Risposta alle domande uscite per preparare l'esame di Sistemi energetici e macchine/macchine

DOMANDE ESAME ORALE

RISPOSTE

E PROF E CORTI

. .

Lorenzo Novaga

forli

1. Funzionamento ideale del motore: ipotesi di studio (fluido ideale, macchina ideale).

Descrizione delle 4 fasi del ciclo e diagramma P-V (otto, Diesel), problema dell’espansione

interrotta( limitazione del rendimento termodinamico). Cicli termodinamici: otto, Diesel, sabathè con

diagrammi P-V e T-s.

Il funzionamento ideale di un motore a combustione interna è quello di convertire energia termica in

energia meccanica, ovviamente la maggior parte possibile anche se in termini reali parliamo del 20/50%.

Il ciclo solitamente comprende 4 fasi ( 4 tempi):

-aspirazione: viene aspirata la nuova carica;

-compressione: viene compressa la miscela di aria e combustibile;

-combustione ed espansione: avviene la combustione ed espansione del volume nel cilindro;

- scarico: i gas combusti vengono scaricati e fatti uscire dalla camera di combustione;

Ciclo otto: impiegati nei motori a accensione comandata, abbiamo aria premiscelata con combustibile in

mandata del cilindro; ho come in ogni ciclo una compressione ed una espansione ISOENTROPICA, e

scarico a volume costante, il ciclo otto si differenzia per aver la combustione a volume costante.

Ciclo Diesel: utilizzato per i motori ad accensione per compressione, combustibile iniettato nebulizzato

dentro la camera di combustione, l’aria calda e l’alta pressione innescano una autocombustione

prolungata nel tempo, ho compressione ed espansione isoentropiche, scarico di calore a volume

costante, combustione avviene a pressione costante.

Ciclo Sabathè: ciclo che può descrivere sia i motori ad accensione comandata, sia i motori per

compressione, caratterizzato sempre da compressione ed espansione isoentropiche, scarico

di calore a volume costante , la combustione avviene in parte a volume costante e in parte a

pressione costante.

Espansione interrotta: interruzione dell’espansione dei gas combusti quando la pressione nel cilindro è

superiore al valore di quella atmosferica, con una perdita di energia (recuperabile solo in motori turbo

sovralimentati) considerevole per tutta l’espansione del ciclo.

2: diagrammi T-s: ipotesi di ciclo chiuso, confronto tra i cicli prefissato il rapporto di compressione, a parità

di calore introdotto. Confronto i cicli a rapporto di compressione diverso, con stessa pressione massima.

Rapporto volumetrico di compressione sarebbe r = v1/v2, in particolare si può dir che il rendimento

indicato cresce iperbolicamente al crescere di r. Nel Diesel invece è il rapporto di espansione che fa

incrementar il rendimento.

3. Calcolo del rendimento termodinamico del sabathè. Temperatura media dei gas di scarico.

¥

E

RAPPORTO VOLUMETRICO compressione

di : = È

È

Tu

Rapporto volume costante

di combustione a : =

= TÈ

TÈ

Ep

pressione costante

di combustione a

Rapporto =

: =

-1

VK cost

T

isoeeurropica

trasformazione

→ .

→ = te

funzione

→ esprimo temperature

tutte le di

in :

affettata )

.it/TvTp

( % "

% )

%

(

"

1- f

→ rendimento )

(

: t.it

= i

, -

e .

.

{ ]

e)

(

1)

Tu Tp Ehi

+

- -

LA nevi hooooc

TEMPERATURA GAS scarico Hanno orsine

temperature

del di del .

Ciclo limite, effetti variazione capacità termica, variazione composizione, dissociazione CO2. Diagrammi di

indicatori reali, rendimento indicato.

Il ciclo limite è un ciclo che in cui si tiene conto delle caratteristiche del fluido di lavoro, continuando però

a considerare la macchina cimd ideale.

-l’aumento della capacità termica del fluido reale comporta una riduzione del rendimento del ciclo limite

rispetto a quello ideale;( la capacità termica aumenta con la temperatura)

- bisogna mantenere il fluido ad alte temperature per dissociare i prodotti di ossidazione del combustibile,

le molecole di CO2 ->CO, quelle di H2O ->H2 e O2, si dissociano tanto velocemente quanto si

combinano per formale le molecole prima indicate, al crescere della T gli equilibri si spostano verso

destra e aumenta la frazione molare dei prodotti dissociati, altrimenti è il contrario. Conseguenza di questi

effetti è un rilascio di energia reale inferiore a quello teorico.

