Appunti Macchine sistemi energetici completi

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1.1-INTRODUZIONE

Sono macchine motrici, termiche, volumetriche, a combustione interna: possono essere classificati in base a varie

caratteristiche

1. Modo di avviare la combustione

a. Motori ad accensione spontanea (per compressione): motori in cui la miscela aria combustibile si

accende spontaneamente per effetto della pressione e temperatura che si genera in camera di

combustione (l'aria calda permette al combustibile di autoaccendersi)

b. Motori ad accensione comandata (per scintilla): motori in cui la miscela è accesa tramite una scintilla

generata da una candela, comandata elettronicamente (il combustibile ha caratteristiche tali da non

riuscire ad autoaccendersi, necessita di una fonte di energia esterna)

c. Motori HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition): la combustione è innescata per

compressione di una carica omogenea che garantisce l'accensione spontanea

Durata del ciclo

2. descritto: sequenza di fasi che si ripetono ciclicamente

corse motore

a. 4 tempi: ciclo completo compiuto ogni 4 del pistone, cioè ogni due giri dell'albero

b. 2 tempi: ciclo completo compiuto ogni 2 corse del pistone, ogni giro dell'albero motore

Natura del combustibile

3. utilizzato: benzina (idrocarburi leggeri), gasolio (idrocarburi intermedi), olio, metano,

GPL, alcool, biocombustibili, poli-combustibile

4. Alimentazione dell'aria

a. Aspirati: l'aria comburente è inserita in CC grazie al solo lavoro di pompaggio del pistone, con le stesse

proprietà dell'aria ambiente

b. Sovralimentati: l'aria è compressa tramite un compressore meccanico (trascinato dal motore) in modo

da introdurre un quantitativo maggiore di aria, superiore ad un aspirato di pari cilindrata (parte della

potenza è però assorbita dal compressore)

c. Turbocompresso: l'aria è compressa da un compressore azionato da una turbina alimentata dai gas di

scarico, senza assorbire potenza dal motore. L'aria è però surriscaldata, prima di essere processata in CC

è inviata in un intercooler per essere raffreddata

5. Alimentazione del combustibile

a. Carburazione: il combustibile è mescolato con l'aria in un carburatore e inviato al motore

iniettore,

b. Iniezione indiretta: il combustibile è iniettato nel condotto di aspirazione da un si mescola con

l'aria e va in CC

c. Iniezione diretta: il combustibile è iniettato direttamente in CC durante la fase di aspirazione

6. Modalità di regolazione del carico

a. Variazione della composizione della miscela: si aspira la stessa quantità di aria e si varia la quantità di

combustibile iniettata (motori diesel, eccesso d'aria)

b. Variazione della quantità di carica: è mantenuta la proporzione fra quantità di aria e combustibile (es.

benzina, stechiometrico) e dunque si varia la quantità di carica immesso

c. Combinazione dei metodi precedenti: si può sia variare la quantità di carica, sia la sua qualità, cioè la

composizione, in base alle richieste di potenza e/o coppia (motori più recenti)

Architettura: cilindri

7. disposizione e numero dei

a. Numero di cilindri: mono, bi, 3, 4, …., 16, etc. all'aumentare del numero di cilindri aumenta la regolarità

di funzionamento del motore (output di potenza quasi costante) bancate,

b. Disposizione dei cilindri: in linea, a V con diverse angolazioni fra le boxer, contrapposti, W

Tipologia di moto

8. delle parti in movimento

a. Alternativi: motore a pistoni, gli elementi si muovono di moto alternativo rotori,

b. Rotativi: motore Wankel, gli elementi che trasferiscono moto all'albero, i si muovono di moto

rotativo

c. Motori oscillanti

Sistema di raffreddamento

9. a. Ad aria: l'aria lambisce le pareti esterne della camera di combustione, raffreddandola

b. A liquido: il motore è percorso internamente dal circuito del fluido di raffreddamento

c. Adiabatici: il cilindro è coibentato per evitare dispersioni di calore

1

Il basamento è la struttura principale, ospita gli attacchi a telaio ed è

testata: circuito di

chiuso dalla all'interno dei due è ricavato il

raffreddamento cilindro pistone

e il al cui interno scorre il (a volte

canna

viene interposto fra i due un cilindro cavo sostituibile, la

cilindro). monoblocco.

