità del pistone e quindi alla

velocità di rotazione del motore.

Di conseguenza durante la fase di aspirazione la pressione si mantiene inferiore a quella

atmosferica (depressione all’aspirazione), presentando un minimo circa a metà corsa quando

è massima la velocità del pistone; sempre a causa delle perdite di calore, durante la fase di

scarico la pressione risulta leggermente superiore al valore ambiente (sovrapressione allo

scarico).

Poiché l’area P delimitata dalle linee di aspirazione e scarico è percorsa in senso antiorario,

rappresenta lavoro negativo detto lavoro di pompaggio, che viene compiuto dal pistone e che

deve essere sottratto al lavoro positivo (area A) compiuto dal fluido sul pistone.

Nei motori ad accensione comandata il lavoro di pompaggio viene esaltato al diminuire del

carico con conseguenze dannose sul lavoro utile.

Nel funzionamento reale del processo di combustione nei motori a scintilla non avviene

istantaneamente ma richiede un certo tempo perché possa completarsi. Pertanto non è

possibile fissare l’accensione in corrispondenza del punto morto superiore perché altrimenti

la combustione avrebbe luogo durante la corsa di espansione con conseguente calo della

temperatura massima di combustione e quindi del lavoro raccolto dal pistone.

L’anticipo all'accensione ha il compito di ripartire opportunamente la combustione a cavallo

del punto morto superiore: il valore ottimale di anticipo è quello che permette di ricavare il

massimo lavoro utile.

Infine, nel caso reale è necessario rimuovere l’ipotesi di manovra

istantanea delle valvole in corrispondenza dei punti morti per tenere conto

sia dei tempik non nulli richiesti per la loro apertura e la loro chiusura sia

dall’ottimizzazione della fasatura rispetto ai fenomeni fluidodinamici

instazionari, il cui sfruttamento può permettere di migliorare il rendimento

volumetrico.

Tenendo conto di quanto detto, si perviene al diagramma di indicatore del

ciclo reale, nel quale scompaiono le angolosità osservate nei precedenti

tracciati in quanto le trasformazioni termodinamiche si raccordano fra loro.

Poiché nel motore reale parte del lavoro positivo (area A) deve essere

speso dal pistone durante le fasi di sostituzione della carica (fasi di

pompaggio), il lavoro utile (o di indicatore) è dato dalla differenza fra

l’area A e l’area di pompaggio P.

Cicli termodinamici

Nel caso dei motori si è lontani dalle condizioni necessarie per procedere

ad un’analisi termodinamica: non si potrebbe parlare di cicli ma di processi termodinamici, in

quanto la catena di trasformazioni