Domande esami orali Motori a combustione interna

QUALI RENDIMENTI PEGGIORANO A CAUSA DELLA REGOLAZIONE? Il RENDIMENTO DI

POMPAGGIO (perché aumenta l’area del ciclo indicato negativo), il RENDIMENTO DI

COMBUSTIONE (perché, essendo la combustione più lenta, ho una elevata quantità di gas di scarico del

ciclo precedente che interferiscono con quello attuale) e il RENDIMENTO ORGANICO (perché, per

definizione di regolazione del carico, voglio diminuire il lavoro del ciclo indicato positivo e quindi anche

il lavoro utile).

3) ALIMENTAZIONE COMBUSTIBILE CICLO OTTO

Il sistema di alimentazione di un MAC lavora con combustibili molto VOLATILI, al fine di favorire la

miscelazione con il comburente (ossigeno), ottenendo una MISCELA QUANTO PIU’ OMOGENEA

POSSIBILE, e deve essere in grado di garantire una DOSATURA CORRETTA per tutto il range di

funzionamento del motore. Si distinguono principalmente i sistemi ad iniezione INDIRETTA e DIRETTA,

ognuno con i propri vantaggi. In ogni caso, il controllo sulla iniezione (e non solo) viene eseguito

elettronicamente tramite l’EMS (ELECTRONIC MANAGEMENT SYSTEM), comandato dalla

CENTRALINA.

I sistemi principali che vengono usati per determinare la quantità di combustibile da iniettare e le modalità

sono:

▪ SISTEMA α-ns;

▪ SISTEMA SPEED-DENSITY

La centralina è in grado di capire le modalità di iniezione e le quantità da iniettare grazie ai segnali provenienti

dai vari sensori posti sul motore. Essa necessita di:

• RUOTA FONICA = mi permette di comprendere il regime di rotazione dell’albero motore.

Rappresenta una ruota dentata alla quale manca un certo numero di denti, di cui IL SISTEMA

CONOSCE LA POSIZIONE, in modo da capire in quale punto della fase sia il motore.

➔ Una sola ruota fonica però non è in grado di definire quale sia contemporaneamente la fase e la

posizione dell’albero motore. Si può quindi ottenere questa informazione dall’albero a camme

oppure utilizzando un sensore direttamente interfacciato sull’albero che permette di leggere il

valore della pressione (QUANDO RILEVA UN AUMENTA DI PRESSIONE, RICONOSCE LA

FASE DI COMPRESSIONE, DURANTE LA QUALE INIETTARE IL COMBUSTIBILE E

ACCENDERE LA MISCELA)

• POSIZIONE DELLA VALVOLA A FARFALLA = la regolazione del carico avviene proprio tramite

la regolazione della posizione di tale valvola, comandata direttamente dalla centralina. In funzione del

carico che richiede l’utilizzatore (e quindi della PME richiesta), la centralina regola posizione della

valvola per far passare una quantità specifica di aria e modula successivamente la quantità di

combustibile da iniettare, per ottenere la dosatura corretta per quel range di funzionamento del motore.

➔ Il combustibile viene messo in pressione dalla pompa, la quale è immersa all’interno del serbatoio

e che viene lubrificata proprio dal combustibile stesso. È presente una configurazione ad ANELLO

CHIUSO che consente di reimmettere il combustibile in eccesso inviato all’iniettore, all’interno

del serbatoio. Infatti, SI PRELEVA UNA QUANTITA’ DI COMBUSTIBILE MAGGIORE

RISPETTO A QUELLO STRETTAMENTE NECESSARIO, in quanto se dovesse verificarsi un

fenomeno accidentale che prevede l’iniezione aggiuntiva di combustibile, almeno sarebbe già

presente una certa quantità già pressurizzata all’interno dell’iniettore.

• Azionamento dell’iniettore = è un dispositivo del tipo ON/OFF, il quale viene azionato dalla centralina

che però non agisce direttamente sull’apertura dello spillo, bensì sul circuito idraulico interno

all’iniettore, basando l’apertura su una differenza di pressione. Maggiore sarà il tempo di apertura, più

grassa sarà la miscela.

