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TONALITA' TERMICA
Come noto, nei motori l'energia chimica contenuta nel combustibile viene convertita in energia termica attraverso le reazioni di ossidazione del combustibile con l'ossigeno dell'aria. Poiché la combustione completa di una certa quantità di combustibile può avvenire solo in presenza di una definita massa di aria, la potenza di un motore risulta limitata dalla massa di comburente che può essere introdotta nei cilindri ad ogni ciclo. Sul processo di combustione esercita un'influenza determinante il rapporto di miscela o dosatura dei reagenti A/F, rapporto tra la massa di aria m e la massa di combustibile ma introdotti nel cilindro ad ogni ciclo: A m 3 = F m 4 Per ogni combustibile, in base alla sua composizione chimica, è possibile calcolare il corrispondente rapporto di miscela stechiometrico (A/F), ossia la massa d'aria teorica necessaria affinché possa avvenire la combustione completa.dell'unità di massa del combustibile. Il rapporto stechiometrico delle benzine-super commerciali oscilla tra 14,6 e 14,8. Solitamente il rapporto di miscela solitamente utilizzato si discosta dal valore stechiometrico e può essere minore (miscela ricca), uguale o maggiore (miscela magra). Quanta aria entra nel cilindro? Al posto del rapporto di miscela talvolta viene usato l'indice d'arial: λ = A/F, il quale precisa la quantità d'aria presente nella miscela: λ>1 miscela magra, λ<1 miscela grassa. Poiché, a parità di altre condizioni, le prestazioni di un motore dipendono dalla massa di comburente introdotta, è fondamentale conoscere la Ktermica di un combustibile, ossia l'energia termica che può essere ricavata dalla combustione completa e teorica (stechiometrica) che coinvolge l'unità di massa di aria introdotta ad ogni ciclo. Con Ktermica si indica il potere calorifico inferiore.delK potere calorificoicombustibile, e la sua tonalità termica valeK !,K = (A )/F 5[J/kg ].ariaQuesta definizione è corretta nei Diesel ma negli Otto va rivistaperché nei cilindri non entra solo aria ma una miscela di aria evapori di benzina. In questi casi è opportuno riferire K non all'unitàidi massa di aria ma all'unità di massa di miscela definendo unanuova tonalità: D0,,D = (E )/F + 16RENDIMENTO DI COMBUSTIONE h CA questo punto possiamo introdurre il rendimento di combustione,già menzionato precedente, come il rapporto fra l'energiaeffettivamente sviluppata dall'unità di massa di combustibile e K .i,m K3Q = m η K = η K = m η" 4 4 ! 4 ! 3 4(A )/ F λo analogamente ,,KQ = m η" 7!54893 4 λ+1Pertanto a parità di combustibile, Q è tanto maggiore quanto1maggiore è la massa di aria introdotta poiché è possibilebruciare una quantità superiore di combustibile. A causa della presenza di effetti quasi-stazionari e dinamici la massa di fluido che viene effettivamente introdotta ad ogni ciclo è, in realtà, diversa da quella teorica cioè m = x V, determinata nelle ipotesi che il fluido riesca ad occupare, in condizioni fisiche esterne cioè ambientali, un volume V pari alla cilindrata unitaria.
Dentro al cilindro però nella realtà non troviamo le stesse condizioni di pressione e temperatura che ci sono fuori, e quindi anche una diversa densità dell'aria. Vediamo il perché:
Nell'ambito degli effetti quasi stazionari gli scambi di calore e le perdite di carico giocano un ruolo fondamentale sul processo di riempimento perché riducono la densità del fluido all'interno del cilindro rispetto al valore ambiente. Il fluido infatti durante la fase di aspirazione, subisce un aumento di temperatura a causa del
contatto con le pareti calde del motore, e subisce una caduta di pressione a causa delle resistenze fluidodinamiche incontrate lungo il condotto, le luci valvole e in caso la valvola a farfalla. Poiché le perdite di carico sono legate al quadrato della velocità del fluido, esse aumentano all'aumentare del regime di rotazione. Inoltre il fluido entrante non riesce ad occupare tutto il volume V generato dal pistone a causa dell'espansione dei gas combusti residui all'interno del cilindro. Essi infatti si trovano a una pressione superiore di quella ambientale nell'istante di apertura della valvola. A questi fenomeni quasi-stazionari, si sovrappongono gli effetti dinamici legati alla variabilità delle condizioni di flusso: fenomeni inerziali e propagazione delle onde di pressione nei condotti (dovute alla repentina apertura/chiusura delle valvole), cioè l'effetto Ram. Entrambi questi fenomeni instazionari hanno carattere periodico con frequenza.La lunghezza dei condotti di aspirazione è strettamente legata alla loro efficacia. Il condotto di aspirazione è composto da diversi componenti: il cilindro MAF (Mass Air Flow) che rileva la portata d'aria, la valvola di aspirazione a farfalla e il filtro dell'aria.
