Appunti di Macchine

L 158 °C T BP

6 bar L Q Scambiata s

Considerazioni

- Parte del vapore, ora, compie un ciclo di buon rendimento ad alte temperature. Questo

aumenta il rendimento dell’impianto

- Le curve delle temperature si sono avvicinate e questo implica minore generazione

entropica.

Con impianti a vapore di vecchia data, talvolta si utilizza la tecnica del repowering, ovvero,

si sovrappone un ciclo a gas a quello a vapore e si trasforma in un impianto combinato.

Tale tecnica non è sempre possibile e spesso l’impianto combinato va costruito ad-hoc.

Motori alternativi a combustione interna

I motori alternativi a combustione interna possono ricoprire un vasto range di potenze, da

40 − 50

pochi fino a nella trazione navale. Allo stesso modo, i rendimenti

10% 50%.

possono variare dal al

A differenza degli altri impianti termici, in cui vi era un componente addetto ad ogni fase

del ciclo e quindi una distribuzione spaziale di questo, nei motori alternativi tutto avviene

nel sistema pistone-cilindro e questo comporta la non stazionarietà del sistema.

Definizioni :

Camera di combustione volume compreso fra il pistone e il cilindro

:

Punto morto superiore posizione del pistone per cui la è minima

:

Punto morto inferiore posizione del pistone per cui la è massima

:

Alesaggio diametro del pistone

:

Corsa distanza fra e 2

: − =

Cilindrata (unitaria) 4 +

= = =1+

Rapporto volumetrico di compressione

Classificazione dei motori

Metodo di accensione:

- Motori ad accensione comandata

- Motori ad accensione per compressione

Fasi necessarie per completare il ciclo:

2

- Motori a due tempi 4

- Motori a quattro tempi

Sistema di immissione del carburante (solo per accensione comandata):

- Motori a carburazione

- Motori a iniezione

Modalità di iniezione:

- Iniezione diretta

- Iniezione indiretta

Sistema di alimentazione:

- Motori aspirati

- Motori sovralimentati

Numero di cilindri:

- Monocilindrico

- Pluricilindrico

Ciclo termodinamico

Per i motori ad accensione comandata, il ciclo di riferimento è il ciclo Otto.

Per i motori ad accensione per compressione, invece, il ciclo di riferimento è il ciclo Diesel.

Per riferirci a tali cicli facciamo delle ipotesi:

- Combustione esterna

- Sistema chiuso

Ciclo Otto Le fasi del ciclo si possono riassumere nel seguente modo:

1 − 2: compressione adiabatica isoentropica;

2 − 3: adduzione di calore isocora;

3 − 4: espansione adiabatica isoentropica;

4 − 1: sottrazione di calore isocora.

Ciclo Diesel Le fasi del ciclo si possono riassumere nel seguente modo:

1 − 2: compressione adiabatica isoentropica;

2 − 3: adduzione di calore isobara;

3 − 4: espansione adiabatica isoentropica;

4 − 1: sottrazione di calore isocora.

Ciclo Sabathè

Il ciclo Sabathè mette insieme i due cicli ideali attraverso un ciclo intermedio in cui

l’adduzione di calore avvenga in parte con un’isocora e in parte con un’isobara.

Definiamo i parametri:

′

3 3

= =

2 3

Rendimento ideale ciclo Sabathè

1 − 2

Essendo adiabatica, è possibile ricavare che:

−1

=

2 1

Considerando che: −1

′ ′ ′

3 3 3

= = → = ( )

′

4 3

3 3 3

E sostituendo si ricava che:

−1

3

−1

= ( ) → =

4 1 4 1

4

Definiamo il rendimento ideale del ciclo:

−

1 2 2

= =1−

1 1

Il calore entrante e quello uscente saranno:

( )

= − + ( − )

′

1 3 2 3

3

( )

= −

2 4 1

E quindi otteniamo che:

1 ( − 1)

= 1 − ∙

−1 [( 1) ( 1)]

− + −

E’ possibile particolarizzare tale rendimento nel caso del ciclo Otto o Diesel.

′

3 ≡ 3 = 1

Nel ciclo Otto avremo che ovvero che e quindi:

1

= 1 −

−1

2 ≡ 3 = 1

Nel ciclo Diesel avremo che ovvero che e quindi:

1 ( − 1)

= 1 − ∙

−1 ( 1)

−

Nota: Il rendimento del ciclo otto dipende solo dal rapporto volumetrico di compressione

.

mentre, quello del ciclo diesel, dipende anche dal coefficiente

Nel caso nei motori ad accensione per combustione, la pressione raggiunta è molto

superiore al caso dei motori ad accensione comandata proprio perché è necessaria per

l’accensione. Inoltre, l’impossibilità di pressioni troppo alte nell’accensione comandata

dipende dal problema della detonazione o anche autoaccensione della miscela che causa

l’effetto dannoso del colpo in testa.

