Motori a Combustione Interna

Corso di laurea magistrale in ingegneria meccanica – A.A 2018/19

Appunti di motori a combustione interna

Autore: Riccardo Viviani

Sommario

• Indice delle figure ......................................................................................................................... 5
• Introduzione ................................................................................................................................. 9
• Definizione e classificazione dei motori a combustione interna .......................................... 9
• Cenni al funzionamento del 4T............................................................................................ 10
• Cenni al funzionamento del 2T............................................................................................ 10
• Cenni al funzionamento del motore rotativo...................................................................... 11
• Richiami sui cicli termodinamici .......................................................................................... 12
• Ciclo Beau de Rochas ................................................................................................... 12
• Ciclo Sabathé ................................................................................................................ 13
• Ciclo indicato ................................................................................................................ 13
• Parametri geometrici e cinematici, caratteristici dei MCI .................................................. 14
• Bilanci energetici ................................................................................................................. 15
• Parametri motoristici principali ........................................................................................... 16
• Dosatura ....................................................................................................................... 16
• Consumo specifico di carburante ........................................................................................ 16
• Velocità media del pistone .................................................................................................. 17
• Coefficiente di riempimento ............................................................................................... 17
• Lavoro, potenza ed efficienza ............................................................................................. 18
• Rendimenti di un motore a combustione interna ..................................................................... 19
• Rendimenti di combustione ................................................................................................ 19
• Rendimento di trattenimento ...................................................................................... 19
• Rendimento di combustione ........................................................................................ 20
• Rendimento adiabatico ................................................................................................ 20
• Rendimenti termodinamici ................................................................................................. 20
• Rendimento ideale ....................................................................................................... 20
• Rendimento limite ....................................................................................................... 21
• Rendimento indicato positivo ...................................................................................... 21
• Rendimento di pompaggio ........................................................................................... 21
• Rendimento organico ................................................................................................... 21
• Espressione analitica della potenza utile ............................................................................ 22
• Pressione media indicata (PMI) ........................................................................................... 23
• Pressione media effettiva PME ........................................................................................... 24
• Potenza specifica ................................................................................................................. 24
• Curve caratteristiche di un MCI ................................................................................................. 28
• Accoppiamento motore-utilizzatore ................................................................................... 29
• Regolazione del carico nei MCI .................................................................................................. 31
• Alimentazione dell’aria .............................................................................................................. 33
• Valutazione analitica del coefficiente di riempimento ....................................................... 34
• Altri metodi di valutazione del coefficiente di riempimento .............................................. 38
• Parametri che influenzano il coefficiente di riempimento ................................................. 39
• Effetto della dosatura .................................................................................................. 39
• Effetto della vaporizzazione ......................................................................................... 39
• Effetto del sistema di alimentazione ........................................................................... 39
• Effetto della temperatura ambiente ............................................................................ 40
• Effetto della temperatura del refrigerante .................................................................. 40
• Effetto del rapporto di compressione .......................................................................... 41
• Valvole e coefficiente di efflusso ............................................................................................... 41
• Banco di flussaggio .............................................................................................................. 45
• Gli effetti dinamici ...................................................................................................................... 50
• Effetti d’onda sul motore .................................................................................................... 53
• Effetti d’onda a valvola aperta ..................................................................................... 53
• Effetti d’onda a valvola chiusa ..................................................................................... 54
• Diagramma della distribuzione .................................................................................................. 57
• Considerazioni sull’incrocio ................................................................................................. 58
• Sistemi a fasatura variabile ................................................................................................. 59
• Il lavaggio nel 2T ......................................................................................................................... 63
• Modellazione del processo di lavaggio ............................................................................... 64
• Effetti dinamici nei 2T.......................................................................................................... 68
• Geometria variabile ..................................................................................................... 69
• Sovralimentazione ..................................................................................................................... 70
• Pro e contro della sovralimentazione ................................................................................. 70
• Vantaggi ....................................................................................................................... 70
• Svantaggi ...................................................................................................................... 71
• Classificazione ..................................................................................................................... 71
• Compressore volumetrico ............................................................................................ 72
• Turbosovralimentazione a gas di scarico ..................................................................... 72
• Turbocompound .......................................................................................................... 73
• Accoppiamento del turbosovralimentatore al motore ....................................................... 73
• Alimentazione di combustibile nei MCI Otto ............................................................................. 81
• Il carburatore ....................................................................................................................... 83
• L’iniezione elettronica ......................................................................................................... 86
• Vantaggi dell’iniezione diretta ..................................................................................... 88
• Svantaggi dell’iniezione diretta .................................................................................... 89
• Metodologie per la stratificazione della carica ............................................................ 90
• Funzionamento del controllo di accensione e iniezione ............................................. 91
• Alimentazione di combustibile nei MCI Diesel .......................................................................... 93
• Formazione dello spray ....................................................................................................... 97
• Parametri del getto ...................................................................................................... 97
• Iniettore pompa ........................................................................................................... 98
• Common Rail ................................................................................................................ 98
• Dispersione ciclica .................................................................................................................... 100
• Turbolenza ......................................................................................................................... 100
• Moti organizzati della carica .................................................................................................... 102
• Swirl ................................................................................................................................... 102
• Tumble ............................................................................................................................... 105
• Squish ................................................................................................................................ 107
• Conclusioni su moti organizzati ......................................................................................... 108
• Combustione ............................................................................................................................ 108
• Combustione nel motore ad accensione comandata ....................................................... 113
• Dispersione ciclica ...................................................................................................... 116
• Influenza di alcuni parametri sulla combustione ....................................................... 116
• Legge di rilascio del calore ................................................................................................ 118
• Combustioni anomale nei motori ad accensione comandata .......................................... 120
• Accensione a superficie .............................................................................................. 120
• Detonazione ............................................................................................................... 121
• Combustione nei motori ad accensione spontanea ......................................................... 122
• Indice delle figure