DIAGRAMMI

indicatori

REALI . %

Indicato L' 80 del

Rendimento

Del

RAGGIUNGE

Mediamente il LIMITE

corrispondente CICLO .

5. Determinazione della potenza per via termica, rendimento organico. Definizione dei termini di

rendimento (indicato, di combustione, termodinamico).

Combustione, rapporto A/F, lambda, bilanciamento reazione di base C43H84.

Definizione di tonalità termica per motori ad accensione comandata e per compressione. Fattore di carica

(rendimento volumetrico), espressione della potenza e della coppia con dipendenza esplicita da cilindrata

e densità del fluido aspirato.

→ FAR

PER

Rendimento ORGANICO VARI FUNZIONARE

USATI

RENDIMENTO ORGANI

DEI

: MOTORE

IL albero

lavoro motore

{÷

% →

. = )

( =/ Polo

Li

Lavoro indicato

→

cari

numero

→

Lo 2¥

po

ALBERO MOTORE

potenza

→ : .

= l'

( )

TEMPI

2 =L

per

CORSE

→ numero ciclo Tele

tempi

µ

Po

poeti Lth

F- I.

? se

%

- -

unità

per

Lavoro DI MASSA

→

€

Mtb

→ Rendimento termodinamico : = unità massa

per

calore di

→

↳ Lth 4th 01

.

-

02

( 42420

43

Cles 6402

Hole →

→ Reazione t t

+84 600

Miguel 32

43 2048

64

12 Mq . =

- = =

=

NNOZ 2048 Bisogna considerare L'

CHE area utilizzata

= 600

Mpeg Kg kg

È 0,23 per ogni

DI CIRCA di aria .

¥ ARN-lcohbustlb.ve È

Rapporto DEI

nessuno

DETTO stechiometria quando

= È eccesso

REAGENTI in .

Il

AFR )

( Meir Meir 1

Moz

AFR 2048 14.84

= =

= = .

.

Moz 600

Miguel

mnfuel 0,23 ( )

Benzina

14.65

stechiometria

tipici

VALORI : ( )

14.50 gasolio )

(

17,00 metano

( )

9,00 etanolo

del stechiometria

da

(d) AFR

d'

→ aria

indice : ( )

| grassa

Fuel

Eccesso

1

( <

)

AFR St ) ( )

Aria

eccesso

e

> magra

Maia

M' )

(

fuel mnifuel combustibile

effettiva

= M di

Massa

gueq

Mpeg = gt

o

mfuee.LT

( maie combustione

partecipa alla

che .

Q (0.95/0,98)

% '

RENDIMENTO

→ di combustione : = Mi

m'

pree' ← calorifico inferiore

potere

QUANTITÀ

TONALITÀ

→ Rappresenta BE

DI

termica CALORE

PARAMETRO L'

CHE LA

: =

fluido

1kg

Data Dalla ASPIRATO

di

combustione PERFETTA di .

1

se

Po dv

' Vc

li fa

%

Potenza ftp.nf.info Mf

Mg ' ' =

- -

-

= . t

Cilindro

[

→ ÷

it :[

÷ III.

# :[ :[

. : ÷

:S

:[

÷ 'n

se

iv.

Po Vc

fg ' Mi

? %

li - .

. -

-

= . parità

potenza

PER coppia A

La

Regolare La di

ovvero m :

, ( pressione

fg

→ A

sistema farfalla

di

modifico La

Agendo VALVOLE

sul

La diminuisco

,

VC

→ coppia

aumentare

aumento per .

,

ff

→ PER aumentarne

sovralimentati coppia

nei

UTILIZZO

, .

→ parità

potenza di

M aumenta coppia

la a .

,

6. Gradi di libertà per modificare progettualmente e regolare la potenza del motore, in motori ad

accensione comandata e compressione.

Prestazioni: coppia, pressione media effettiva, pressione media indicata, consumo specifico, curve di

prestazione: P, C, Cs, per motori accensione comandata e compressione.

Curve di coppia, potenza e consumo specifico per motori naturalmente aspirati e sovralimentati.

→ Potenza RAGGIUNGIBILE

PROGETTUALI

MODIFICHE massima

PER modificare La :

VC Aumentata Aumenta

SE anche

• LA coppia

: . parità

• aumentare

per

M a

incrementato potenza

La di coppia

: .

ff

° PER

dei coppia

sovralimentati Aumentare

motori

UTILIZZATO LA

i .

coppia

→ i TONALITÀ

dipende dalla TERMICA

:

?

