Riassunto esame Fondamenti di macchine e motori, Prof. Cantore Giuseppe, libro consigliato Motori e sistemi propulsivi per autoveicoli, Giuseppe Cantore

Macchina a fluido

È una macchina che interagisce con un fluido di lavoro (liquido, vapore o gas) che la attraversa, realizzando con esso uno scambio energetico. Più macchine a fluido unite insieme formano un sistema energetico. Le macchine a fluido si dividono in diverse categorie. Esempi di macchine a fluido:

Motori a combustione interna

Classificazione

I motori vengono classificati in base a:

• Modo di avviare la combustione
• Durata del ciclo
• Natura del combustibile
• Alimentazione dell'aria
• Regolazione del carico
• Architettura
• Tipo di moto delle parti
• Sistema di raffreddamento

Analisi delle classificazioni

1. Combustione: Modo di avviare la

• AC accensione per compressione (spontanea)
• AS accensione per scintilla (comandata)
• HCCI Altre modalità

2. Durata del ciclo:

• 4 tempi (Ciclo completo in quattro corse del pistone)
• 2 tempi (Ciclo completo in due corse del pistone)

3. Natura del combustibile usato:

• Benzina
• Gasolio (Diesel)
• GPL
• Metano
• Idrogeno

4. Alimentazione dell'aria: Aspirato, sovralimentato

5. Alimentazione del combustibile: iniezione diretta o indiretta

6. Architettura: monocilindrico, bicilindrico, pluricilindrico, in linea, a V, piatto.

7. Tipo di moto delle parti: alternativo; rotativo (Wankel)

8. Sistema di raffreddamento: ad aria; a liquido

Architettura di un motore alternativo a 4 tempi

La struttura portante del motore è costituita dal basamento, solitamente fuso in ghisa e comprendente anche i cilindri. Esso assolve una serie di importantissime funzioni: supporta l’albero a gomiti mediante cuscinetti, reca gli attacchi per il fissaggio del motore alle strutture di sostegno (telai, carlinghe, ecc.), è provvisto al suo interno di intercapedini per il passaggio del liquido di raffreddamento e dell’olio ed infine reca un piano per l'attacco della coppa dell’olio nella parte inferiore, al cui interno si raccoglie il lubrificante. Al di sopra del basamento troviamo la testata, realizzata per fusione in ghisa o alluminio, che è fissata al monoblocco con l’interposizione di una guarnizione ad elevata resistenza termica per assicurare la tenuta dei gas di scarico ad elevata pressione. La testata è solitamente sede delle valvole, che permettono al fluido di entrare o uscire e degli alberi a camme che ne guidano il movimento. Esso deriva il suo moto rotatorio dall’albero a gomiti tramite una catena o una cinghia dentata. Per mezzo di un eccentrico che “spinge” la valvola, la quale poi torna in sede grazie a una molla. Inoltre, la testata è sede della candela e dell’iniettore.

Organi del manovellismo di spinta

Il manovellismo di spinta è composto essenzialmente da piede di biella, pistone, spinotto e biella. La biella è composta da due parti per consentirne il montaggio nell’albero a gomiti. Il fusto è la parte più estesa della biella che culmina con il piede di biella dove troviamo la sede dello spinotto. Dalla parte opposta troviamo invece la testa di biella, che comprende appunto il cappello di biella, il quale viene fissato tramite due viti. Il pistone invece è un componente che si muove di moto alternativo all’interno del cilindro ed è quindi sollecitato dalle pressioni che si creano al suo interno. Esso presenta sulla superficie laterale delle sedi per due anelli raschia olio. Deve essere quanto più leggero e resistente.

Organi della distribuzione

La distribuzione comprende:

• Le valvole di aspirazione per regolare il flusso di benzina miscelata all'aria o di aria
• Le valvole di scarico per poter regolare il flusso dei gas di scarico
• I sistemi preposti al regolare funzionamento di esse, cioè l'albero a camme, che regola la fasatura di apertura di ogni valvola, le punterie, le aste di distribuzione, i bilancieri.

Le valvole hanno la stessa forma ma dimensioni differenti: quella di aspirazione ha uno stelo più sottile e un diametro di testa maggiore per favorire un ingresso di una portata di aria maggiore mentre quella di scarico ha uno stelo più grosso e una testa più piccola perché, essendo più sollecitata termicamente dai gas di scarico, con un diametro di stelo maggiore aumenta la superficie attraverso cui dissipare il calore. I motori a 5 valvole ne hanno 3 di aspirazione e 2 di scarico.

In buona parte dei motori il meccanismo di distribuzione è raggruppato sulla testata: si definisce infatti distribuzione a camme in testa, nella quale l'albero a camme lavora direttamente sulla punteria delle valvole, ed è collegato all'albero motore tramite una catena o una cinghia o con una cascata di ingranaggi (generalmente riservato alle corse). Nei motori più datati o per applicazioni industriali, si ha invece la distribuzione indiretta, dove le camme sono situate nel basamento, e azionano le valvole grazie a un sistema di aste e bilancieri.