Altri sensori importanti sono quelli per la misurazione della temperatura (utile per comprendere la quantità di

combustibile da iniettare a motore freddo) e della pressione (da legare alla densità dell’ambiente da cui

aspiriamo l’aria).

COSA DEVO FARE NEL CASO DI MOTORE FREDDO? In questa situazione, data la bassa

temperatura delle pareti, quando ho uno schema di INIEZIONE INDIRETTA, risulta difficoltosa

l’evaporazione del combustibile, nel condotto di aspirazione, il quale si andrà a condensare lungo le

pareti di quest’ultimo. La miscela risulterà quindi globalmente povera quando nella realtà, al fine di

far avviare la combustione, dovrebbe essere ricca. La centralina inietta quindi una MAGGIORE

QUANTITA’ DI COMBUSTIBILE (aumentandone quindi il consumo specifico). Per MIGLIORARE

IL COMPORTAMENTO DEL MOTORE A FREDDO, SI PASSA ALL’INIEZIONE DIRETTA

(iniettando il combustibile direttamente nella camera di combustione a valvole chiuse) cercando, ove

possibile, di eseguire la STRATIFICAZIONE DELLA CARICA. Dovendo risalire le pareti del

condotto ad una temperatura minore, SCAMBIERO’ MENO CALORE

➔ Per i motori MAC, avere una MISCELA RICCA è utile perché mi permette di EROGARE LA

MASSIMA POTENZA (sono sicuro di bruciare tutto il comburente aspirato, così da massimizzare

il calore prodotto tramite la combustione) ma d’altra parte, avere un eccesso di combustibile, vuol

dire che una quota parte di questo non verrà bruciato, andando allo scarico come IDROCARBURO

INCOMBUSTO e PEGGIORANDO IL PROFILO DI EMISSIONI DEL MOTORE

➔ Nei SISTEMI AD INIEZIONE DIRETTA E’ RICHIESTA UNA POMPA CHE PRESSURIZZI IL

COMBUSTIBILE: dato che tale potenza è fornita dal motore, PEGGIORA LI RENDIMENTO

ORGANICO. ➔ Come si nota dal grafico, QUANDO IL NUMERO DI

GIRI È ALTO (e richiedo un alto carico) conviene avere

miscele grasse, così da massimizzare la potenza prodotta.

Non ha un andamento lineare però per due motivi: il

TROPPO COMBUSTIBILE IN ECCESSO DEVE

COMUNQUE EVAPORARE E QUINDI ASSORBE

PARTE DEL CALORE DALL’ARIA NELLA CAMERA

DI COMBUSTIONE, e inoltre, agli ALTI REGIMI HO UN

PEGGIORE RIEMPIMENTO, A CAUSA DELLE

ELEVATE PERDITE DI CARICO.

COS’E’ E A COSA SERVE LA STRATIFICAZIONE DELLA CARICA? Innanzitutto, questo fenomeno si

può ottenere grazie all’INIEZIONE DIRETTA del combustibile nella camera di combustione. Essa corrisponde

a una DISTRIBUZIONE NON UNIFORME DELLA CARICA NELLA CAMERA DI COMBUSTIONE (che

in prima analisi, si contrappone agli obiettivi di iniezione di un MAC) che determina, in alcune circostanze,

un risparmio di combustibile. E’ come se si regolasse un motore a benzina come un motore Diesel.

➔ L’obiettivo è quello di: AVERE UNA MISCELA LEGGERMENTE

RICCA/STECHIOMETRICA in prossimità della candela, così da avviare la combustione (parte

più difficile della reazione).

➔ Una volta che il fronte di fiamma si è creato, LO SI FA’ PROPAGARE NELLA CAMERA DI

COMBUSTIONE ADOTTANDO UNA MISCELA MAGRA, così da risparmiare combustibile.

Si usa perché, ABBASSANDO LA TEMPERATURA DI COMBUSTIONE GRAZIE ALL’ARIA IN

ECCESSO, SI DIMINUISCE IL RISCHIO DI DETONAZIONE. Abbiamo anche una DIMINUZIONE

DELLO SCAMBIO TERMICO CON LE PARETI, dato che la temperatura di miscela, RIDUCENDO IL

LAVORO PERSO NEL CICLO DI POMPAGGIO.