{

MO ftp.I-m

fg.VC.tv densità

dalla carica

di

' e

µ

=

= = -

. Rendimento totale .

)

(

PME pressione

→ Effettiva PARAGONARE con

valore

media di

che consente MOTORI

: DIFFERENTI

CILINDRATE .

| ¥ No

PNE E P se

pre Vc

; -

. -

. Potenza

ALBERO

carico

visto come

PUÒ ESSERE motore

DEL

TERMICO .

( )

PMI

→ Riferita

media discorso lavoro

ma

pressione stesso al

indicata : insicuro .

Li PME E

PMI Me pi

Mi

=

= = =

Vc Io 70 %

di

coppia indicata

PME

PMI

che CHE legate organico

rendimento

sono

dato sia al

PMI Pre

più

sarà

avremo che alti

giri

massima ns di .

)

(

BSFC

→ specifico hece

consumo ?

combustibile

Rapporto di

portata

tra

: di

dato valore

ottenere un

PER

Sarto sui Potenza

potenza stessa

albero LA

E .

,

2¥

• Merce

mingere

Merce .

BSFC = = =

Po se

Fai

Mi se

Fai

Mi

m' m'

guee . - Lee . -

ti

{ e d- i

se

BSFC = Riot

Hi -

È "

BSFC se ^

' .net

a. ,

→ a

dell'

grafici

bene

PER tenere

disegnare conto

i devo che

angolo

curva

punto

Generico della

UN

SEGMENTO AD :

congiunge il

Po Mo

Tom (a) 2km Mo

' zit

-

=

=

= m m

→ →

aspirato

motore naturalmente PER

PAIO DI ARRIVARE

un CICLI

Impiega )

(

sovralimentati

0,1 i

pieno Sec

carico

A , )

( 1-

Elettricamente impiegato zsec

1

più le

avanti

Vediamo

modifiche alla valvola

7)

(

Farfalla figura

.

→ DATO

piatta

caratteristicamente

MOTORI SOVRALIMENTATI CHE

CURVA coppia

di

: ,

POTRÒ Pressione ALLORA

MAGGIORE

usare una

% " più

posso " stessa

PER

Limitarla coppia giri

a

AVER .

POSSIBILITÀ PUÒ

Questa sfrenati

si

non La

tre IN

A Quanto

GIRI

BASSI A mandare

RIESCE

turbina non

Abbastanza pressione mandata

in .

L' della

andamento decrescente

È

fase dovuto

coppia finale

in parti

Delle

sicurezza mobili

a ( )

War

girano TROPPO aumenta

CHE di

. .

→ simile Raggiunge quanto

molto

DIESEL prema

LA diesel

coppia in

Max non

: , POSSIBILITÀ

ASPETTARE LA

DEVE IMPIEGO

detonazione DI

DI

, )

( VGT

turbine Geometria variabile Meno sensibili variazioni

a a

portare

di

7. Curve di coppia per motori aspirati in regolazione. Superfici di livello iso-consumo per motori ad

accensione comandata e per compressione. Downsizing, downspeeding, operating point shifting.

→ PER IN

ASPIRATI

CURVE REGOLAZIONE

COPPIA MOTORI

DI , più

parziale velocemente

con scendere

Tende

La a

note coppia ZZATA

valvola

: PERCHÉ maggiore che

giri

pressione Bassi

caduta di a.

una

HO ad Act , .

A

consumo specifico

→ all' ALBERO

coppia

SE LA

si annulla .

→ consumo motori accensione comandata

Iso - .

Notiamo fin da subito che il consumo minimo lo individuiamo ad una velocità non troppo elevata e ad un

carico vicino a quello massimo, per esempio se ci portassimo a 3000 rpm con coppia 110 abbiamo un

valore minimo di consumo, rimanendo a quella velocità e diminuendo la coppia notiamo un notevole

aumento del consumo, questo era il caso di un aspirato.

Nel caso di un sovralimentato avremo una curva piatta nel grafico quindi un range più alto di velocità per

avere un consumo minimo ad un carico leggermente inferiore a quello massimo.

I motori diesel quindi quelli per compressione avremo un caso simile al motore per accensione comandata

ma con dei Delta dei consumi molto più piccoli, passando da 190 g/kWh (1200 rpm, 20 bar) a 240 g/kWh

(1200 rpm, 5 bar).

→ Ridotte

downsizing OPERARE TURBOCOMPRESSORE

t

con cilindrate

= Mo Ve

PME .

