Motori Termici per la Trazione

CARATTERISTICHE DEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

I motori a combustione interna sono macchine motrici termiche che si propongono di convertire gran parte dell'energia generata dalla combustione di un combustibile entro la macchina stessa, in lavoro meccanico: il fluido mediante compressione o espansione scambia energia con gli organi mobili della macchine. Questo è formato da aria e combustibile prima della combustione e dai prodotti dell'ossidazione del combustibile in aria dopo la stessa combustione. Diciamo "interna" poiché tutto il processo avviene all'interno della macchina stessa che è priva dei componenti esterni i quali caldaie in cui fare avvenire la reazione di ossidazione e allo stesso tempo la sorgente di calore è interna al fluido di lavoro. Questi motori presentano il grande vantaggio di non avere scambiatori di calore sia tra i prodotti della combustione (sorgente ad alta temperatura) ed il fluido di lavoro sia tra quest'ultimo e l'ambiente (sorgente a bassa temperatura); ciò limita le caratteristiche del combustibile che deve assicurare la combustione nei modi e nei tempi giusti.

Aspetto positivo è la semplificazione dell'impianto e l'eliminazione delle perdite inerenti al trasferimento di calore tra due fluidi in uno scambiatore di area finita.

Una classificazione dei motori può essere quella sul modo di avviare la combustione avviene una

COMANDATA (AC) quando la miscela di aria e di vapori di benzina viene accesa da una scintilla fatta scoccare tra gli elettrodi di una candela, realizzando così una combustione molto più rapida (idealmente a volume costante). Questi motori sono chiamati motori Otto.

ACCENSIONE SPONTANEA (AS) quando il combustibile viene iniettato, finemente polverizzato, in seno all'aria calda e compressa, in modo da provocarne l'autoaccensione e dare origine ad una combustione più lenta e graduale (idealmente a pressione costante). Questi motori vengono chiamati Diesel.

Altra classificazione può essere quella riguardante il numero di corse per compiere il ciclo; nei motori a 2 tempi, la sostituzione della carica di aria con una carica fresca avviene in due corse o tempi del pistone che corrispondono ad un solo giro dell'albero di manovelle portando così ad uno scambio di fluidi di lavoro meno soddisfacente. Nei motori 4 Tempi invece, pur essendo il ciclo di lavoro che dura quattro corse del pistone ovvero due giri dell'albero di manovella, è suddiviso al rinnovo della carica ovvero espulsione dei gas combusti e aspirazione della carica fresca ad opera del pistone, realizzando così un buon ricambio del fluido rispetto al caso precedente.

Altra classificazione è quella che riguarda l'alimentazione dell'aria: motori aspirati cioè ad aspirazione naturale o

d/dθ = -aω [cosθ + zcos2θ/2R] = -aω [cosθ + cos2θ/R]

dg/dt = ω ⇒ a(θ) = -aω² [cosθ + cos2θ/R]

⇐

ACCELERAZIONE ISTANTANEA DEL PISTONE

La velocità media del pistone invece è pari a:

u = 2C/T = percorso del pistone in un giro di manovella / tempo necessario per compiere un giro di manovella

T = 2π/ω = 1/M M: numero di giri dell'albero nell'unità di tempo

u = 2C/T = 2C/2π/ω = 2CM ← VELOCITA’ MEDIA DEL PISTONE

u < 8 m/s motori lenti

15 m/s motori veloci

R₀ = L/a

R = 0,25 -----

R = 0,30 -----

Rendimento Globale

Mg = ^Lu/_ṁbHi - ^Pu/_ṁbHi

ṁb = massa di combustibile consumato al ciclo

Hi: potere calorifico inferiore del combustibile

Consumo Specifico di Combustibile

qb: ^ṁb/_Lu = ^ṁb/_Pu

Il rendimento globale misura l'efficienza con cui l'energia contenuta nel combustibile è convertita in lavoro meccanico disponibile all'albero.

