Motori endotermici alternativi - parte 1

P

- Ki 49

inf ned 4 c had

4m 4 p

= .

.

.

Definisco aclo

aria s un depende

ma m dal

molto

4 --

: = combustibile aco combustibile

mf un

un

m

Pema King

&

DOSATURA US

STECHIOMETRICA : = s 2

&S

EQUIVALENZA D

RAPPORTO DI : =

= X

& comandata

X 1/Accensione

X

RELATIVA

DOSATURA 71X1

0

: =

, .

.

& S

Ki Ki

MUTÁ

Ton Termica : = & S

ma bngi e

Pina ug ki =

Essendo il motore una macchina volumetrica, elabora una portata d'aria costante ideale in ogni

ciclo.

ina N PORTATA

d IDEALE

a

pa

=

, Pa DENSITÁ AMBIENTE

pa = RTa inferiore

Nel motore reale la portata può essere (a causa delle perdite fluidodinamiche, chiusura

superiore:

apertura delle valvole non in coincidenza dei punti morti etc...) ma anche

- sovralimentazione: viene incrementata la densità d'aria elaborata dal motore e quindi la portata

viene incrementata. In un motore aspirato la portata reale solitamente è inferiore.

- effetti dinamici: ad alti regimi del motore si generano onde di pressione nei condotti che vengono

sfruttate attraverso un'opportuna rasatura delle valvole per avere una portata leggermente

superiore.

RENDIMENTO VOLUMETRICO :

ma

me

= Può dice elabora

1

ed motore

il

quanto

essere ,

ave ad ideale

macchina

rispetto una

POTENZA P XV King paVd M

D

: = .

. bste

/Brake

consumo Specifico fuel consumption

specific ,

rif 1 Quanto combustibile

BSFC 1 metà

produrre di

serve per

= -

P Ki

ng merga 9 / kWh !

di

NON si CONFRONTANO

Può COMBUSTIBILI

Diversi

parametro

Usato Come EFICIENZA Se

Essere

Potenza: limiti sua potenza massima

Kingyad

P Xr p

= . .

Da cosa dipende la potenza?

Non tutti i termini sono facilmente migliorabili:

rendimento globale,

- il che è un prodotto tra tutti i rendimento di cui il collo di bottiglia è il

rendimento termodinamico. Rappresentando il ciclo mediante un ciclo ideale, il rendimento

dipende dal rapporto di compressione che non può essere aumentato più di tanto.

dosatura φ

- che dipende dal sistema di combustione che più di tanto non può essere

incrementato.

tonalità termica

- che dipende dalla composizione chimica del combustibile.

Un parametro che può cambiare significativamente è la velocità di rotazione massima del motore

n: la potenza è proporzionale alla velocità di rotazione.

Vincoli sulla velocità di rotazione:

vincoli meccanici:

- si deve tenere conto della velocità media del pistone. Le forze di inerzia che

agiscono sul manovellismo dipendono anche dalle dimensioni del motore, in particolare dalla

corsa.

I limiti meccanici quindi si possono definire calcolando la velocità media del pistone massima (max

25-27 m/s).

ruvidità della combustione

- (solo su motori ad accensione per compressione): in questi motori

uno dei grossi problemi è il tempo di ritardo: all'aumentare della velocità di rotazione n la

combustione tende a diventare sempre più impulsiva diventando una sorta di detonazione. I Diesel

quindi, arrivano a 4000-5000 giri/min al massimo; oltre questi giri la combustione diventa talmente

ruvida che le sollecitazioni meccaniche sono inaccettabili. Per i motori ad accensione comandata

questo limite non esiste.

cilindrata unitaria (cilindrata

- per ogni cilindro): nei motori ad accensione comandata c'è il

problema della detonazione, che tende a diventare sempre più rilevante quanto più aumentano le

dimensioni della camera di combustione. All'aumentare della cilindrata unitaria si rischia di arrivare

ad un limite oltre il quale non si può andare: 1000 cc per cilindro. Oltre questo limite i motori di

fatto non si possono utilizzare. Nel campo delle grandi potenze è improponibile pensare di

utilizzare motori ad accensione comandata.

Influenza del rendimento volumetrico

Motori aspirati: è possibile, sfruttando gli effetti dinamici, arrivando ad un λ di 1,2-1,3. Il

rendimento volumetrico è la chiave dell'incremento di potenza dei motori di F1 della precedente

rivoluzione.

Motori sovralimentati: la sovralimentazione aumenta il rendimento volumetrico. Ci sono però dei

vincoli:

- motori ad accensione comandata: all'aumentare della pressione di sovralimentazione, e quindi di

λ, vi sono problemi di detonazione. È molto difficile che λ>2.

- motori Diesel: non c'è il problema della detonazione ma rimane il problema che all'aumentare

della pressione dell'aria entrante nei cilindri, aumentano tutte le pressioni nel ciclo e quindi si

hanno sollecitazioni meccaniche più alte.

φ

Influenza dea dosatura

Motori Diesel:

la dosatura è sempre magra (φ<1 λ>1): ci si può avvicinare al valore stechiometrico lavorando sulla

geometria della camera di combustione e sul sistema di iniezione. Più ci si avvicina a 1, maggiore è

la potenza erogata dal motore.

Motori ad accensione comandata:

0.9<φ<1.3 per una combustione regolare.

