Riassunto completo esame di "Motori a combustione interna"

Capitolo 1

CARATTERISTICHE DEI MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

CLASSIFICAZIONE

 Modo di avviare la combustione (accensione comandata da scintilla/spontanea per compressione)

 Durata del ciclo (2 Tempi/4 Tempi)

 Tipo di combustibile (benzina, diesel, gas, olio, doppio combustibile)

 Alimentazione dell’aria (aspirato, sovralimentato, turbocompresso)

 Alimentazione del combustibile (carburazione, iniezione diretta/indiretta)

 Regolazione del carico (qualità/quantità)

 Moto parti in movimento (alternativo, rotatorio, oscillante)

 Sistema di raffreddamento (aria/liquido)

:

 →

alti motore più pesante

 Combustione ruvida (innesca vibrazioni)

 → →

Combustione lenta e masse elevate no alti regimi di rotazione basse

potenze specifiche per unità di cilindrata

:

 →

alti migliore

 risente meno del calo di carico (no farfalla)

 → ( = ) →

A pari più alta migliore guidabilità

2 :

 basso

 Ricambio fluido scadente

 Maggiori sollecitazioni termiche e meccaniche

2 :

 Potenza specifica doppia (in realtà a causa delle perdite di lavaggio è del 50-60% in più)

 Semplicità costruttiva

 Maggiore uniformità di coppia motrice 1

GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE

- = 2

- 2

=

- 4

2

= =

- 4

1

=

-

2

′

à = 2

- (4) (2)

= = 2 ; = 1

-

à ̅ = 2

-

COPPIA E POTENZA EFFETTIVE

In condizioni di equilibrio dinamico del gruppo motore-

freno, la sviluppata dal motore sarà

data da : =

La utile :

= = 2

Per ricavare si usa un (a correnti parassite), costituito da un rotore collegato

all’albero di uscita del motore, accoppiato da forze di natura elettromagnetica ad uno statore, libero di

oscillare. Fra motore e freno può esserci un giunto cardanico per evitare disassamenti fra asse motore e

asse del freno.

Nota: nel motore Otto 4T aspirato l’area B è tanto

più estesa quanto più il motore è parzializzato,

infatti la regolazione è effettuata strozzando il

condotto di aspirazione. La sezione cala, aumenta

la velocità del fluido in ingresso e diminuisce la

pressione (si abbassa la linea che delimita B

inferiormente)

Il ceduto dal

fluido di lavoro al pistone vale :

= ∮

2

La ceduta dal fluido di lavoro al pistone entro il cilindro è :

= =

Poiché dipende dalle dimensioni del cilindro, conviene considerare il lavoro indicato per unità di

cilindrata, detto

∶

=

Il è un indice di efficienza con cui il calore sviluppato dal combustibile è convertito in

lavoro meccanico:

=

̇

̇

Dove è la potenza termica messa a disposizione dal combustibile.

Il permette di passare dalle ‘’grandezze indicate’’ a quelle ‘’effettive’’:

= =

= = =

Si definisce : ̇

= ̇

= 12 ÷ 18

- Otto

= 18 ÷ 70

- Diesel

Il :

̇

=

Un parametro adimensionale è il :

̇

=

Il suo reciproco è il :

1

=

Il è definito come il rapporto tra la massa d’aria effettivamente

introdotta nel cilindro ogni ciclo e la massa che teoricamente potrebbe riempire un volume pari alla

,

cilindrata con corrispondente alle condizioni di riferimento:

̇

= = =

3

RELAZIONI TRA I PARAMETRI CARATTERISTICI

La potenza effettiva si può esprimere in funzione del consumo di combustibile:

̇ 1

= ̇ = =

1

=

La coppia effettiva erogata dal motore può anche essere espressa come:

1 1

= =

2

1 1

= = =

→ =

2

Relazioni analoghe si possono ricavare per le grandezze indicate:

= ̇ = =

=

= =

= = =

̇ ̇

ACCOPPIAMENTO DEL MOTORE ALL’UTILIZZATORE

Le tipologie di utilizzatori che vengono accoppiate ai motori a combustione interna sono riconducibili a tre

classi:

1. La macchina trascinata richiede una velocità di rotazione costante e una coppia variabile in

funzione del carico (es. Generatore elettrico)

2. Il motore deve fornire una coppia crescente con il quadrato del regime di rotazione

2

( ~ ) perché con tale legge aumenta la resistenza incontrata dall’utilizzatore (es. Ventilatore,

Elica marina o aeronautica)

3. Vengono richiesti valori variabili di velocità di rotazione e coppia motrice (Trazione stradale)

Alla trazione stradale grava il maggior numero di esigenze e per sfruttare al meglio la potenza installata,

sarebbe auspicabile che tali motori rendessero disponibile alle ruote una potenza utile costante, al variare

della velocità del veicolo: = ( ) = costante

4

→ 0 → ∞

In tale caso per , ma ciò non è vero

perché si avrebbe la perdita di aderenza:

( ) =

La incontrata dal veicolo è una funzione

crescente della velocità, espressa come:

2

() = +

0 2

Nel tutti i punti di funzionamento a regime

′

() ()

sono stabili (): se aumenta da ad il

> ,

motore riesce sempre a fornire riducendo

(scalando marcia). Nei transitori (punto corrispondente a

) mette a disposizione sempre tutta la potenza

installata, garantendo la massima forza accelerante:

= − = ( )

()

Nel raggiunge un massimo e

(come mostrato in figura) il tratto a destra del

massimo porta a punti di funzionamento a

regime stabili (). Se da mi sposto a destra ho

< .

e la curva tende a riportarsi in Se da

>

mi sposto a sinistra ho e la curva tende a

.

riportarsi in Il punto è il punto di

funzionamento instabile: se da mi sposto a .

destra la curva si allontana e si riporta fino ad

Se da mi sposto a sinistra rischio lo

spegnimento del veicolo. ′ ′

) << () ()

Nei transitori (punto corrispondente a il motore fornisce e passando da ad la

()

non riesce a contrastare (non ho un punto di funzionamento a regime).

