Introduzione ai Motori a Combustione Interna - MCI

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1 Introduzione ai Motori a Combustione Interna - MCI I MCI sono degli impianti motori termici volumetrici che operano in modo ciclico pulsante e non a flusso continuo. Nei MCI il ciclo termodinamico che trasforma il calore in lavoro, avviene all interno di un singolo apparato meccanico: il motore. I MCI sono pertanto considerati delle macchine volumetriche nel senso tradizionale del termine. Lo scambio termico avviene tramite una combustione che si sviluppa internamente al motore pertanto deve essere previsto il ricambio della carica che non può avvenire in modo continuo come nelle TG. Il combustibile è formata generalmente da una miscela di idrocarburi e aria che determina nei gas di scarico la presenza di incombusti quali CO e HC e ossidi di azoto che sono i motivi che hanno determinato il recente sviluppo dei MCI. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 1

2 Classificazione dei Motori a Combustione Interna - MCI 1. ciclo di riferimento - MCI a ciclo Otto e a ciclo Diesel; 2. durata del ciclo o numero di corse dell organo mobile (pistone) MCI 2T e 4T; 3. configurazione geometrica o tipo di moto dell organo mobile MCI alternativi e rotativi; 4. modalità di innesco della combustione - MCI ad accensione comandata o ad accensione spontanea; 5. tipo di combustibile impiegato - MCI a benzina, gasolio, metano, GPL, alcool metilico o etilico, etc.; 6. alimentazione dell aria - MCI aspirati e sovralimentati; 7. alimentazione del combustibile - MCI a carburazione e ad iniezione, diretta o indiretta; 8. regolazione del carico - per variazione della quantità o della qualità della miscela introdotta; Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 2

3 Classificazione dei Motori a Combustione Interna - MCI Non tutte queste differenziazioni hanno la stessa importanza e diverse sono legate tra loro e non possono essere considerate indipendenti. La classificazione classica basata sul tipo di combustione, che considera motori a ciclo Diesel e a ciclo Otto non è più attuale vista la velocità dei motori odierni. I nuovi motori infatti non seguono i cicli ideali su cui si basa questa classificazione ma è comunque interessante fare un analisi abbastanza dettagliata dei cicli di riferimento. Fanno eccezione i grossi motori Diesel lenti per impiego navale che seguono abbastanza fedelmente il ciclo Diesel. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 3

4 Configurazioni dei Motori a Combustione Interna - MCI Motore rotativo Wankel. Motore alternativo 4T Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 4

5 Cicli Termodinamici dei MCI Ciclo Lenoir senza compressione (1800) η=4% Ciclo Atkinson compressione isoentropica Ciclo Beau de Rochas Otto scarico a v=cost. Rendimento massimo per trasferimenti di calore a temperatura costante come nel ciclo di Carnot. Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 5

6 Ciclo di Carnot Ciclo di Carnot è composto da due isoentropiche e da due isoterme. Le trasformazioni di compressione e di espansione vengono effettuate in parte a temperatura costante e in parte senza scambio termico con l esterno e pertanto dovrebbero essere eseguite in cilindri dedicati con un manovellismo pluricilindrico abbastanza complesso. Per ottenere gli elevati rendimenti promessi dal ciclo di Carnot è necessario lavorare a pressioni molto alte con sollecitazioni meccaniche e termiche difficilmente sopportabili. Ciclo di Carnot Ciclo di Carnot ipotizzato da Diesel Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 6

7 Cicli Termodinamici di riferimento dei MCI Dipartimento di Ingegneria Meccanica - Università degli Studi di Cagliari 7

8 Rendimenti termodinamici 1 η = 1-1 -r k-1 c k πτ -1 π -1 + kπ ( τ 1) V V + V 1 cc 3 r c = = π = τ = V2 Vcc p2 p V V 3s 3' η = 1-1 k r c Beau de Rochas - Otto η = r k-1 c τ k k - 1 ( τ 1) Diesel 8

