18.4. I motori alternativi a c.i. ad accensione spontanea («motori diesel») a quattro tempi

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1 18.4. I motori alternativi a c.i. ad accensione spontanea («motori diesel») a quattro tempi Approfondimenti Il ciclo Diesel Il rendimento (h) di un ciclo termodinamico è espresso, come è noto, dal rapporto tra il calore utilizzato (cioè: trasformato in lavoro), ovvero il calore (q sup q inf ) e il calore disponibile (q sup ), essendo q sup il calore fornito dalla «sorgente superiore», cioè dalla sorgente termica a temperatura più elevata e q inf quello ceduto alla «sorgente fredda» (o «sorgente inferiore»). Risulta cioè: h q sup q inf q sup 1 q inf q sup (1) Esaminando il ciclo Diesel, possiamo affermare che, per quanto riguarda la trasformazione isobarica 2-3, vale la relazione: J q sup c p ( ) (2) kg Analogamente per la trasformazione isocora 4-1 si ha: J q inf c v (T 4 T 1 ) (3) kg La (1) può allora scriversi: ( ) ( ) h Diesel 1 q inf 1 c v T 4 T 1 q sup c p (4) o anche: h Diesel 1 T 4 T 1 k ( ) (5) ove è: k c p c v La (5) può anche assumere la forma seguente, utile per i calcoli successivi: h Diesel 1 T T T 1 T k 3 1 (6) Per quanto riguarda la trasformazione adiabatica 1-2 (di compressione) vale la relazione: T 1 (7) che può scriversi: v T 1 2 (8) MALAGUTI-ZANON - IL NUOVO PRINCIPI DI MECCANICA E MACCHINE A FLUIDO - CAPPELLI EDITORE 1

2 Analogamente, per la trasformazione adiabatica 3-4 (di espansione) si ha: v 4 T 4 (9) che può scriversi: v T 4 3 v 4 (10) Dividendo membro a membro la (10) con la (8) si ha: T 4 T 1 v 4 (11) essendo per l isocora 4-1: v 4 Introducendo le relazioni (7) e (11) nell espressione (6) del rendimento si ottiene: h Diesel 1 1 k 1 k 1 1 (12) D altra parte, dalla trasformazione isobarica 2-3 si ha: (13) Sostituendo la (13) nella (12) si ricava: h Diesel 1 1 k k k 1 1 (14) Indicando con: r compr il rapporto volumetrico di compressione e con: s il rapporto volumetrico di combustione a pressione costante, la (14) diviene: h Diesel 1 1 k 1 s r compr s 1 (15) Anomalie nella combustione dei motori a c.i. ad accensione comandata: l autoaccensione Si ha l autoaccensione della miscela, ovvero l inizio spontaneo della combustione, quando la reazione di ossidazione del combustibile incomincia prima che esso sia investito dal normale fronte di fiamma che, innescato dalla scintilla della candela, si sta propagando all interno della camera di scoppio. Se ciò accade, si originano delle onde di pressione 2 MALAGUTI-ZANON - IL NUOVO PRINCIPI DI MECCANICA E MACCHINE A FLUIDO - CAPPELLI EDITORE

