Meccanica del motore

Il ciclo Diesel (ideale)

Il ciclo Diesel si applica ai motori ad iniezione e differisce dal ciclo Otto per la presenza di un'isobara in sostituzione dell'isocora che si ha durante la fase di espansione. Durante l'aspirazione, il motore Diesel aspira solo aria; la combustione del carburante avviene per effetto dell'alta temperatura che si ottiene al termine della compressione, nel momento in cui esso viene iniettato nei cilindri per mezzo di una pompa di iniezione ad alta pressione. La combustione della miscela avviene lentamente, per cui, durante lo spostamento del pistone verso il PMI (con aumento del volume e della temperatura), non si verifica alcun aumento di pressione in questa prima fase di espansione (ciò spiega la presenza dell'isobara). Al termine della combustione della miscela, inizia l'espansione adiabatica, con diminuzione di pressione e di temperatura e aumento di volume. In questa fase il ciclo compie lavoro esterno.

Per cui questa è la fase utile del ciclo. Durante l'isocora, infine, si cede il calore Q all'esterno e si ricostituisce lo stato fisico iniziale. Il rendimento termico del ciclo Diesel è: eta=1-(1/k)*((beta^k)-1)/(beta-1)*(1/(rho^(k-1))). L'espressione del rendimento è analoga a quella del ciclo Otto, a meno del fattore ((beta^k)-1)/(beta-1), in cui beta è il "rapporto di combustione" (rapporto tra il volume del cilindro al termine dell'isobara e il volume del cilindro all'inizio dell'isobara). Nei motori Diesel, i rapporti di compressione, soprattutto nel caso dei sistemi ad iniezione indiretta, sono più elevati rispetto a quelli dei motori a ciclo Otto, in modo da garantire l'autoaccensione del combustibile. Tali rapporti di compressione elevati comportano un aumento del rendimento termodinamico (rispetto a quello del ciclo Otto) ma, a parità di rapporti, il ciclo Otto rende di più.

(attenzione,quest'ultima affermazione è del tutto teorica).

IL CICLO OTTO (REALE)

Di seguito viene riportato il diagramma di funzionamento reale di un motore a carburazione 4T (rilevabile con un apposito indicatore applicato alla testata del motore):

Non tenendo conto dei rendimenti meccanici, il diagramma reale si discosta da quello teorico per i seguenti motivi:

1. per effetto delle perdite di carico prodotte dal condotto di aspirazione, la fase di aspirazione avviene in depressione;
2. la fase di compressione non è adiabatica sia per dispersioni di calore dovute ad una imperfetta coibentazione sia per variazioni di calore specifico del fluido; per gli stessi motivi anche la fase di espansione non è adiabatica;
3. la fase di combustione avviene in un certo intervallo di tempo, inoltre la combustione avviene parte a volume costante e parte a pressione costante, di conseguenza si hanno valori di pressione inferiori rispetto a quelli

teorici; 4) la fase di scarico avviene con un anticipo di apertura delle valvole di scarico, per cui i gas combusti subiscono inizialmente una decompressione (da circa 4 bar a circa 1 bar) e in seguito vengono espulsi a pressione maggiore della pressione atmosferica e a temperatura di circa 700°C-800°C. P.S. Nel caso del ciclo Diesel reale 4T le cause che provocano gli spostamenti delle trasformazioni rispetto a quelle teoriche sono comparabili con quelle del ciclo Otto reale. COMBUSTIBILI ----------------------- Quando un elemento chimico (o un composto) reagisce con l'ossigeno, si verifica una reazione che, nel linguaggio chimico, si chiama ossidazione mentre nel linguaggio tecnico viene chiamata combustione. La combustione avviene tra un combustibile, la sostanza che si ossida (producendo calore), e un comburente (l'aria), la sostanza in grado di liberare ossigeno. L'innesco della combustione avviene ad una determinata temperatura chiamata "temperatura di

