Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità

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1 Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità Storicamente nascono dopo le macchine alternative a vapore (seconda metà del XIX secolo) ma hanno avuto larghissimo sviluppo e conseguente diffusione in questo secolo in molti settori quali la trazione terrestre, la propulsione navale la produzione di energia elettrica. I motori a combustione interna alternativi funzionano secondo i principi cinematici e di trasferimento di lavoro della macchine volumetriche alternative che utilizzano il meccanismo biella-manovella

2 Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità Caratteristiche peculiari di tali motori sono la notevole varietà di potenze che possono essere ottenute (da qualche centinaio di Watt a circa 4 MW per cilindro) e l ampia gamma di velocità di rotazione (da ad oltre giri al minuto) Il motore a combustione interna è un motore primo costituito da uno o più cilindri dentro i quali scorrono a tenuta i pistoni collegati mediante altrettanti meccanismi biella-manovella ad un albero motore comune in modo da trasformarne il moto rettilineo in moto rotativo dell'albero stesso. I cilindri vengono riempiti ciclicamente da una carica di fluido fresco mediante un opportuno sistema di valvole controllate o di luci.

3 Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità Il fluido immesso nei cilindri è costituito da una miscela di aria e combustibile oppure di sola aria alla quale viene successivamente aggiunto combustibile. La combustione del combustibile determina un notevole aumento della temperatura e della pressione del fluido motore permettendo allo stesso di compiere un ciclo termodinamico con conseguente cessione di lavoro ai pistoni

4 Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità Classificazione dei motori a combustione interna: motori ad accensione comandata (a benzina) nei quali avviene all interno del cilindro la combustione di una miscela tra aria e combustibile già formata motori ad accensione per compressione (a gasolio) per i quali la combustione interessa una miscela che viene direttamente formata nella camera di combustione. In qualsiasi tipo di motore alternativo a combustione interna si succedono sempre nello stesso ordine le seguenti fasi di funzionamento: fase di introduzione: la carica di aria ed eventualmente combustile viene introdotta (per sola aspirazione naturale o utilizzando un compressore) fase di compressione: la miscela introdotta viene compressa dal moto del pistone fino ad un valore funzione di p o e del rapporto volumetrico di compressione ρ

5 Motori Alternativi a Combustione Interna Generalità fase di combustione ed espansione: a seguito dell evoluzione del processo di combustione la pressione si innalza nel cilindro fase di scarico: i gas combusti vengono scaricati dal cilindro in modo da favorire il ricambio della carica. Di tutte queste fasi solo quella di combustione-espansione è una fase attiva cui è associato uno scambio di lavoro positivo mentre tutte le altre sono fasi passive. Il ciclo termodinamico nei motori a combustione interna si effettua solitamente in uno o due giri dell'albero motore cui corrispondono due o quattro corse del pistone da qui si deriva l ulteriore classificazione in motori a due tempi, motori a quattro tempi.

6 Motori a quattro e a due tempi

7 Ciclo Otto (o Beau de Rochas) L id = L 3-4 -L 1-2 = area 1234 Motori a combustione interna: Cicli di riferimento η idotto = 1-1 / ρk Compressione adiabatica reversibile 2-3 Adduzione di calore (Q 1 ) a volume costante 3-4 Espansione adiabatica reversibile 4-1 Sottrazione di calore (Q 2 ) a volume costante

8 Motori a combustione interna: Cicli di riferimento Ciclo Diesel: 1 η iddiesel = 1 ρ k b k 1 k 1 ( b 1) 1-2 Compressione adiabatica reversibile 2-3 Adduzione di calore a pressione costante 3-4 Espansione adiabatica reversibile 4-1 Sottrazione di calore a volume costante

9 Confronto tra i cicli a parità di alcuni parametri fondamentali Confronto a parità di ρ e Q 1 Il calore Q 2 risulta maggiore nel ciclo Diesel rispetto al ciclo Otto e si verifica, quindi, che: η idotto > η iddiesel Confronto a parità di Q 1 e di P max In questo caso, si può facilmente constatare che il calore sottratto Q 2 riferito al ciclo Diesel è inferiore a quello sottratto dal ciclo Otto per cui, essendo L = Q 1 - Q 2 risulta: η iddiesel > η idotto

10 Confronto tra i cicli a parità di alcuni parametri fondamentali Confronto a parità di lavoro utile L id ed a parità di P max Essendo L id uguale in entrambi i casi ed esprimendo il rendimento con la relazione: η id = L id / ( L id + Q id) si può constatare che il calore sottratto nel ciclo Diesel (Q 2 ) è, in questo caso, inferiore a quello sottratto nel ciclo Otto, per cui si ha: η iddiesel > η idotto Confronto a parità di temperatura e pressione massime In tale caso risulta evidente che il calore sottratto Q 2 è il medesimo in entrambi i casi mentre la quantità di calore addotta Q 1 è maggiore nel ciclo Diesel. Ricordando che: η id = Q 1 -Q 2/Q 1 = 1 - Q 2/Q 1, risulta η iddiesel > η idotto