3 che hanno una elevatissima velocità di propagazione e che, infrangendosi contro le pareti della camera di combustione, le danneggiano a volte anche irreparabilmente, producendo vibrazioni caratterizzate da un tipico rumore metallico, quasi uno scampanellio. (Si parla allora di «battito in testa del motore»). Questo fenomeno, che prende il nome di «detonazione», è tanto più frequente quanto maggiore è il rapporto (volumetrico) di compressione (r compr ) del motore (per tale motivo r compr nei motori ad accensione comandata non supera generalmente il valore di 11). Un congruo anticipo all accensione contrasta di norma l insorgere della detonazione. Anche particolari «additivi» miscelati alla benzina riducono tale pericolo (un tempo erano ampiamente impiegati come additivi il piombo-tetraetile e il piombo-tetrametile, rivelatisi in seguito estremamente nocivi all organismo umano) I gas di scarico dei motori a c.i.: loro nocività; metodi per abbattere le emissioni Tra i gas di scarico dei motori alternativi a c.i. sono presenti sostanze fortemente nocive, quali ad esempio: il monossido di carbonio (CO): quanto maggiore è la concentrazione di questo gas, tanto più incompleta, per carenza di ossigeno, è stata la combustione; il monossido di carbonio è quasi assente perciò nelle miscele povere, cioè nelle miscele aventi un rapporto aria/combustibile molto elevato; lo si trova quindi in percentuali molto ridotte nei gas di scarico dei motori Diesel, in quanto questi motori adottano dosature assai elevate. Se respirato, porta alla morte per asfissia. Gli idrocarburi incombusti (HC): anch essi indici di incompletezza della combustione, si riducono notevolmente nei motori a benzina se la miscela è povera, con dosature comprese tra 16 e 18. È accertata la loro pericolosità come agenti cancerogeni. Gli ossidi di azoto (NO x ), cioè il monossido (NO) e il biossido (NO 2 ) di azoto (entrambi questi gas sono tossici). Il «particolato», presente soprattutto allo scarico dei motori Diesel, nel cosiddetto «fumo nero», è costituito da particelle di dimensioni ridottissime, inferiori a 0,2 mm (si ricordi che un micrometro mm vale 10 6 m) contenenti solfati e composti di carbonio. Anche il particolato, se inalato, risulta nocivo all organismo umano. L abbattimento delle emissioni dei suddetti gas di scarico viene generalmente realizzato o facendo ricircolare i gas combusti o iniettando aria nel collettore di scarico, in modo da completare sia l ossidazione del monossido di carbonio (CO) in anidride carbonica (CO 2 ) sia quella degli idrocarburi incombusti (HC); oppure, più proficuamente, adottando un «catalizzatore trivalente» (la cosiddetta «marmitta catalitica») inserito nella tubazione di scarico, che consente sia di ossidare il CO e gli HC a temperature non elevate (attorno ai 250 C), sia di scomporre gli ossidi di azoto (NO x ) in ossigeno e azoto. Il catalizzatore è costituito da platino e rodio ed è efficace soprattutto se la dosatura della miscela è quella «stechiometrica», cioè se la quantità di aria presente nella miscela è tale da fornire l ossigeno (teoricamente) strettamente sufficiente perché avvenga la combustione completa. Per far sì che il rapporto aria/combustibile sia mantenuto costantemente al valore stechiometrico, a monte del catalizzatore trivalente è inserita un apposita sonda (chiamata «sonda lambda») che rileva la concentrazione dell ossigeno nei gas di scarico: se tale concentrazione si discosta da quella stechiometrica, la sonda invia un segnale a un apposito circuito di comando che provvede a ripristinare le condizioni ottimali della dosatura stessa. Nel caso in cui nella benzina fosse presente del piombo, questo renderebbe inutilizzabile in brevissimo tempo la marmitta catalitica. L efficienza del catalizzatore aumenta riempiendo la marmitta con materiale refrattario fortemente poroso, impregnato di materiale catalitico, così da assicurare la massima superficie di contatto tra il materiale catalitico stesso e i gas combusti. MALAGUTI-ZANON - IL NUOVO PRINCIPI DI MECCANICA E MACCHINE A FLUIDO - CAPPELLI EDITORE 3

4 18.9. Metodi per incrementare la potenza dei motori a c.i. alternativi a quattro tempi. La sovralimentazione FIGURA 1 Ciclo indicato di un motore a c.i. a quattro tempi sovralimentato. p L espressione (16) relativa alla potenza effettiva erogata da un motore a c.i. alternativo a quattro tempi, ovvero: P ut h ut r c r aria H inf V n a suggerisce che è possibile aversi un incremento di potenza aumentando, ad esempio, la cilindrata V (ma ciò comporterebbe anche un aumento del peso) o la velocità di rotazione a regime n (con conseguente aumento delle sollecitazioni cui sarebbe soggetto il motore stesso) mantenendo invariati i restanti parametri. Nei motori a quattro tempi specie in quelli ad accensione per compressione è invece molto diffusa la sovralimentazione, ovvero un sistema che consente di immettere nel cilindro una massa di fluido superiore a quella che il motore potrebbe aspirare in condizioni normali. La sovralimentazione viene realizzata aumentando la pressione del fluido di alimentazione (aria o miscela aria combustibile, a seconda del tipo di motore) mediante un compressore (generalmente del tipo radiale monostadio) a sua volta azionato da una turbina a gas di scarico (il gruppo turbina compressore, se è realizzato in un unico blocco, prende il nome di «turbocompressore»). Frequentemente tra la mandata del compressore e l ingresso nei cilindri è inserito uno scambiatore di calore («interrefrigeratore») avente lo scopo di raffreddare il fluido prima che esso affluisca nei cilindri, accrescendone così il valore della massa volumica e quindi, per la (16), determinando un ulteriore aumento della potenza erogata dal motore. Per effetto della sovralimentazione, il ciclo di pompaggio, caratteristico dei motori a quattro tempi aspirati e che dava origine a un lavoro negativo in quanto veniva percorso in senso antiorario, viene ora sostituito da un ciclo percorso in senso orario. Infatti la pressione del fluido alla mandata del compressore (p mand ) risulta superiore alla pressione dei gas di scarico (p scar ) (Figura 1). Tale ciclo quindi apporta un ulteriore lavoro positivo che si va a sommare al lavoro utile del ciclo usuale. (16) p mand p scar p atm V 4 MALAGUTI-ZANON - IL NUOVO PRINCIPI DI MECCANICA E MACCHINE A FLUIDO - CAPPELLI EDITORE