L'insieme prende il nome di La testata ospita

a camme,

l'albero i quali azionano le valvole direttamente agendo sulle

punterie (moto rettilineo) o tramite aste e/o bilancieri (moto

distribuzione.

curvilineo), in base alla configurazione della Il basamento

motore,

ospita l'albero il quale è collegato ai pistoni tramite il

manovellismo di spinta, circuito di lubrificazione.

e il All'interno della

circuiti di aspirazione e di scarico

testa sono ricavati i che convogliano

fresca)

in CC aria e combustibile (carica ed espellono i prodotti della

esausta):

combustione (carica in base al tipo di motore è presente la

candela e/o l'iniettore. Nel caso di motori ad accensione spontanea,

può essere presente un preriscaldatore dell'aria. valvole di aspirazione valvole di scarico,

La maggior parte delle valvole utilizzate è a fungo: si hanno e normalmente

in quantità uguale anche se a volte l'aspirazione ha una valvola in più (migliorare l'aspirazione migliora sensibilmente

la potenza del motore, mentre lo scarico incide poco). Queste ultime poi sono di dimensioni maggiori rispetto a

quelle di scarico, le quali hanno una sezione dell'asta più grande poiché sottoposte ad alte temperatura (lambite dai

gas di scarico, hanno rapporto S/V maggiore). biella cielo,

Il manovellismo di spinta è composto da pistone, e manovella. Del pistone si può distinguere il la parte

mantello, fasce

affacciata alla CC, il la parte che scorre sul cilindro nella quale sono ricavate gole dove sono inseriti le

di tenuta raschiaolio:

e l'anello le prime (2 nei motori di serie, singola per le competizioni) sono anelli di tenuta,

prevengono la fuoriuscita di gas dalla CC attraverso il gioco che c'è fra mantello e cilindro, mentre l'anello raschiaolio

ha la funzione di rimuovere l'olio proveniente dal carter, evitando il fenomeno di BLOWBAY (trafilamento in CC di

olio che peggiora la combustione). Entrambi creano attrito, e quindi assorbono potenza dal motore.

spinotto

Il pistone è collegato alla biella da uno tenuto in posizione da anelli di arresto. La biella è composta da 3

fusto,

zone: piede di biella, di diametro inferiore, connessa al pistone, sezione resistente di diverse forme (ad I, H, X,

testa di biella perno di biella cappello di biella

etc.) e la la quale è chiusa sul dell'albero motore dal (albero motore

bronzine,

monolitico): fra biella e perno di biella sono posizionate delle che riducono l'attrito dovuto allo

scorrimento delle facce (o cuscinetti a rulli nel caso di albero motore scomponibile).

Il sistema di distribuzione è composto da:

Albero a camme, sul quale profilo sono ricavate le camme che realizzano il profilo di alzata. Questo deve

• ruotare in sincronia con l'albero motore, con un rapporto 1:2 (2 giri di albero motore equivalgono a 1 giro di

albero a camme)

Camma, impone all'organo con cui è a contato un moto rettilineo alternato

• Organi che trasferiscono il moto alla valvola: punterie, aste, bilancieri

• Dispositivi che riportano in posizione chiusa le valvole: molle, camme, bilancieri

•

La distribuzione può essere di vari tipi:

SOHC (single overhead camshaft): un singolo albero a camme posto sulla testata che aziona le valvole di

• aspirazione e scarico. Solitamente fra camma e valvola è interposto un bilanciere

DOHC (double overhead camshaft): due alberi a camme in testa, ciascuno azionante le sole valvole di

• aspirazione o scarico

Aste e bilancieri: le camme sono poste nel basamento, il moto è trasferito a delle aste che risalgono il

• monoblocco e azionano le valvole tramite bilancieri (ormai poco diffuso)

L'albero a camme può essere azionato con:

Trasmissione a cinghia: garantisce silenziosità, ma con il rischio di rottura poiché la cinghia è in materiale