Bisogna tenere conto che la potenza dipende dal prodotto φ*ηc. La condizione che massimizza la

potenza in questo motore è 0,85<λ<0,90 e φ~1,1. P

ricche.

Per avere massima potenza si usano miscele magre.

Per avere massima la efficienza si usano miscele

La mappatura in F1 serve a privilegiare il rendimento rispetto alla potenza (riduce il consumo). In

qualifica la mappatura privilegia la potenza rispetto al rendimento.

Influenza dea tonalita' termica

Ki αs Ki'

Benzina 44 14,6 3,01

Gasolio 43 14,5 2,96

Etanolo 26,8 9 2,98

Metano 50 17,2 2,90

Gas naturale 47,7 16,5 2,89

Idrogeno 120 34 3,52

La tonalità termica dipende solo dal combustibile.

Bisogna sempre considerare la dosatura stechiometrica. La tonalità termica dei motori, in termine

di combustibile, varia molto poco.

Nella formula della potenza quindi si inserisce la tonalità termica e non il potere calorifico poiché è

questa che alla fine conta.

Il fatto che il potere calorifico dei combustibili sia molto diverso tra i combustibili non porta alcun

contributo alla potenza.

Limitazioni aa potenza massima nei motori aspirati

Considerando i motori da competizione in cui non vi sono vincoli sulle emissioni, ma c'è il vincolo

della cilindrata;

Come si può massimizzare la potenza? Cosa permette di estrarre dalla cilindrata (che è fissata) la

massima potenza?

Si modifica la formula della potenza: invece che considerare la velocità di rotazione massima, si

considera la velocità media del pistone (limita superiormente, 25-27 m/s). Per inserire la velocità

media del pistone considero la cilindrata è uguale all'area totale dei pistoni per la corsa S.

KingpaVd

P Ar .

= B

Vol Area tot S

pist =

= .

↑ Niking gaAp S 2)

tot .

= . T

ArKingga tot

Ap

= ,

Da questa formulazione si capisce che se è un motore aspirato per massimizzare la potenza si può

lavorare su:

- rendimento volumetrico λ;

- rendimento globale (ηg) aumentando il rapporto di compressione;

area totale dei pistoni

- è il parametro su cui si può agire maggiormente.

Come si aumenta il più possibile l'area dei pistoni? 2 modi:

Frazionamento della cilindrata:

1. si aumenta il numero di cilindri a parità di cilindrata totale.

Rapporto alesaggio - corsa.

2.

Si considerano due motori di uguale cilindrata totale è uguale rapporto alesaggio - corsa, diverso

frazionamento (diverso numero di cilindri).

I

BES = Bis

E zaB

& Be

Be

21 = &

B1 -

2

B

Area Z1 21 s

Pistoni 21 =

= B2 B2

Ze

Area Pistoni Ze

22

Più il motore è frazionato più è potente.

- i motori più frazionati sono avvantaggiati: un 8 cilindri ha una potenza doppia rispetto ad un

Nadk

o

monocilindro. scambio Termico

sup

+

- camere di combustione più piccole: El DETONAELNt

Mischie

Merco

-vantaggio: si riduce il rischio di detonazione ed è più facile raffreddare la camera: il

raffreddamento avviene soprattutto tramite la testa del motore che, avendo una superficie

maggiore, rende più facile il raffreddamento.

- svantaggio: aumentando la superficie di scambio termico aumentano le perdite di calore

attraverso le pareti : rendimento di adiabaticità peggiore.

- se gli alesaggi si riducono molto gli svantaggi aumentano:

- le valvole diventano sempre più piccole e non possono essere scalate in proporzione. Valvole più

piccole comportano un diverso rendimento volumetrico che crolla insieme al rendimento di

pompaggio (più difficile il ricambio della carica). Anche il rendimento meccanico tende a diminuire.

C'è un limite superiore al frazionamento dato dalla cilindrata unitaria: sotto i 50cc è quasi

impossibile fare un motore 4T. XVI valvde piccole

+

- pesant

cala--Valv

Av +

Rapporto alesaggio corsa B/S=β .

>

-

Se il rapporto aumenta, aumenta l'area dei pistoni: alesaggi più grandi corse più piccole.

- Il problema è che a differenza del frazionamento, questo rapporto ha un impatto molto più

importante sul rendimento globale e volumetrico. I rendimenti variano e tendenzialmente il

rendimento volumetrico cala perché all'aumentare dell'alesaggio le valvole sono più grandi e quindi

più pesati; la velocità di rotazione deve essere maggiore. Le sollecitazioni sul gruppo valvola

Nad UcI

· schiacciate

camure

aumentano in modo esponenziale. +

- Problema sulla camera di combustione: più gli alesaggi sono grandi più la camera di

combustione si schiaccia ed è quindi meno efficiente da un punto di vista del rendimento di

adiabaticità e di combustione. Una camera schiacciata comporta il non completamento della

combustione.

Per avere dei vantaggi da un incremento del rapporto B/S, è necessario riprogettare

opportunamente la camera di combustione ed introdurre uno «step» tecnologico sulle valvole,

altrimenti non conviene

L’evoluzione dei motori di Formula 1 dimostra comunque la convenienza all’aumentare B/S: dagli

anni ‘50 al 2013 gli aspirati sono passati da valori di poco superiori all’unità fino