5 Il motore Wankel è un motore ad accensione comandata composto da un rotore prismatico a base triangolare equilatera con i vertici arrotondati e i lati lievemente convessi, che si muove, con un particolare moto orbitante, all interno di uno statore (o carcassa). Durante tale movimento i vertici del rotore restano sempre aderenti alle pareti interne dello statore. Quest ultimo ha una forma che ricorda un ellisse schiacciata, con due rientranze agli estremi dell asse minore (si tratta in realtà di una epitrocoide a due lobi). Il rotore sostituisce lo stantuffo dei motori alternativi; lo statore prende il posto del cilindro. Sulle pareti laterali della carcassa sono praticate sia le luci per l aspirazione della miscela (proveniente da un carburatore) sia quelle per lo scarico dei gas combusti. Girando all interno dello statore, il rotore forma contemporaneamente tre camere il cui volume varia periodicamente; all interno di ciascuna di esse si compie un ciclo analogo a quello dei motori a c.i. alternativi a benzina a quattro tempi. Pertanto a ogni giro del rotore, cui corrispondono due giri dell albero motore, vengono realizzati tre cicli sfalsati tra loro di 120. FIGURA 2 Schema del funzionamento del motore Wankel. Ogni ciclo si compone di: una fase di aspirazione, durante la quale il volume della camera comunicante con il condotto di aspirazione inizia ad aumentare, determinando in tal modo una depressione che richiama la miscela fresca all interno della carcassa; una fase di compressione, nella quale il rotore, proseguendo nel suo movimento rotatorio, provoca una riduzione del volume compreso tra il suo fianco e la parete dello statore; la camera di lavoro ora non è più in comunicazione con il condotto di aspirazione e la miscela precedentemente aspirata viene così compressa; poco prima che si sia raggiunta la massima compressione, si ha l accensione della carica; dato che la camera di combustione ha ora assunto una forma sottile e allungata, di solito si utilizzano due candele e, in certi motori Wankel, la scintilla della seconda candela scocca qualche istante dopo quella della prima, in modo da garantire la uniforme e completa combustione della miscela; il rotore, sotto la spinta dovuta all espansione dei gas, è forzato a proseguire il suo moto rotatorio: durante questa fase (fase «di espansione») la camera di lavoro aumenta il suo volume; MALAGUTI-ZANON - IL NUOVO PRINCIPI DI MECCANICA E MACCHINE A FLUIDO - CAPPELLI EDITORE 5

6 non appena il rotore scopre, nel suo movimento, la luce di scarico, i gas fuoriescono dallo statore dapprima spontaneamente (fase di «scarico spontaneo») e successivamente, riducendosi il volume della camera di lavoro, sospinti dal rotore stesso (è la fase di «scarico forzato») (Figura 2). FIGURA 3 Motore Wankel. I vantaggi offerti dal motore Wankel rispetto a un motore alternativo a quattro tempi sono: l assenza delle valvole (come nei motori alternativi a due tempi) e quindi del relativo sistema di comando della distribuzione; minore ingombro; minore peso complessivo; maggiore dolcezza di funzionamento; assenza pressoché totale di vibrazioni, specie nella versione a due rotori sfalsati di 180 con contrappesi. erogazione, a parità di cilindrata, di una potenza maggiore. Di contro il motore Wankel presenta i seguenti inconvenienti: necessità di un efficace impianto di raffreddamento, dato l elevato rapporto superficie/ volume della camera di combustione; difficoltà nella realizzazione di tenute efficaci tra gli spigoli del rotore e le pareti della carcassa; difficoltà di ottenimento di una combustione completa e conseguente aumento sia dei consumi sia delle emissioni di gas non combusti. (Per ovviare almeno in parte a quest ultimo inconveniente, sul fianco del rotore è ricavata una cavità a sezione trapezoidale che serve a facilitare la propagazione della combustione stessa). Per le sue caratteristiche, il motore Wankel (Figura 3) ha trovato impiego soprattutto per la sua leggerezza e il suo ingombro limitato nel campo dei motori aeronautici, delle automobili sportive e da competizione, nonché nel settore militare (costruzione di carri armati). 6 MALAGUTI-ZANON - IL NUOVO PRINCIPI DI MECCANICA E MACCHINE A FLUIDO - CAPPELLI EDITORE