9 Indice d aria λ = α α st m = m a at Motori sovralimentati (O s ) campo compreso tra r c = 7 con r S = 1.8 r c = 9 con r S = 1. 4 Motori aspirati (O a ) 9< r c <11. Motori Diesel p max fino a circa 200 bar nei grossi motori navali, r S =3-3.5 e r c =12-15 (campo D1). Motori per autocarri e trasporto pesante con p max superiori ai 180 bar con r c =16-18 (campo D2). Motori automobilistici con p max =160 bar, rs = 1.9 e r c = (campo D3) MACCHINE A FLUIDO 2 Rendimenti termodinamici 9

10 Combustione La combustione è un fenomeno di rapida ossidazione degli atomi di carbonio e idrogeno con l ossigeno dell aria. Il fenomeno richiede che il combustibile sia in forma gassosa e si trovi finemente disperso nell aria a formare una miscela con un opportuno rapporto aria combustibile. La combustione può essere attivata portando tutta la miscela o una parte di essa alla giusta temperatura. La rottura della molecola del combustibile con la liberazione dei legami carbonio idrogeno che vengono gradualmente occupati dall ossigeno porta ad un ritardo di tipo chimico che per la singola molecola può essere trascurabile e la combustione considerata pressoché istantanea. Accensione comandata Combustione della miscela è attivata da una scintilla o un punto caldo che si propaga per fronte di fiamma 10

11 Accensione Comandata Miscela povera: combustione in eccesso d aria, migliore rendimento; Miscela stechiometrica: combustione ideale Miscela ricca: combustione in difetto d aria condizioni di potenza massima. Combustione progressiva ma non a v = cost. α = m m a c Rapporto aria/combustibile αst Φ = Rapporto di equivalenza α α è compreso fra 10 e 18 in base alle condizioni di funzionamento ovvero 0.8 < Φ < 1.4 L avanzamento del fronte di fiamma determina una combustione graduale che richiede qualche ms pari a circa 60 dell angolo di manovella. 11

12 Accensione Spontanea L energia di attivazione è dovuta alle elevate pressioni e temperature raggiunte, generalmente aumentando il rapporto di compressione. Tutti i combustibili in opportune condizioni di temperatura e pressione possono autoaccendersi. La rottura delle molecole di combustibile inizia a temperature relativamente basse dando origine alle prime reazioni di formazione di composti instabili parzialmente ossigenati che costituiscono le cosiddette reazioni di prefiamma. Questo processo è esotermico e innesca quindi una reazione a catena che provoca presto la generazione di fiamma e quindi la combustione. Il processo non è però istantaneo e richiede un tempo caratteristico di ogni combustibile che prende il nome di tempo di incubazione. Nei motori Diesel il combustibile viene iniettato direttamente in camera di combustione quando sono state raggiunte le condizioni di autoaccensione. Il combustibile, iniettato liquido, è finemente polverizzato in modo da vaporizzare velocemente a formare una miscela combustibile. Solo in presenza di una miscela combustibile in fase gassosa possono iniziare le reazioni di prefiamma. Si hanno quindi due tempi di ritardo della combustione, uno di tipo fisico e uno di tipo chimico. 12

13 Accensione Spontanea Appena le prime molecole si autoaccendono si creano migliaia di inneschi che provocano la combustione pressoché istantanea del combustibile già premiscelato e vaporizzato, paragonabile quindi a una combustione a volume costante. Questo tipo di combustione avviene a carica disomogenea, o stratificata, perché si creano delle zone che contengono poco combustibile e molta aria e altre in cui la miscela è più ricca. Il combustibile iniettato successivamente deve dapprima vaporizzare e diffondersi nell aria per miscelarsi con essa e sono richieste particolari turbolenze per far proseguire la combustione. Questa seconda parte della combustione non avviene più per autoaccensione ma per contatto con la fiamma dopo la formazione della miscela. Si tratta quindi di una combustione più lenta che può essere considerata a pressione pressoché costante e che prende il nome di combustione diffusiva. 13

14 Accensione Spontanea Diesel veloci giri/min le fasi a volume costante e pressione costante sono nettamente separati ed evidenziabili per cui il processo è ben rappresentato con il ciclo Sabathé. Diesel lenti giri/min la percentuale di combustibile interessato dalla fase a volume costante è trascurabile rispetto al combustibile totale per cui la combustione è pressoché di tipo diffusivo (a p=cost.) e il processo è ben rappresentato con il ciclo Diesel. CLASSIFICAZIONE SECONDO LA MODALITÀ DI COMBUSTIONE Motori ad accensione comandata o a candela (Spark Ignition) Motori ad accensione spontanea o per compressione (Compression Ignition) 14