= poema

potenza

→ contenuti

sulla GIRI

AGIRE con

SPEEOING vi

down = .

:

→ %

Rendimenti

Avremo inferiori

maggiori 30

del carico massimo E

a

20% parziale

Quello zzaro

con

del .

8. Effetto della velocità di rotazione e carico sul rendimento organico. Effetto della velocità di rotazione e

carico su coefficiente di riempimento, rendimento di combustione, rendimento indicato.

① 1 Mostra una bassa sensibilità alla velocità

%

RENDIMENTO combustione

• DI =

: Mi

Miguel di rotazione in quanto un basso numero

. di giri rappresenta un ingresso meno

turbolento portandolo a livelli ottimali.

Quindi in caso di rotazioni troppo elevate non ci sarà il

tempo materiale per far avvenire le reazioni dei reagenti

incamera di combustione. €

ftp. Rimane costante

• Rendimento termodinamico : li

%

indicato

Rendimento i

• =

. lteorico

I fenomeni di attrito sono sensibili alla velocità di rotazione, in quanto aumentano all’aumentare della

velocità;

Gli scambi di calore con le pareti diminuiscono quando la velocità aumenta a causa del mancato

tempo a disposizione per effettuare gli scambi termici;

Stesso discorso riferito alle perdite di massa di fluido attraverso le fasce elastiche del pistone, perdite

che tenderanno a diminuire se la velocità aumenta in quanto il fluido starà meno tempo nel cilindro.

Sommando questi effetti il rendimento indicato avrà una curva che sale e poi scende in base alla

velocità di rotazione del motore. PRESSIONE PERDUTA

MEDIA :

→ rappresenta lavoro SPESO

il in

PMI

PIE p PMP

% attriti ORGANI

E

• diviso

Ausiliari

ORGANICO

RENDIMENTO - 1-

: =

= =

Pmi per cilindrata motore

PM PMI .

,

PHP

3 PER

INDIVIDUO indicare

termini :

PMP PMI

Ke

1 .

=

. ' !

(

Maier II. Cip

II azioni inerziali

dipendente

Wars Liz

PMP ×

2 a e

. Ve )

(

Kg

3 PHP motore

E

giri

dai

dipende carico del

dal

=

.

v andamento decrescente buoni

ma

pieno carico

a

VALORI .

Reale

entrata

Miguel → Massa

• Riempimento

COETF di :

. mq teorica

entrata

massa

→

La velocità sul coefficiente di riempimento ha molto impatto, infatti basti pensare che un aumento della

velocità dei gas comporterà un aumento quadratico delle perdite di carico con impatto ovvio sulla

massa del fluido aspirato.

9. La combustione: descrizione fenomenologica del processo a partire da arrhenius. Combustione

premiscelata e diffusiva.

Le reazioni di ossidazione avvengono in fase gassosa, quindi sarà più veloce se i nostri reagenti saranno

gassosi, la velocità dei reagenti sarà influenzata anche dal fatto che i reagenti siano distribuiti in modo

omogeneo; durante la combustione avvengono migliaia di reazioni legate tra di loro, i prodotti Intermedi

delle reazioni consentono alle successive di progredire, le possiamo descrivere dal punto di vista della

velocità con l’equazione di Arrhenius: ( )

Eq più

ENERGIA termine

di attivazione importante

=

È

# cpne -

Wr =

.

VELOCITÀ PER

TEMPERATURE

bassa

Reazione alzano

PER Poasse e si

di ,

Ea

più

alte

temperature alza

si La

Quanto .

Combustione premiscelata: tipica dei motori ad accensione comandata, dovuto al fatto che il combustibile

viene immesso in camera in anticipo rispetto alla fase di combustione consentendo una miscelazione

omogenea in parte dovuto alla benzina molto vaporizzata.

Combustione diffusiva: il combustibile viene iniettato direttamente nel cilindro alla fine della fase di

compressione e dunque non ha il tempo di formare una miscela omogenea con l’aria aspirata, la velocità

con cui essa avrà luogo sarà influenzata dai moti della carica che facilitano l’incontro tra i reagenti (oltre

ad altri fattori che promuovono la vaporizzazione). Questo meccanismo di combustione è più lento di

quello premiscelato proprio perché servono alcuni passaggi prima di passare alla reazione vera e proprio

di combustione.

10. Autoaccensione di una miscela omogenea, tempo di induzione. La combustione con propagazione del

fronte di fiamma : incubazione, velocità