La scelta di una lunghezza adeguata per il condotto di aspirazione consente di ottimizzare il movimento delle valvole e di migliorare il riempimento del cilindro. In questo modo, l'onda di pressione raggiunge il suo massimo momento poco prima della chiusura della valvola di aspirazione, aumentando così la densità di carica e migliorando la sovralimentazione naturale.
Lo stesso principio si applica anche al condotto di scarico. I fenomeni dinamici possono migliorare il riempimento, il rendimento volumetrico e la coppia solo a determinate velocità di rotazione, per le quali la lunghezza dei condotti è stata ottimizzata. Tuttavia, esistono anche condotti a lunghezza variabile, come quelli telescopici.
riguarda i fenomeni inerziali invece, come già visto, possono essere esaltati con un'opportuna scelta della fasatura, ma sempre limitatamente a un ristretto campo di utilizzo del motore. L'estensione ad una più ampia fascia di regimi di rotazione può essere fatta solo tramite una fasatura che varia al variare della velocità di rotazione. Tutta questa analisi viene sintetizzata attraverso il rendimento volumetrico o di carica definito come il rapporto tra la massa reale di aria introdotta ad ogni ciclo e quella teorica, cioè quella che teoricamente dovrebbe essere introdotta calcolata in base alla cilindrata unitaria (quindi il volume di un solo cilindro) ed alle condizioni di temperatura e pressione da cui il motore si alimenta: m / m3,:8398 3λ = η = =# # m ρ ∙ V3,'8;:!43 3 Di difficile valutazione sperimentale e teorica, e generalmente con valori inferiori ad uno. Significativi miglioramenti del rendimento volumetrico possono essere ottenuti attraverso l'adozione di sistemi di sovralimentazione come il turbocompressore o il compressore volumetrico.Possono essere ottenuti con la sovralimentazione meccanica che verrà trattata nella parte riguardante la sovralimentazione. Tenendo conto dell'ultima relazione, si può finalmente esprimere il calore Q sviluppabile dalla combustione ad ogni ciclo in funzione di tutte le grandezze che lo influenzano:
D: = I ∙ J ∙ ; ∙ ; ∙ " < = > K 31
POTENZA E COPPIA
Si giunge quindi all'espressione definitiva del lavoro effettivo ottenibile all'albero ad ogni ciclo:
KL = η ⋅ η ⋅ η ⋅ η ⋅ λ ⋅ ρ ⋅ V ⋅8 '( ! 7 4 # 3 λ
La potenza effettiva P sviluppata dal motore si ricava immediatamente moltiplicando L per il numero di cicli nell'unità di tempo N=2n/t dove n è la velocità di rotazione (angolare) e il numero di tempi del motore. Quindi per un 4 tempi N=n/2, quindi:
n K nP = L ⋅ N = L ⋅ N R = η ⋅ η ⋅ η ⋅ η ⋅ λ
- ⋅ ρ ⋅ V ⋅ ⋅τ τ8?? 8 8 '( ! 7 4 # 3 λ@ @2 2E dato che Potenza = Coppia x (velocità angolare)P = M ⋅ 2πn8?? ,P K→ M= = η ⋅ η ⋅ η ⋅ η ⋅ λ ⋅ ρ ⋅ V ⋅'( ! 7 4 # 32πn τλπoppure =2 in base ai tempi del motore.t=4Dalla relazione appare che la coppia motrice M è indipendentedallla velocità di rotazione n, salvo le influenze indirette esercitateda n sui singoli valori dei rendimenti.
- REGOLAZIONE:Motori AC. Nei motori diesel si opera una regolazione “per• qualità”, cioè si modifica il rapporto di miscela in funzione delcarico.A parità di massa d’aria aspirata viene iniettata una quantitàdi combustibile tanto maggiore quanto maggiore è il caricodel motore. Durante la regolazione quindi, alla diminuzionedella massa di combustibile iniettata fa riscontro un minorelavoro utile per
ciclo e quindi una minore potenza. Questo tipo di regolazione è possibile grazie alle caratteristiche del processo di combustione, che non richiede la propagazione di un fronte di fiamma poiché le singole particelle si autoaccendono indipendentemente a causa degli elevati valori di pressione.
Considerando che in questi motori non è presente la valvola a farfalla non si riscontrano rilevanti cadute di rendimento volumetrico.
Motori AS. Non essendo possibile modificare la qualità della miscela in quanto la velocità della combustione dipende strettamente dal valore A/F, nei motori AS si adotta una regolazione "per quantità". Strozzando il condotto di aspirazione con la valvola a farfalla e inducendo una perdita di carico nel fluido, e di conseguenza abbassandone la densità, si varia la massa di aria che entra in camera. A questo strozzamento è associata una diminuzione del lavoro utile (si brucia meno combustibile) ed un
Aumento di lavoro resistente di pompaggio (maggiori perdite di carico). Gli effetti della regolazione sono immediati e rendono i motori Otto più rapidi nella risposta alle variazioni di carico. In questi casi però il rendimento totale crolla drasticamente a bassi carichi a causa dell'influenza dello strozzamento sul rendimento volumetrico.
LE PRESSIONI MEDIEE’
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