• polimerico

Trasmissione a catena: più resistente, ma più rumorosa

• Cascata di ingranaggi: soluzione costosa, ma garantisce giochi ridotti e semplice manutenzione

• 2

La chiusura delle valvole può essere effettuata in 3 modi:

Tecnica elastica: molle elastiche posizionate sotto alle punterie che riportano la valvola alla posizione di

• chiusura (precaricate)

Tecnica pneumatica: costosa, garantisce il funzionamento a regimi elevati ed evita il fenomeno del rimbalzo

• delle molle

Tecnica desmodromica: utilizza un bilanciere per l'apertura della valvola e un secondo bilanciere per la

• chiusura (riduce la potenza assorbita durante la fase di apertura, poiché non è presente la molla)

3

1.2-GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE

Definiamo:

PMS - punto morto superiore: posizione del pistone

• quando si trova alla minima distanza dalla testa

(biella e manovella allineate, ma non sovrapposte)

PMI - punto morto inferiore: posizione di massima

• distanza fra pistone e testa (biella e manovella

allineate e sovrapposte)

C - corsa: spazio percorso dal pistone durante il suo

• moto fra PMS e PMI. C=PMS-PMI=2Rm

Rm - raggio di manovella

• D - alesaggio: diametro interno del cilindro

• V - cilindrata totale: volume a disposizione del fluido in tutto il motore. V=nc*Vc

• Vt - volume totale del cilindro: volume a disposizione del fluido, compreso fra testa e PMI

• V0 - volume della camera di combustione: volume compreso fra testa e PMS

• Vc- cilindrata unitaria: variazione di volume fra PMS e PMI nel cilindro

• β o Rc - rapporto volumetrico di compressione: rapporto fra volume totale del cilindro e volume della camera

• di combustione (solitamente 8-12 per motori S.I., 12-24 per motori C.I.)

ϑ - angolo di manovella: angolo spazzato dalla manovella (0° nel PMS). Può essere calcolato in funzione del

• tempo come ϑ=2πnt=wt con n regime di rotazione e w velocità angolare dell'albero a gomiti

v - velocità media pistone: velocità media con cui il pistone si muove fra PMS e PMI. v =2Cn

• mp mp

C/D - rapporto corsa-alesaggio: ha un forte impatto sulle prestazioni del motore. Ci sono varie categorie: a

• corsa lunga (sottoquadro, C/D>1), corsa corta (superquadro, C/D<1) e quadro (C/D=1). I motori a corsa corta

hanno alesaggi elevati e permettono di utilizzare valvole di grandi dimensioni, e possono lavorare a regimi più

elevati: hanno lo svantaggio però di avere un difficile raffreddamento (centro della CC lontano dal fluido

refrigerante), aumenta il rischio di combustioni irregolari e detonazioni e hanno una maggior dispersione

termica, poiché aumenta il rapporto S/V della CC e dunque diminuisce il rendimento. Al contrario, i motori a

corsa lunga non hanno questi problemi, ma hanno potenze specifiche minori.

Nei motori ad accensione comandata, non è possibile variare a piacimento il

rapporto C/D, dunque per aumentare la cilindrata è necessario aumentare il

numero di cilindri (cosa che non succede in quelli ad accensione spontanea). In

generale, la potenza erogata è direttamente proporzionale alla superficie totale

dei cilindri, la quale è proporzionale al quadrato all'alesaggio. Per calcolare la

velocità istantanea del pistone è necessario conoscere oltre che Rm e ϑ, anche

l'angolo fra biella e asse del pistone α, la lunghezza di biella Lb e la distanza fra

centro di rotazione della manovella e punto morto superiore: si definisce lo

spostamento del pistone come:

Da cui, posto λ=Rm/Lb si ottiene

velocità istantanea

La del pistone può essere calcolata come

4

Poiché λ<<1 e 0<sin(wt)<1 possiamo dire

istantanea

Da cui si può ricavare l'accelerazione del pistone come:

Si nota che ad un aumento del regime di rotazione consegue un aumento lineare della velocità istantanea e un

aumento quadratico dell’accelerazione instantanea del pistone: durante il funzionamento vengono ad instaurarsi

forze alterne d’inerzia sul pistone proporzionali alla massa del manovellismo (la quale va ridotta la massimo) e al

quadrato del regime di rotazione. 5

1.3-CICLO DI FUNZIONAMENTO DI UN MOTORE S.I. 4 TEMPI

fasi:

Il ciclo è composto da 4

Fase di aspirazione: pistone scorre dal PMI al PMS con la valvola di aspirazione aperta, la carica è richiamata

• dentro per depressione

Fase di compressione: al PMI la valvola di aspirazione si chiude rendendo il sistema chiuso, il pistone risale

• la canna comprimendo la carica fino al PMS

Fase di espansione: al PMS con valvole chiuse la candela instaura una scintilla che avvia la combustione che

• produce una rapida espansione, spigendo il pistone fino al PMI

Fase di scarico: al PMI la valvola di scarico si apre e la risalita del pistone espelle i gas di scarico. Al PMS la

• valvola di scarico si chiude e il ciclo inizia nuovamente

Per analizzare il funzionamento si può ricorrere al diagramma di indicatore, grafico p-v realizzato da un sensore

posto in CC e da un sensore di fase: sapendo che la forza sul pistone è F=F(p)=pA, si può ricavare il lavoro totale

come:

Esistono tre tipi di diagrammi:

1. Diagramma di indicatore ideale: basato sulle seguenti ipotesi

Macchina ideale: le trasformazioni di espansione e compressione isoentropiche, tutte le trasformazioni

• adiabatiche e che l’apertura e chiusura delle valvole è istantanea

Fluido ideale: nel volume spaziato dal ciclindro c’è un gas perfetto con viscosità nulla, con calori specifici

• costanti indipendenti dalla temperatura e che non cambi la composizione chimica.

0-1 è l’aspirazione, la pressione e costante

o 1-2 compressione isoentropica con pv =costante

k

o 2-3 combustione, idealmente considerata istantanea e a volume

o costante

3-4 espansione isonetropica

o 4 siamo in una condizione per cui i gas sono a pressione e temperatura

o elevate, all’apertura della valvola si ha uno scarico immediato a

volume costante che abbatte la pressione al punto 5 (scarico

spontaneo)

5-6 scarico forzato a pressione costante, il pistone epelle la carica

o esausta

Il lavoro ricavabile è pari all’area A1234. Per quanto riguarda un motore ad

accensione spontanea:

0-1 aspirazione a pressione costante

o 1-2 compressione isoentropica, pv =costante e dove vale che p2 >p2

k

o CI SI

2-3 combustione lenta, considerata a pressione costante

o 3-4 espansione isoentropica, pv =costante

k

o 4 si ha una fuga immediata di gas

o 5-6 fase di scarico forzato a pressione costante

o

Anche in questo caso il lavoro ricavabile è dato dall’area A1234.

2. Diagramma di indicatore limite: basato sulle seguenti ipotesi

Macchina ideale

• Fluido reale: viscosità nulla, calori specifici dipendenti dalla temperatura. c =a +a T

• v 0 1

0-1 aspirazione a pressione costante

o 1-2L compressione isoentropica pv =costante. Poichè i calori specifici variano, si ha

k

o 6

<T

A causa della non idealità del fluido, si ha che T 2L 2

2L-3L combustione, con reazioni di dissociazione che riducono l

o rendimento di combustione, dunque la temperatura media del ciclo

si abbassa Tm <Tm

2L->3L 2->3

3L-4L espansione isoentropica pv =costante, con reazioni di

k

o ossidazione e di formazione di CO2 con aumento del calore. La

curva è più piatta e può capitare che p >p

4L 4

4L scarico istantaneo dei gas, si raggiunge la pressione al punto 5,

o tuttavia Tm >Tm dunque il rendimento cala

4L->5 4->5

5-6 scarico forzato a pressione costante

o

L’altra differenza nei due diagrammi è data dal fatto che la combustione reale

può essere incompleta (residui di carica nello scarico) che penalizzano

l’aspirazione del ciclo successivo.

3. Diagramma di indicatore reale: basato sulle seguenti ipotesi

Macchina reale: trasformazioni reali, apertura e chiusura va