Indice delle figure

• Figura 2-1 Fasi di un motore a scoppio a 4 tempi .............................................................................. 10
• Figura 2-2 Fasi di un motore a scoppio a 2 tempi .............................................................................. 11
• Figura 2-3 Fasi del motore rotativo ................................................................................................... 12
• Figura 2-4 Diagramma p-V del ciclo Beau de Rochas......................................................................... 12
• Figura 2-5 Diagramma p-V del ciclo Sabathé ..................................................................................... 13
• Figura 2-6 Ciclo indicato ..................................................................................................................... 13
• Figura 2-7 Pressione in funzione dell'angolo di manovella ............................................................... 14
• Figura 2-8 Energia entrante e uscente da un MCI ............................................................................. 15
• Figura 2-9 Grafico dei calori ceduti da un MCI .................................................................................. 15
• Figura 2-10 Parametri motoristici al variare dell'applicazione .......................................................... 19
• Figura 3-1 Confronto tra ciclo limite e ciclo ideale ............................................................................ 21
• Figura 3-2 Ciclo indicato ..................................................................................................................... 21
• Figura 3-3 Confronto tra cicli ideali ed indicati, Otto a sinistra e Diesel a destra. Si evidenziano bene le varie fonti di perdita ....................................................................................................................... 22
• Figura 3-4 Rappresentazione grafica della pMI ................................................................................. 23
• Figura 3-5 Schema riassuntivo delle varie definizioni ........................................................................ 24
• Figura 3-6 Valori tipici di bmep (sx); andamento bmep col numero di giri (dx) ................................ 25
• Figura 3-7 Splitting della cilindrata .................................................................................................... 26
• Figura 3-8 Confronto tra motori estremamente differenti ............................................................... 28
• Figura 4-1 Esempi di curve caratteristiche ......................................................................................... 29
• Figura 4-2 Funzionamento a potenza costante ................................................................................. 30
• Figura 4-3 Accoppiamento con cambio di velocità ............................................................................ 30
• Figura 4-4 Curve isoconsumo ............................................................................................................. 31
• Figura 5-1 Confronto tra rendimenti in regolazione .......................................................................... 32
• Figura 5-2 fmep al variare del numero di giri .................................................................................... 32
• Figura 5-3 Confronto tra due motori con diverse potenze ................................................................ 33
• Figura 6-1 Onde di pressione all'interno del cilindro e nel condotto di aspirazione ......................... 34
• Figura 6-2 Ancora andamenti di pressione in fase di aspirazione all'interno del cilindro ................. 34
• Figura 6-3 Istante iniziale r e finale i .................................................................................................. 35
• Figura 6-4 Coefficiente di riempimento al variare della velocità media del pistone......................... 37
• Figura 6-5 Inquinanti al variare del rapporto aria combustibile ........................................................ 38
• Figura 6-6 Influenza della velocità media del pistone sul coefficiente di riempimento .................... 40
• Figura 6-7 Sopra-Influenza della temperatura del refrigerante sul coefficiente di riempimento ..... 40
• Figura 6-8 Influenza della contropressione allo scarico sul coefficiente di riempimento ................. 41
• Figura 7-1 Valvola ............................................................................................................................... 41
• Figura 7-2 Calcolo della sezione di gola ............................................................................................. 42
• Figura 7-3 Andamento della pressione totale in un condotto nel caso reale e ideale ...................... 44
• Figura 7-4 Area di passaggio del flusso attraverso le valvole in funzione dell'angolo di manovella . 45
• Figura 7-5 Banco di flussaggio soffiato .............................................................................................. 46
• Figura 7-6 Banco di flussaggio in aspirato.......................................................................................... 46
• Figura 7-7 Andamenti del coefficiente di efflusso ............................................................................. 47
• Figura 7-8 Salto di pressione che garantisce il moto turbolento in funzione del diametro della valvola ............................................................................................................................................................ 47
• Figura 7-9 Profili di alzata................................................................................................................... 48
• Figura 7-10 Effetto della maggiore accelerazione ............................................................................. 48
• Figura 7-11 Passaggio da due a quattro valvole ................................................................................ 49
• Figura 7-12 Esempi di plurivalvole