11 Manovellismo e proprietà geometriche dei motori a combustione interna Rapporto di compressione ρ = V +V spazzato V morto morto Legge di spostamento del pistone s = 1 2 ( ρ 1) l a + 1 cosϑ l a 2 2 sin ϑ 1/ 2

12 Ciclo Reale di Funzionamento Motore ad accensione comandata 4T

13 Ciclo Reale motore Diesel 4T

14 Ciclo Reale Motore Diesel 2T

15 Carburatore: formazione avviene in modo dinamico a causa della depressione provocata da un tubo di Venturi Motori a c.i. ad accensione comandata Formazione della miscela Iniezione elettronica la formazione della miscela combustibile è affidata ad un sistema elettronico che in relazione ad un notevole numero di informazioni che derivano dai sensori montati sul motore è in grado di determinare il quantitativo di combustibile da iniettare

16 Motori Diesel: formazione della miscela Motori ad iniezione diretta: il combustile viene iniettato ad alta pressione direttamente all interno della camera di combustione dove si forma la miscela aria-combustibile Motori ad iniezione indiretta: la formazione della miscela combustibile avviene all interno di una precamera dove viene iniettato il combustibile. In tale precamera avviene un iniziale processo di combustione che innalzando la pressione della camera provoca la fuoriuscita del rimanente combustibile e la sua miscelazione con l aria contenuta nella camera di combustione principale

17 Sistema di iniezione elettronica ad alta pressione common rail Motori Diesel: formazione della miscela

18 Sistema di iniezione elettronica ad alta pressione common rail Motori Diesel: formazione della miscela

19 Bilancio Energetico

20 Motori a combustione interna calcolo della potenza Potenza di un impianto motore termico: g m c H i P η & = i g s g v g i v cilindrata a g i v cilindrata a cilindrata a v a a a c H c H i V C N C C P H N i V P i V m N m m m m η λ η η ε α λ ρ π π ω η ε α λ ρ ρ λ ε α / = = = = = = = = & & &

21 Motori a combustione interna i parametri indicati Lavoro indicato L i pdv pressione media indicata Potenza indicata P = pmi = V pressione media effettiva pme = cilindrata pads ( ϑ) pmi = L i / V cilindrata i P 60 ε n V n / 60 / ε 1 cilindrata i Pressione [bar] legame tra pme e pmi pme = pmi η meccanico V morto X axis title V morto +V cilindrata

22 Curva Caratteristica

23 Motori ad accensione comandata le emissioni Principali emissioni dei motori a combustione interna ad accensione comandata sono: ossidi di azoto; monossido di carbonio idrocarburi incombusti. Le prestazioni del motore così come i livelli di emissione di tali sostanze sono funzione (tra gli altri parametri) del rapporto aria combustibile Nel corso degli anni sono cambiate le strategie di controllo di tale grandezza dalla quale dipendono in modo sensibile sia le prestazioni che i consumi e le emissioni Allo stato attuale la presenza dei convertitori catalitici richiede una regolazione con λ=1

24 Motori ad accensione comandata i processi di formazione delle emissioni inquinanti Monossido di carbonio deriva dalla parziale combustione della miscela provocata da un difetto di ossigeno e/o dallo spegnimento della fiamma Idrocarburi incombusti: vengono formati a seguito della sottrazione di porzioni di miscela fresca al processo di combustione Ossidi di azoto principalmente di tipo termico. Si formano per reazione tra l ossigeno e l azoto molecolare nella zona ad alta temperatura occupata dai gas combusti

25 Motori ad accensione comandata gli ossidi di azoto Il processo di formazione degli ossidi di azoto è influenzato dalla temperatura e dalla presenza di ossigeno L altra grandezza di influenza fondamentale è il tempo: i valori di concentrazione che si osservano sono superiori a quelli corrispondenti all equilibrio termodinamico Sequenza di processi durante il processo di combustione

26 Motori ad accensione comandata gli idrocarburi incombusti

27 Motori ad accensione comandata gli idrocarburi incombusti

28 Motori ad accensione per compressione processi di formazione delle emissioni inquinanti

29 Motori a combustione interna sistemi di abbattimento delle emissioni Motori ad accensione comandata: la necessità di contenere il livello di emissioni ha richiesto una sostanziale modifica delle caratteristiche del motore e l adozione generalizzata dei convertitori catalitici. I convertitori catalitici sono dei reattori chimici sulle cui pareti sono depositate sostanza catalizzatrici delle reazioni di ossidazione e di riduzione (Pt, Pa, Rd) Per gli ossidi di azoto si usa talvolta la ricircolazione dei gas di scarico (EGR) Motori ad accensione per compressione: per questi motori si adottano più elevate pressione di iniezione (particolato) e ricircolazione dei gas di scarico (NOx). In alcuni casi si sono utilizzati convertitori catalitici ossidanti per trattare parzialmente il particolato.

30 Confronto tra ciclo reale e ciclo ideale, Motore ad Accensione Comandata

31 Ciclo indicato

32 Fasatura

33 Confronto tra Ciclo ideale e reale motore ad accensione per compressione

34 Schema sistema di iniezione