Schemi riassuntivi Powerunit/Motori a combustione interna

Parametri fondamentali

Velocità minima: dipende dal sistema di controllo del carico

Velocità massima: dipende da vincoli di progetto, limiti sulle volvole o velocità media del pistone massima.

Carico motore: _coppo/coppo^max ≤ 1 controllato da una farfalla che gestisce la portata d'aria; α = IA/IME = cost.

Idle/minimo - al minimo la carica equivale a quello degli attriti.

A/F: _Wa/Wf ne sono in un campo intervallo (benzina: 10 < W_a/W_f < 14).

α ≤ 1: limite massimo per la produzione di fuliggine; quello minimo è l'idle (minimo).

Parametri motoristici e formule

Lavoro indicato: W_i = ∫p⋅dV è ideale e non tiene conto degli attriti.

Le quantità indicate sono calcolate misurando la pressione istantanea nel cilindro.

4 tempi:

1. EXHAUST - INTAKE - IVO^{1° MEP}
2. COMPRESSION - EXPANSION 1-180° - 180°
3. GIMEP
4. IMEP = GIMEP + PMEP

Un compressore deve spingere la carica fresca; spende un lavoro equivalente al lavoro di pompaggio in due.

Il rendimento volumetrico λ_vol non è un vero rendimento; nei motori sovralimentati sarebbe λ_vol > 1, allora si usa il rendimento volumetrico relativo λ'; La portata dipende dalla massa d'aria che riesco ad intrappolare.

Diesel vs SI engines

Il processo di combustione è una catena di reazioni chimiche; la maggior parte sono esotermiche e sono le più lente, quelle che caratterizzano la durata della combustione. Il calore viene rilasciato solo nelle ultime reazioni.

Nei motori Diesel la combustione è controllata (atomizzazione) e interessa ad alta pressione.

Nei motori SI allo scoccare della scintilla. La miscela è già ottimale.

Combustione motori SI: miscela stechiometrica o leggermente ricca:

• -25° ÷ -10°: fase laminare;
• -10° ÷ +25° fase turbolente;
• 25° ÷ 45° completamento.

L'andamento del rischio di detonazione influenza il rendimento di pressione.

Spark advance: scelto per massimizzare il lavoro indicato - maximum brake torque condition

Relativement air/fuel ratio (λ)

1. leggermente ricco → max lavoro indicato
2. leggermente magra → max rendimento termico
3. ricco → riduce il rischio di detonazione

La durata angolare della combustione è circa costante all'aumentare della velocità del motore (+ turbolenze).

A bassi carichi, la durata dipende dalla combustione acanando senza aumentare l’intervallo di accensione.

Auto accensione: i punti di fermata secondaria partono dai punti caldi (critici se prima della scintilla)

Detonazione: quando esplode detritivamento alle ponde di partenza → serve miscela più ricca

3-way catalytic converter: assoluto con CO/HC e riduzione NO_x - start_TC ≥ 900°C

Pro: 1 - combustione è sempre equivalente con non limite velocità massima del motore.

2. limite di disegno limitato dal tasso di dilavazione.

Combustione motori diesel: pistone dietro di un bowl (tazzac); quello intero adottato è più forte;

-15° ÷ -5°: iniezione unico ad alta pressione;0° ÷ 15°: dispersione: prima di combustione20° ÷ 40° completamento

All’aumentare della velocità del motore diminuisce il tempo di iniezione e questo porta a una maggiore prodenzione di pressione; bisogna aumentare l’efficienza del ritardo d’accensione.

Riduzione di carico: velocità massima limitata da limite sollevamento, volume → velocità media del pistone;

Pro: rendimenti molto alti in tutti i campi di carico, non max alzato il max aspirazione; più efficienti avendo serbatoio di ritorno.

Contro: affidabilità e turbo matching.

Overview on 2-stroke engines

Con un ciclo 2 tempi non si riesce ad avere il doppio della potenza perché il ricambio della carica … è più difficile. In generale, però, si riesce a massimizzare il rapporto potenza/peso.

• LAVAGGIO: contro-pressioni; compressore esterno; compressore esterno e turbo compressore
• ASPIRAZIONE/SCARICO: valvole a fungo; valvole rotative
• TEMPI DI ROTAZIONE: il ciclo si esaurisce in tempo e velocità controller
• DISEGNI CILINDRI: pistoni convenzionali; opposed piston
• COMBUSTIONE: SI; CI; HCCI; CAI

Il sistema a 2 tempi aumenta il lavoro di pompaggio, ma aumenta i gas residui e cala la lubrificazione. Rispetto ai 4 tempi ha maggiore coppia e potenza ad alti regimi. Ha anche maggiori emissioni e consumi dovuti all’assenza del ricambio della carica.

• Low-Pressure Direct Injection (LPDI): su motori convenzionali (water pump, poco longevo). Il carburatore può essere sostituito da iniezioni elettroniche. Si ha il problema di perdite muscolari uniforme ad alte velocità e si risolve iniettando anche nel carter tramite delle aperture laterali nel pistone.
• High-Pressure Direct Injection (HPDI): iniettando miscela preformata, posso iniettare molto tardi senza perdere benzina dalle di scarico.
• 2T NAVALE: con 2 corsse del pistone si ha molti FTMP rispetto ad un LT a caso: 7/12. Il lavoro di pompaggio è trascurabile perché l’aria è sempre spinta propulsione (Grandi navi no turbina motore a) ed use una turbina, in cose con il motore per permettere agli es di espandarsi (turbo compound). Riescono a bruciare svariati tipi di combustibili.
• 2T OPPOSED PISTON: L'uno biel di aspirazione, l'altro le luci di scarico: si ha un lavaggio ideale. I due pistoni si muovono l’uno verso l’altro, leggermente sfalsati, e la combustione avviene in mezzo con una BTE anche del 50% (classi altissimi).
• Il motore più diffuso perde chiedendo un albero ma puoi essere tramite rimasti. Il rapporto di compressione può essere settato a piacere variando la lunghezza della camera (ampio spazio di dimissioni). Il basso rapporto superficie/volume della camera di combustione porta a poche perdite di calore.

Maximization of specific power in 4-st naturally aspirated engines

Per aumentare la potenza specifica si possono incrementare vari parametri:

• velocità media dei pistone, densità in aspirazione, area totale dei pistoni, BTE.

L’area dei pistoni può essere aumentata con il rapporto B/S o con il numero di cilindri Z.

• P_max ↗ e P_2.max ↗
• V₂/V ↗ ↘ sparkadvance
• richiede tecnologie avanzate per le valvole

Ideal thermodynamic cycles & indicated cycles

• CICLO OTTO
• La temperatura massima T₃ nel cilindro dipende da: SI; LHVɣ, rendimento di adiabatico ɣ, w_med, e lo spefico della miscela, λ/AF stochimetrico e as.
• ↗ in durata o T ↗ per V₁ anche GRV.
• La pressione massima P_max nel cilindro dipende da rapporto di compressione, T₃, P₃.
• A parità di rapporto di compressione il ciclo Diesel ha minor efficienza e minor picco di T₃; P₃ .
• A parità di P₃, il ciclo Diesel è più efficiente e ti conduco un minor picco si temperature.