Tipo di trasmissione

• A catena: soluzione antiquata, causa maggiore rumorosità ma è più resistente al tempo ed all'usura.
• A cinghia dentata: costruita in gomma, molto silenziosa, ma non garantisce la durata, in quanto invecchiando la gomma s'indurisce, rischiando di causare rotture improvvise della cinghia stessa.
• A cascata d'ingranaggi: soluzione più costosa, generalmente relegata alle competizioni, ma facilita la revisione, non ha bisogno del tendi catena/cinghia, ha pochissimo gioco d'accoppiamento e perciò molto precisa nel trasmettere la rotazione.

Tipo di richiamo delle valvole

• Elastico: tecnica più antica e consiste nell'utilizzo di una o più molle elastiche per valvola, costruite generalmente in acciaio armonico o titanio, per chiudere la valvola.
• Pneumatico: tecnica molto costosa, generalmente riservata alle competizioni, consiste nell'utilizzo di una molla pneumatica, che ha lo stesso funzionamento della molla elastica, ma migliora la chiusura ai elevati regimi eliminando il rimbalzo della valvola dalla sede.
• Desmodromica: una tecnica poco utilizzata, sia in ambito civile che competitivo, il quale consiste nel comandare tramite bilancieri la chiusura della valvola.

Grandezze geometriche e cinematiche

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°, la corsa è dunque pari a due volte il raggio di manovella, R.

Volume totale del cilindro V_t: è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando questo si trova al PMI ed è uguale al massimo volume del cilindro. Comprende il cilindro stesso più il volume della camera di combustione.

Volume della camera di combustione V₀: è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando questo si trova al PMS ed è uguale al minimo volume del cilindro.

Cilindrata unitaria V_c: volume spazzato dal pistone nella sua corsa dal PMS al PMI.

Angolo di manovella q: angolo descritto dalla rotazione della manovella a partire dal PMS; indicata con la velocità di rotazione dell’albero motore e con n il suo numero di giri nell’unità di tempo si ha:

J = w×t = 2×π×n×t

Velocità media del pistone v_mp: v_mp = 2×C×n

La velocità media del pistone è una grandezza indicativa del grado di esasperazione meccanica e fluidodinamica del motore. Un motore che fornisce la sua potenza massima con un’elevata velocità media dello stantuffo ha un modesto margine meccanico e fluidodinamico per ulteriori incrementi di potenza. Per avere migliori prestazioni bisogna avere una corsa bassa per non aumentare la velocità media del pistone (che di conseguenza aumenterebbe le forze di inerzia) e tenere più alto possibile il numero di giri.

Rapporto volumetrico di compressione, b: rapporto fra il volume totale del cilindro ed il volume della camera di combustione V₀, ossia:

b = V_t / V₀ = (V_c + V₀) / V₀

(8:12 per motori AS; 12:24 per motori AC)

Dove n è la velocità di rotazione in rps e C è la corsa del pistone. La v_mp varia tra 8 e 15 m/s e per un motore F1 può arrivare fino a 24.5 m/s.

Rapporto corsa/alesaggio, C/D: solitamente valori prossimi all’unità per ragioni di ingombro e di peso. Ma per motori a corsa corta:

• 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, etc.

D’altra parte, i motori a corsa lunga offrono anch’essi dei vantaggi soprattutto dal punto di vista termico:

• Camere di combustione raccolte
• Più elevati rendimenti
• Migliore raffreddamento del pistone e del cilindro
• (Maggiore rapporto superficie/volume)

C/D per un F1 può arrivare a 0.405!

Spostamento istantaneo del pistone dal PMS

J_s = r×(1-cosφ) + l×(1-cosβ)

Velocità istantanea del pistone v_p:

ds/dt = ω×r×senφ×(senθ+senβ)

Accelerazione istantanea del pistone a_p:

a_p = ω²×r×(cosφ+cosθ×cosβ)

Sollecitazioni inerziali

F_i = m_p×a_p×n

Per i motori ad elevate velocità di rotazione diventa fondamentale alleggerire le masse alterne, cioè quelle della biella, dello spinotto e in particolare quella del pistone. In questo modo si riescono a ridurre le forze d’inerzia ma non possono essere eliminate del tutto. Per bilanciarle infatti si creano forze opposte e contrarie, per esempio, con i contrappesi dell’albero a gomiti o aumentando il numero di cilindri.

Ciclo di funzionamento di un motore 4T (AS)

I. Aspirazione: Si apre la valvola di aspirazione ed entra una miscela di aria-combustibile. Durante questa fase il pistone scende verso il PMI aspirando a circa pressione costante (atmosferica per gli aspirati, pressione di uscita del compressore per i compressi).

II. Compressione: la valvola di aspirazione si chiude e il pistone sale verso il PMS comprimendo la miscela.

III. Espansione: Si ottiene lavoro attraverso l’espansione dei gas combusti che convertono l’energia termica in energia meccanica attraverso una pressione sul cielo del pistone. Durante questa fase quindi si misura coppia all’albero fino al PMI. N.B. La combustione NON è una fase ma viene considerata idealmente come uno scambio termico istantaneo a volume costante pari a quello della camera di combustione. Realmente però non avviene proprio così.