Ciclo indicato (reale) di un motore a quattro tempi

Nel ciclo indicato non possiamo più considerare le ipotesi fatte per i cicli ideali.

La combustione sarà interna, le trasformazioni non più adiabatiche isoentropiche e il

sistema sarà aperto e dotato quindi di valvole.

- PMS valvole aperte

Pistone inizia la discesa

Valvola scarico si chiude (ritardo 10°)

Gas freschi entrano nella camera

- PMI valvola alimentazione aperta

Pistone inizia la salita

Valvola di alimentazione si chiude

Pistone comprime i gas

Scintilla innesca la combustione

- PMS valvole chiuse

Pistone inizia la discesa spinto dai gas

Valvola di scarico si apre (anticipo 30 - 40°)

Fase di scarico spontanea

- PMI valvola di scarico aperta

Pistone risale spingendo via i gas combusti

Valvola alimentazione si apre

Nel ciclo è possibile notare due aree:

- area positiva: corrisponde al lavoro positivo dei gas sul pistone

- area negativa: detta anche lavoro di pompaggio ed è il lavoro del pistone sui gas

Diagramma polare

Nel diagramma polare è possibile individuare le varie fasi caratteristiche del ciclo indicato.

La fase in cui entrambe le valvole sono

aperte è detta angolo di incrocio valvole.

Tale angolo richiede attenzione affinchè:

- la miscela non esca incombusta dalla

valvola di scarico

- gas di scarico non vadano nel condotto

di aspirazione

Lavoro indicato

Il lavoro utile del ciclo è detto lavoro indicato ed è definito come:

+ −

| | | |

= −

E’ possibile definire il lavoro anche attraverso la seguente:

= ∫ =

In cui è detta pressione media indicata e è la cilindrata.

Il lavoro che arriverà all’asse sarà influenzato dai vari organi meccanici attraversati dal

lavoro indicato. Tale lavoro si definisce lavoro effettivo ed è dato da:

=

Possiamo quindi definire la pressione media effettiva come:

=

Potenza e coppia di un motore a combustione interna

Consideriamo un motore che abbia:

- numero di cilindri

- cilindrata

- lavoro effettivo

- pressione media effettiva

- velocità di rotazione (giri al minuto) (2: 2)

= 1 4: =

- fattore dipendente dal numero di tempi

Possiamo definire la potenza effettiva come:

= =

60 60

Nota: Possiamo vedere la potenza come il lavoro effettivo di un ciclo moltiplicato per il

numero di cicli (che danno lavoro) al secondo, oppure, potremmo considerare il reciproco

di che rappresenta il tempo di un ciclo e dividervi il lavoro.

60

Nota: A parità di cilindrata, numero di cilindri e velocità di rotazione, la potenza ha

una diretta dipendenza dalla pressione media effettiva .

Definiamo la coppia effettiva come:

2 2

= = = = = 2

2 60/ 60

Ricaviamo un’espressione generale per la potenza.

Possiamo scrivere, nel modo più generale, che la potenza è data da:

= ̇

:

La portata di combustibile dipende dalla portata d’aria e dal coefficiente

̇

̇ =

= >

Nota: accensione comandata ; accensione per compressione .

Teoricamente, la portata d’aria a densità ambiente in grado di riempire la cilindrata è:

( )

̇ =

60

A causa delle perdite nel condotto che l’aria deve seguire, si avrà che:

̇ = ̇

≤ 1.

Dove è detto coefficiente di riempimento. In generale

La potenza sarà quindi data da: 2

( ) [ ( )

= ( ) = ( ) ] ( )

60 4 60

Il parametro su cui maggiormente si può agire per incrementare la potenza è il coefficiente

di riempimento . Il movimento del pistone genera, infatti, onde di depressione (discesa)

e di pressione (salita) che si propagano nel collettore di aspirazione e in quello di scarico.

Indicata con la lunghezza del collettore e con la velocità del suono, il tempo

2

caratteristico di propagazione dell’onda sarà dato da .

Sfruttando una particolare condizione di risonanza è possibile far combaciare il picco di

pressione quando la valvola di alimentazione è aperta, così da riempire meglio il cilindro.

Allo stesso modo, l’onda di depressione si avrà quando la valvola è chiusa.

Vale lo stesso discorso per la valvola di scarico.

∗ ∗

Fissato quindi un determinato numero di giri è fissata la frequenza di apertura e

chiusura delle valvole e quindi il te