ηg = ^Lu/_ṁbHi = 1/_qbHi

Consideriamo ora un comportamento termodinamico ideale del motore rappresentato dal ciclo ideale: per questo ciclo le ipotesi da seguire sono:

• massa costante
• fluido ideale ovvero cp e cv costanti
• trasformazioni reversibili: cioè assenza di perdite
• combustione sostituita da un’introduzione di calore dall’esterno
• scarico sostituito da una cessione di calore verso l’esterno

Avremo quindi i seguenti parametri caratteristici:

• Ėidot = lavoro ottenuto dal ciclo ideale Lavoro Ideale
• Q1 = calore fornito al fluido in un ciclo Calore Fornito
• ηid = Ėidot/Q1 = rendimento del ciclo ideale Rendimento Ideale

Ci dà un indice del grado di utilizzo della cilindrata disponibile per fare entrare nel cilindro aria nuova, alla fine di ogni ciclo. Le cause che possono ridurre il volume di V_c per un motore 4T aspirato sono:

1. presenza dei gas residui all'inizio della corsa di aspirazione a causa della contropressione allo scarico;
2. riscaldamento dell'aria da parte delle pareti;
3. pressione minore della pamb al termine della corsa di aspirazione, a causa dello strozzamento nella valvola.

Q̅₁ = m_bH_i, λ= m_a / ρ_omV_c, μ= L̅_u / Q̅_i

α= m_a / m_b dosatura con cui il motore è alimentato.

Q̅₁ = m_bH_i,= m_a V_c λ/ α H_i = λ ρ_om V_c H_i / α.

L̅_u = μQ̅₁ = μλα ρ_om V_c H_i / α = η_tη_gi η_e Q̅₂ = η₀ η_gi η_e λ ρ_om V_c H_i / α.

ρ_me= L̅_u / V_c = η₀ η_gi η_e λ ρ_om V_e H_i / α.

C_e = p_me V_c / 2 π nm.

P_u = C_w

q_b = 1 / H_i η_u

R₂v² proporzionale al quadrato della velocità e tiene

conto della resistenza aerodinamica, dell'attrito dei

pneumatici. Quindi RM = R₀ + R₂v²

Si individua il punto di funzionamento a regime.

L'iperbole equilatera ci fa notare che sono stabili tutti i

punti di funzionamento a regime del possibile campo

d'impiego del veicolo. Quando questo affronta un

aumento della resistenza dovuto per esempio ad una

maggiore pendenza, il motore è sempre in grado di

fornire una forza motrice Fm > R fino al limite di

aderenza, pur di ridurre opportunamente la velocità,

come si evince dal grafico per R'(v) > R(v).

Inoltre nei transitori si mette a disposizione tutta la

potenza installata, per raggiungere con prontezza la

condizione di regime, garantendo così la massima

forza accelerante Fac = Fm-R in ogni istante.

La caratteristica del motore a combustione interna è

lontana da quella ideale vista prima portando al fatto

u = 0,043.376,994 (mu(20°) + mu(-40°)) / 2,3.80647 = 6,88383 m/s

=> 6,84 m/s

Sp = c/2 [1 + 1/Λ - cos θ - 1/Λ √(1 - Λ² mu² 20°)]

Λ = a/b = 4.30/16.6 = 0,259036

Sp = 0,0860/2 [1 + 1/0,259036 - cos 20° - 1/0,259036 √(1 - 0,259036² mu² 20°)]

= 0,003266 m => Sp = 0,325 cm

Vf = V {1/p-1 + 1/2 [1 + 1/Λ - cos θ - 1/Λ √(1 - Λ² mu² θ)]}

- Vc/6 {1/p-1 + 1/2 [1 + 1/Λ - cos θ - 1/Λ √(1 - Λ² mu² θ)]} =

= 3000/6 {1/95-1 + 0,5 [1 + 1/0,259036 - cos 20° - 1/0,259036 √(1 - 0,259036² mu² 20°)]}

= 77,6866 cm³ => 77,7 cm³