15 Motori ad Accensione Comandata - MAC Un angolo caratteristico della combustione è quello corrispondente al 50% del combustibile bruciato, il CA50 (Crank Angle 50), che viene preso come indice della gradualità della combustione o della rudezza di funzionamento quando il valore scende sotto i 20. Combustione progressiva: la pressione aumenta fino ad un massimo a circa metà dell angolo di combustione e poi decresce. In assenza di combustione (motore trascinato), la pressione ha il classico andamento a campana. La combustione comporta l aumento della pressione subito dopo l angolo di anticipo dell accensione ϑ aa. La combustione non può iniziare immediatamente dopo lo scoccare della scintilla perché l energia messa a disposizione viene utilizzata per attivare le reazioni di pre-fiamma per cui la pressione cresce dopo un piccolo ritardo dovuto al tempo di incubazione τ necessario per lo sviluppo della fiamma. 15

16 Motori ad Accensione Comandata - MAC L inizio della combustione viene posto in corrispondenza di una quantità di combustibile bruciato pari a 1-3%, mentre il raggiungimento del 97-99% individua la fine della combustione. La curva a S (curva di Viebe) rappresenta la frazione di combustibile bruciato mentre la curva a campana rappresenta l andamento del gradiente della stessa grandezza. La pressione massima in condizioni di piena apertura è circa due o tre volte quella di fine compressione e dipende da r c, che nel caso di sola aria è dell ordine dei bar mentre si arriva a valori inferiori a carico parziale. Curva di Viebe 16

17 Motori ad Accensione Comandata - MAC Effetto dell angolo di anticipo di accensione Piccoli angoli di anticipo comporta una sensibile riduzione della pressione massima e un suo marcato spostamento verso destra. All aumentare dell anticipo la pressione massima si sposta verso il PMS e aumenta di valore: cresce sensibilmente sia il lavoro utile che le sollecitazioni termiche del motore. Le condizioni ottimali si raggiungono quando il picco di pressione si presenta a circa dopo il PMS. In realtà le condizioni limite si raggiungono per angoli di anticipo ancora più grandi ma il funzionamento può diventare irregolare. 17

18 MAC Anomalie di funzionamento: LA DISPERSIONE CICLICA La combustione è un fenomeno molto aleatorio sia per la fase di avviamento che il successivo sviluppo. Questo determina una variabilità molto marcata: fenomeno della cosiddetta dispersione ciclica. Per ottenere una forma di ciclo stabile occorre fare una media di diverse decine di cicli successivi. Questo fenomeno condiziona fortemente la scelta dell angolo di anticipo ottimale. Si deve tener conto: delle condizioni di massimo per la coppia motrice e il rendimento evitare l insorgere della detonazione della velocità di rotazione del fattore di eccesso d aria. V + Vcc rc = V cc 18

19 MAC Anomalie di funzionamento: LA DETONAZIONE La detonazione si verifica per rapporti di compressione elevati; è una combustione violenta per autoaccensione di una porzione di miscela non ancora raggiunta dal fronte di fiamma (end gas). A causa delle elevate temperature e delle onde d urto che viaggiano all interno della camera di combustione il velo d olio di lubrificazione si distrugge e aumentano le sollecitazioni termiche e meccaniche. Le onde d urto sono rilevabili nel diagramma indicato sotto forma di forti oscillazioni della pressione ad alta frequenza. Un funzionamento prolungato in queste condizioni porta rapidamente alla distruzione del motore con fusioni del pistone e/o grippaggio. 19