COME SI ESEGUE LA STRATIFICAZIONE DELLA CARICA? Dipende dal carico che si richiede al motore:

▪ PIENO CARICO = nei MAC, è quando vogliamo ottenere la massima potenza. Conviene INIETTARE

ANTICIPATAMENTE IN FASE DI ASPIRAZIONE, così da fare evaporare il combustibile e favorire

la miscelazione con l’aria, CERCANDO QUINDI DI AVERE UNA MISCELA QUANTO PIU’

OMOGENEA POSSIBILE, STECHIOMETRICA O LEGGERMENTE RICCA;

▪ CARICHI MEDI = si esegue una CARICA SEMISTRATIFICATA. Si inietta leggermente dopo,

facendo in modo che nella camera di combustione ci sia ovunque della carica, solo che: in prossimità

della candela si devono avere delle condizioni circa stechiometriche/leggermente ricche, mentre in

zone più lontane si lavora con miscele più povere;

▪ CARICHI BASSI = si cerca di massimizzare il rendimento del motore, andando solitamente a miscele

povere. SI INIETTA CON UN CERTO RITARDO, DURANTE LA FASE DI COMPRESSIONE,

realizzando così una carica altamente stratificata grazie alle CONDIZIONI FLUIDODINAMICHE

ALL’INTERNO DEL CILINDRO (come il macro-moto della carica del Tumble oppure Swirl)

QUAL È L’ANDAMENTO DEGLI INQUINANTI IN FUNZIONE DELLA DOSATURA?

➔ Questo grafico mostra l’andamento del profilo di

emissioni di un motore ad accensione comandata, nel

quale possiamo notare la dipendenza dalla dosatura e

quindi dal rapporto di equivalenza.

▪ IDROCARBURI INCOMBUSTI = sono un effetto della combustione incompleta che, come

spiegato precedentemente, sono significativi per le miscele ricche (eccesso di combustibile).

Presentano valori minimi per miscele povere (eccesso di combustibile) fino ad un valore della

dosatura pari a circa 17. Smagrendo ulteriormente la miscela, si osserva che il loro andamento

sarà nuovamente crescente in quanto, con ridotte quantità di ossigeno, la combustione sarà

lenta e di conseguenza non si potrà avere una reazione completa. Inoltre, per i MAC, avere

miscele troppo povere porta problemi per l’accensione della carica;

▪ OSSIDO DI CARBONIO (CO) = effetto della combustione incompleta, vede un aumento per

le miscele ricche in quanto, data la scarsa quantità di ossigeno, non potranno reagire

completamente con esso per formare CO2 (ANIDRIDE CARBONICA). Ovviamente, per

miscele povere si verifica il trend opposto, con una marcata diminuzione, seguita da valori

pressoché costanti per dosatura molto alte, vicini allo 0;

▪ OSSIDI DI AZOTO (NOx) = sono nocivi per l’uomo e pertanto devono essere abbattuti allo

scarico. La loro formazione viene favorita dalle alte temperature di combustione (tipiche nei

motori Diesel), le quali portano alla dissociazione dell’azoto N2 che si andrà a legare con

l’ossigeno presente nell’aria, al fine di ritrovare la stabilità chimica. Notiamo un massimo in

corrispondenza di miscele leggermente povere. In corrispondenza delle condizioni

stechiometriche, si nota un aumento rapido delle loro concentrazioni in quanto si raggiungono

delle temperature maggiori di quelle di attivazione per la loro formazione. ESSO E’

ENDOTERMICO (ovvero, assorbe energia termica) portando ALLA DIMINUZIONE

DELLA TEMPERATURA ADIABATICA DI FIAMMA e quindi DIMINUENDO IL

RENDIMENTO DI COMBUSTIBILE

➔ In generale, si osservano delle quantità costanti a partire da temperature di combustione che si

aggirano attorno mi 1800 K

➔ Per migliorare il profilo di emissioni di un motore, si potrebbe pensare di: eseguire un processo di

COMBUSTIONE A BASSE TEMPERATURE (andando verso miscele povere) oppure

LAVORARE A CONDIZIONI CIRCA STECHIOMETRICHE MA UTILIZZANDO SISTEMI DI

ABBATTIMENTO ALLO SCARICO (come quelli previsti