"Ignizione". Un combustibile industriale deve possedere altri requisiti, oltre quello di una rapida ossidazione: bassi costi produttivi, elevata disponibilità, scorie facilmente smaltibili, alto potere calorico, non deve sviluppare gas tossici, ecc. Le sostanze che hanno tali requisiti sono prevalentemente idrocarburi, composti formati in larga misura da atomi di carbonio e di idrogeno. I combustibili naturali sono: il legno (solido) o meglio i carboni fossili, il petrolio greggio (liquido), usato nella produzione di combustibili liquidi e gassosi, e il metano (e altri gas petroliferi). Per quanto riguarda i combustibili artificiali, abbiamo: il carbone di legna (proveniente dalla distillazione del legno) e il "coke" (proveniente dalla distillazione dei carboni fossili), gli olii leggeri (da cui si ricavano "gasoline" e benzine), gli olii medi (gasolio e kerosene) e i residui (nafte, olii combustibili e lubrificanti). Alcuni combustibili artificiali sono gassosi,

essi si ottengono tramite gassificazione di combustibili solidi o da processi produttivi di combustibili liquidi artificiali. L'aria atmosferica rappresenta il comburente industriale: essa è costituita da circa il 23% (in massa) di O2 (ossigeno biatomico) e da circa il 76% (in massa) di N2 (azoto biatomico). Agli effetti della combustione l'azoto è inerte ma contribuisce a rallentare la reazione di ossidazione e ad abbassare la temperatura della fiamma. In teoria, per ottenere la combustione completa (e quindi la massima produzione di calore) di 1kg di miscela, la quantità d'aria da combinare col combustibile dovrebbe essere quella che contiene ossigeno in quantità stechiometrica, la cosiddetta "aria teorica". In realtà una combustione industriale avviene con una certa quantità di aria in eccesso, chiamata "aria pratica". In conclusione, per "potere calorico" (o "calorifico") di un combustibile si

intende la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa di 1 kg di combustibile (solido, liquido o gassoso). Dato che durante la combustione viene prodotto vapore d'acqua, dobbiamo distinguere un potere calorico "superiore" da un potere calorico "inferiore":

1. il potere calorico superiore si ha quando il vapore d'acqua viene fatto condensare alla pressione normale di 1 bar;
2. il potere calorico inferiore si ha quando il vapore d'acqua viene liberato allo stato gassoso in condizioni normali di pressione.

Il potere calorico inferiore è quello che maggiormente interessa nelle combustioni industriali.

P.S. Ricordo che nel "sistema tecnico" la quantità di calore si misura in kcal: 1 kcal = 4.187 kJ --- 1 kJ = 0.239 kcal --- 1 kcal = 1/860 kWh. Per la misura della quantità di calore si utilizzano i calorimetri.

IL PETROLIO E GLI IDROCARBURI

Il petrolio naturale,

denominato anche "greggio" o "grezzo", è un liquido denso enerastro, formatosi in tempi lunghissimi da animali e vegetali marini che si sono accumulati nel sottosuolo di vari siti geologici, composto da una miscela di idrocarburi, in particolare da alcani e cicloalcani e, in misura minore, da areni. Gli alcani sono idrocarburi alifatici (a struttura lineare, in catena aperta) e saturi (i legami tra atomi di carbonio sono singoli, C---C), la cui formula generale soddisfa la seguente relazione: C(n)H(2n+2), in cui n è un numero intero di atomi di carbonio. Ad esempio, con n=1 si ha CH4 (il metano), con n=2 si ha C2H6 (l'etano) e così via. Gli isoalcani, come ad es. l'isoottano, hanno la stessa formula chimica degli alcani ma la loro struttura molecolare è di tipo ramificato (e quindi hanno diverse proprietà fisiche e chimiche rispetto agli alcani). I cicloalcani sono idrocarburi aliciclici, ossia presentano una struttura ad anello.

anello chiuso che deriva da quella degli alcani per chiusura delle due estremità dellacatena lineare con espulsione di due atomi di idrogeno. La formula generale di uncicloalcano è: C(n)H(2n). Con n=3 si ha C3H6 (il ciclopropano), con n=4 si ha C4H8(il ciclobutano) e così via. Gli areni sono i composti "aromatici" (perché in originevenivano estratti da sostanze profumate come la benzaldeide, ricavata damandorle, pesche, ecc.) del benzene (C6H6), che ha una struttura ad anelloesagonale (con tre doppi legami chimici) in cui ciascun atomo di carbonio occupaun vertice.