20 MAC Anomalie di funzionamento: LA DETONAZIONE Il fenomeno è legato sostanzialmente al ritardo all autoaccensione del combustibile nelle zone più distanti dal fronte di fiamma e dipende da diversi fattori: Tipo di combustibile, ovvero la sua resistenza alla detonazione (Numero di Ottano NO). Tutti i parametri che aumentano il carico termico del motore, allungano il percorso del fronte di fiamma o ne rallentano la velocità di avanzamento. CARICO TERMICO DEL MOTORE Rapporto di compressione alto che comporta elevate pressioni e temperature di fine compressione; Carichi elevati del motore e pressioni di picco più elevate; Elevata temperatura della carica fresca in ingresso; Insufficiente raffreddamento delle pareti del motore. AVANZAMENTO DEL FRONTE DI FIAMMA Basse velocità di rotazione, con aumento del tempo di combustione; Forma sfavorevole della camera di combustione (poco compatta) o posizione sfavorevole della candela, che allungano il percorso del fronte di fiamma; 20

21 MAC Anomalie di funzionamento: LA PREACCENSIONE Il lavoro utile tende ad annullarsi e il motore manifesta un rumore sordo caratteristico noto come ROMBO. Le sollecitazioni termiche sono molto elevate e possono provocare gravi danni al motore per cui è necessario diminuire immediatamente il carico del motore. La combustione viene innescata prima dello scoccare della scintilla da un punto caldo (punti particolarmente sollecitati termicamente - depositi carboniosi). Gli effetti sono gli stessi di una accensione troppo anticipata che può portare in breve tempo alla detonazione. Il fenomeno è generalmente sporadico, intermittente, intervallato da periodi di combustione normale. Altre volte la preaccensione è provocata da punti caldi stabili come parti della candela o della testa delle valvole eccessivamente caldi. In questo caso il fenomeno si autoalimenta stabilizzandosi fino a raggiungere valori di angolo di innesco e di pressioni massime molto elevati. 21

22 MAC La regolazione nei motori a carica omogenea La regolazione nei MAC viene effettuata tramite la valvola a farfalla che regola la quantità` di miscela in aspirazione. La valvola a farfalla rappresenta una grossa penalizzazione per i MAC perché nel funzionamento a carico parziale introduce elevate perdite di pompaggio che incidono direttamente sul rendimento. La forte depressione che si instaura nel condotto di aspirazione porta anche ad una pressione di fine compressione variabile al variare del carico e incide direttamente sulla forma del diagramma indicato. 22

23 Caratteristiche dei motori ad accensione per compressione - DIESEL Anche nei motori Diesel il diagramma delle pressioni in assenza di combustibile è il solito diagramma a campana. In presenza della combustione il ciclo è molto diverso per i motori veloci, usati nel trasporto pesante, quelli a media velocità (medium speed) usati in campo navale i grossi motori lenti dell impiego navale. Nel caso dei motori veloci il combustibile inizia ad entrare in camera di combustione in corrispondenza dell angolo di anticipo dell iniezione (ϑ ai ) ma non può autoaccendersi immediatamente. Il ritardo all autoaccensione τ può essere suddiviso in due tempi: un ritardo fisico τ f per la vaporizzazione della miscela, Un ritardo chimico τ c durante il quale avvengono le reazioni di pre-fiamma. 23

24 Caratteristiche dei motori ad accensione per compressione - DIESEL COMBUSTIONE PREMISCELATA Combustione molto veloce, pressoché a volume costante della maggior parte del combustibile entrato durante il tempo di incubazione, che è vaporizzato e si è miscelato con l aria. Curva di Viebe COMBUSTIONE CONTINUA DIFFUSIVA durante la corsa di discesa del pistone con una variazione di pressione più contenuta o all incirca costante. 24

25 Caratteristiche dei motori ad accensione per compressione - DIESEL Il rapporto tra combustibile che brucia per autoaccensione e quello soggetto a combustione diffusiva è fortemente legato all angolo di anticipo dell iniezione, ϑ ai e al carico del motore. L anticipo dell iniezione incide fortemente sulla forma del diagramma delle pressioni e sulla rudezza di funzionamento del motore. 25