Si deduce quindi che la del moto tra un motore a combustione interna e le ruote, non può

ridursi ad un rapporto meccanico fisso, ma deve costituire un gruppo che cambia (in modo

().

continuo/discontinuo) la forma della curva Essa sarà approssimata tanto meglio all’iperbole quanto

più alto è il numero dei rapporti e quanto più sarà la curva di coppia del motore.

à

Il concetto di di funzionamento viene introdotto per esprimere la misura in cui questa curva si

avvicina alla situazione ottimale di potenza costante su tutto il campo d’impiego. 5

Capitolo 2

ALIMENTAZIONE ARIA NEL MOTORE QUATTRO TEMPI

La potenza che il motore è in grado di sviluppare è limitata dalla rapidità con cui riesce ad aspirare aria,

mescolarla con il combustibile ed espellere i gas combusti. Poiché questo funzionamento ciclico coinvolge

energia, un corretto dimensionamento dei sistemi di aspirazione e scarico può ridurre il lavoro speso per

mantenervi il flusso richiesto.

Con un certo anticipo al PMI, si apre la valvola di

scarico. I gas fuoriescono dal cilindro per la differenza

);

di pressione ( quando il pistone

≈

inverte la sua corsa i gas escono a così da non

spendere troppo lavoro per lo scarico. Di solito si

anticipa rispetto al PMS l’apertura della valvola di

aspirazione e si ritarda la chiusura di quella di scarico

)

( per sfruttare l’inerzia dei

gas uscenti e richiamare la carica fresca nel cilindro,

prima ancora che il pistone inizi la sua corsa di ritorno.

All’apertura della valvola di aspirazione si ha una

depressione e l’aria viene aspirata dall’aumento di

volume prodotto dal moto del pistone. Si ritarda la

chiusura della valvola di aspirazione al PMI per

sfruttare l’inerzia dell’aria.

La quantità d’aria aspirata è minore di quella teorica per 3 motivi :

1. A fine scarico nello spazio morto restano intrappolati dei gas combusti che espandendosi tolgono

spazio alla carica fresca

2. Le pareti calde nel cilindro cedono calore alla carica fresca che diminuisce di densità

< <

3. A fine corsa di aspirazione e quindi

1 1

Si può legare il alle grandezze che lo influenzano, applicando il principio

di conservazione dell’energia al processo di aspirazione. La differenza tra il calore che il sistema riceve e il

lavoro ceduto all’esterno, uguaglia la sua variazione di energia interna, ossia la differenza fra l’energia

posseduta dalla massa finale del fluido e quella relativa alla massa di gas residui e di carica fresca all’inizio :

− = ∆ = −

: = )

- Carica fresca e gas residui si comportano come gas perfetti, con e costanti (

- Fuga di carica fresca trascurabile all’incrocio delle valvole

[ ]

− = − +

2 6

,

Il primo passaggio è trovare in funzione di si definisce come :

= <1

1

=

1

1

= = −

Considerato che e tenendo conto di allora si ha :

1 2

2 =

1 2

= −

2 1

Sostituendo su appena ricavati :

2 1 = −

1 1

Si ottiene :

=

1 −1

{

1

= =

2 −1

Mi consentono di ottenere :

=

−1

Tenendo conto di e l’espressione iniziale diventa :

2

− = − +

[ ]

−1 −1

Per effetto del calore ceduto al fluido durante il processo di aspirazione, si ha un aumento di

∆ = .

temperatura (le pareti del cilindro cedono calore). Se il processo avviene a dalla legge della

: = ∆ = ∆

,

Il lavoro globalmente ceduto all’esterno durante l’intero processo è la differenza tra il lavoro ceduto dai

gas al pistone e quello esercitato sul fluido dalla pressione all’ingresso :

= ∫ −

Posto

∫

=

∫ =

Quindi, sostituendo ad l’espressione appena ricavata si ottiene :

= ( − )

7

Considerando ed ottenute, l’equazione dell’energia vale:

)

∆ − ( − = − +

[ ]

−1 −1

= =

Posto ed :

)

∆ − ( − = − +

[ ]

− 1 − 1

−

= =−1

Per lasciare al secondo membro divido tutto per tenendo conto di e di

= −

(da ) :

∆

)

( −

( (

− 1) − 1)

− = − −

∆

( )(

− − − 1) = − −

( (

− 1) − 1)

Da cui si ottiene in definitiva :

−

1 ( − 1)

= +

[ ]

∆ ( − 1)

( + 1)

Da questa espressione si vede la dipendenza di da:



Contropressione allo scarico : se aumenta cresce.



Perdita di carico in aspirazione all’atto della c