IV. Scarico: la valvola di scarico si apre e i gas vengono espulsi in parte grazie alla differenza di pressione tra cilindro, cioè pressione residua, e condotto di scarico (scarico libero) e in parte grazie al moto del pistone verso il PMS (scarico comandato).

Questo meccanismo di espulsione e aspirazione viene chiamato ricambio della carica. Più efficace è questo ricambio e migliore è il funzionamento del motore. Ciò avviene grazie all’ottimizzazione della fasatura, cioè attraverso la scelta opportuna degli istanti di apertura delle valvole e di accensione della miscela (reale).

Diagramma di indicatore ideale

Ciclo Otto

Il diagramma di indicatore è un diagramma p-V (pressione istantanea che agisce sul pistone in funzione del volume istantaneo a disposizione del fluido). Non è considerato un diagramma termodinamico in quanto il motore è un sistema aperto e siamo ben lontani dalle condizioni di equilibrio termodinamico e le masse e le composizioni chimiche dei fluidi in gioco variano istante per istante. I punti del diagramma di indicatore, quindi, non rappresentano stati fisici del fluido. Nonostante ciò, risulta comunque molto utile perché permette il calcolo del lavoro L scambiato dal fluido sul pistone, rappresentato dall’area interna del ciclo, cioè dall’integrale di pdV.

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 (un gas perfetto con calori specifici costanti) in un motore ideale, cioè privo di perdite di carico durante il passaggio del fluido, in cui non avvengono scambi di calore con l’esterno e in cui l’apertura e la chiusura delle valvole avviene in modo istantaneo in corrispondenza dei punti morti.

Dividendo il volume V per la massa (1kg) si passa al diagramma p-v che considera il volume specifico.

• In 0 la valvola di aspirazione idealmente si apre istantaneamente (ovviamente questo è impossibile nel mondo reale).
• 0-1 Aspirazione isobara a p_atm senza perdite viscose.
• 1 La valvola di aspirazione si chiude istantaneamente e inizia la salita del pistone
• 1-2 Compressione adiabatica reversibile, cioè isoentropica (s=cost.) in cui pV^k=cost., con k=c_p/c_v. Durante questa fase viene speso lavoro.
• 2 Scocca istantaneamente la scintilla quindi la miscela, che durante la compressione ha aumentato la sua temperatura, brucia all’istante.
• 2-3 Avviene la combustione isocora con il pistone fermo al PMS, quindi istantanea.
• 3-4 Espansione isoentropica con il pistone che scende fino al PMI, producendo lavoro.
• 4 Apertura istantanea della valvola di scarico
• 4-1 fase di scarico libero (isocora) in cui i gas iniziano ad uscire in modo spontaneo con pistone fermo al PMI.
• 1-0 Scarico comandato a pressione costante p_atm durante la risalita del pistone.

Ciclo Diesel

La principale differenza che contraddistingue il ciclo Diesel dal ciclo Otto risiede nella combustione 2-3 che viene schematizzata con uno scambio termico a pressione costante, che a parità di condizioni è più elevata di quella che si viene a creare in un ciclo Otto. Questa ipotesi è possibile in quanto nei motori AC, durante la combustione, l’energia termica viene rilasciata gradualmente, al contrario degli AS in cui lo sviluppo di energia termica è assai più rapido.

Il lavoro teorico L_th è la differenza dei calori scambiati, cioè l’area del ciclo. Per analizzare compiutamente il funzionamento del motore è necessario abbandonare il ciclo ideale e ricercare un ciclo di riferimento più accurato. Il primo passo per farlo è considerare il comportamento reale del fluido operatore all’interno di una macchina però ancora ideale. In questo modo si arriva alla definizione di un ciclo limite, che rappresenta il limite superiore delle prestazioni del motore ottenibili perfezionando la macchina. Il ciclo limite è rappresentato dalla linea continua, mentre quello teorico dalla linea tratteggiata. L’introduzione di un fluido reale infatti comporta che i calori specifici variano in modo significativo con la temperatura, in particolare aumentando con essa e provocando una diminuzione dei valori massimi della pressione e della temperatura.

Diagramma di indicatore reale

L’ultimo passo è quello di considerare un ciclo reale, ossia quello descritto da un fluido reale in un motore reale. In questo caso quindi vengono considerate anche le imperfezioni e le effettive condizioni operative della macchina. Innanzitutto nel motore reale le trasformazioni di compressione ed espansione non sono adiabatiche perché il cilindro e la testata sono raffreddati e di conseguenza il fluido operatore subisce perdite di calore. Pertanto queste trasformazioni sono rappresentabili come delle politropiche pV^m=cost (con m<k per la compressione e m>k per l’espansione). Va poi considerato che 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 l’aspirazione la pressione si mantiene inferiore a quella atmosferica (depressione all’aspirazione), presentando un minimo.