LA BENZINA

La benzina è un miscuglio di idrocarburi liquidi di cui il carbonio costituisce circa l'85% del suo peso totale (il potere calorifico inferiore è di circa 44 MJ/kg ossiacirca 10500 kcal/kg). Alle benzine commerciali vengono aggiunti degli specialiadditivi che servono a pulire gli iniettori e mantenere in buono stato il sistema diiniezione, la

La benzina è un combustibile utilizzato per alimentare i motori a scoppio. Viene utilizzata principalmente nei motori a benzina, dove viene miscelata con l'aria e poi compressa all'interno del cilindro. La miscela viene poi accesa da una scintilla generata dalla candela di accensione, provocando l'esplosione della miscela e la conseguente spinta del pistone.

La benzina è composta principalmente da idrocarburi, che sono molecole costituite da atomi di carbonio e idrogeno. Questi idrocarburi possono essere di diversi tipi, come ad esempio l'esaene, l'ottano o il decano. La composizione della benzina può variare a seconda delle esigenze e delle normative vigenti.

La benzina viene trattata con additivi per migliorarne le prestazioni. Gli additivi possono influire sulla pulizia del motore, sulla lubrificazione delle parti mobili, sulla pulizia delle valvole e sulla riduzione delle emissioni inquinanti. Gli additivi possono anche influire sul colore della benzina, che è stabilito per legge, e aumentare il numero di ottano, che indica la resistenza alla detonazione del combustibile.

La benzina è adatta ad alimentare un motore a scoppio perché ha una velocità di combustione elevata e si evapora facilmente. Tuttavia, la sua elevata infiammabilità la rende pericolosa in caso di perdite o incidenti. È importante evitare l'autoaccensione della benzina nei motori a scoppio, che può avvenire a temperature e pressioni elevate, al fine di ottenere rapporti di compressione e rendimenti più elevati.

Un altro fenomeno dannoso per il motore è la detonazione della benzina, che non brucia completamente ma a strati, a causa della graduale compressione e non per trasmissione della fiamma. Questo provoca la formazione di onde di compressione nel cilindro, che generano il cosiddetto "battito in testa". La frequenza delle vibrazioni è così elevata da provocare

la possibile rottura della testa del pistone. Datempo, parecchi motori, soprattutto quelli turbocompressi, sono dotati di sensoriin grado di avvisare se il fenomeno si verifica o meno. Gli idrocarburi che formanola benzina hanno diverso potere antidetonante, inoltre le varie benzine nonhanno lo stesso contenuto (in percentuale) di idrocarburi ma tutte devono averelo stesso potere antidetonante. Allo scopo di valutare il potere antidetonante diuna benzina, si fa un confronto con un miscuglio composto da isoottano (ad altopotere antidetonante) e da eptano normale (il "normal eptano", a basso potereantidetonante). All'aumento dell'isoottano corrisponde l'aumento del potereantidetonante della benzina, alla diminuzione dell'isoottano (rapporto inpercentuale minore rispetto all'eptano normale) corrisponde un potereantidetonante più basso. Quindi, se, ad esempio, una benzina ha un numero diottano 90, vuol dire che ha lo stesso potere antidetonante di

di etanolo. Il miscuglio è utilizzato come carburante per motori ad alte prestazioni, come ad esempio quelli utilizzati nelle competizioni automobilistiche. L'isoottano è un idrocarburo che presenta un alto numero di ottano, il che significa che ha una resistenza alla detonazione molto elevata. Questo lo rende particolarmente adatto per motori ad alta compressione, in cui è necessario evitare la detonazione prematura del carburante. L'etanolo, invece, è un alcol che viene utilizzato come additivo per aumentare l'ottano del carburante. Ha un alto potere antidetonante e contribuisce a ridurre le emissioni nocive prodotte dalla combustione. La miscela di isoottano ed etanolo è quindi ideale per ottenere una combustione efficiente e pulita, garantendo prestazioni elevate e riducendo l'impatto ambientale.