26 Caratteristiche dei motori ad accensione per compressione - DIESEL L autoaccensione richiede temperature e pressioni maggiori di quelle viste per i MAC. Rapporto di compressione tipico di questi motori è r c = 18 Pressioni di fine compressione di circa 60 bar Pressione massima di circa 120 bar, doppi rispetto ai MAC. Il tempo di combustione in questi motori è quindi abbastanza lungo e questo limita le velocità massime ( giri/min). Alto rendimento (circa 40%). Nei motori Diesel lenti invece la combustione è quasi tutta di tipo diffusivo a pressione costante, con valori di fine compressione molto bassi. E facile innalzare questi valori con una sovralimentazione dato che i MD non presentano rischi di detonazione, e l innalzamento della pressione aumenta anche il rendimento (con un notevole aumento dell area utile del ciclo nel piano p - V). Per migliorare la formazione della miscela e la combustione nei motori veloci è indispensabile ricorrere a particolari forme di turbolenza all interno del cilindro. 26

27 Caratteristiche dei motori ad accensione per compressione - DIESEL Motore Diesel con precamera Comet Le turbolenze che vengono solitamente utilizzate sono di due tipi moto di squish, che consiste in un movimento radiale causato dallo schiacciamento dell aria presente ai bordi del cilindro che viene costretta ad entrare nella cavità toroidale ricavata sul cielo del pistone variando la forma dei getti; moto di swirl, ossia il moto rotatorio provocato dalla curvatura dei condotti di aspirazione che provoca l allontanamento della miscela che sta bruciando e porta aria fresca nella zona di iniezione. La regolazione nei motori Diesel avviene regolando la quantità di combustibile tramite l iniettore e non quella dell aria aspirata. Non possiedono la valvola a farfalla e non presentano le perdite all aspirazione nel funzionamento a carico parziale. 27

28 Caratteristiche dei motori a 2T e 4T Il funzionamento continuo del motore con l esecuzione ripetitiva del corrispondente ciclo termodinamico comporta l inquinamento del fluido evolvente e la necessità di un suo ricambio. fase di espulsione dei gas combusti e di lavaggio del cilindro seguite dall introduzione di nuova carica fresca (ciclo freddo); fase di espansione e compressione (ciclo caldo). Cicli in sequenza con funzioni separate (MCI 4T) Ciclo freddo sovrapposto parzialmente al ciclo caldo nella fase finale dell espansione e quella iniziale della compressione (MCI 2T). I MCI 4T richiedono quattro corse del pistone per un ciclo completo con una sola fase utile e una potenza disponibile pari alla metà di quella che si potrebbe produrre senza la presenza del ciclo freddo. I MCI 2T richiedono due corse del pistone per un ciclo completo. Il ricambio della carica avviene durante la fase di scarico in prossimità del PMI e il processo di lavaggio deve avvenire ad una pressione in grado di vincere quella residua dei gas di scarico. La contemporaneità delle fasi di lavaggio e scarico comporta: un sensibile inquinamento della carica fresca, caduta delle prestazioni e nei MCI a carica omogenea, il peggioramento delle emissioni inquinanti. La potenza ottenibile a parità di cilindrata è maggiore rispetto a quella dei MCI 4T ma non è mai doppia come ci si potrebbe aspettare. 28

29 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 4T Un sistema di distribuzione comanda le valvole che separano il ciclo termodinamico caldo da quello freddo di ricambio della carica Le valvole isolano il cilindro dall esterno durante il ciclo caldo (compressione ed espansione) e lo mettono in comunicazione con l ambiente durante il ciclo freddo (scarico e aspirazione). Le valvole a fungo rappresentano a tutt oggi il miglior compromesso tra gli aspetti positivi e quelli negativi. Le valvole sono comandate tramite un albero di distribuzione che ruota a velocità dimezzata rispetto all albero motore. Il sistema di comando delle valvole è costituito da un albero a camme che comanda direttamente la fase di apertura mentre la chiusura avviene con l utilizzo di molle che permettono di seguire la legge del moto associata alla forma delle camme. L albero a camme può essere disposto a fianco dell albero motore e il moto viene trasferito alle valvole tramite un sistema di aste e bilancieri, oppure può essere posizionato in prossimità della testata e comanda direttamente le valvole. 29

30 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 4T L angolo di AAS si trova in prossimità del PMI quando il pistone si muove lentamente e le pressioni sono già abbastanza basse, quindi la perdita del lavoro di espansione è molto piccola rispetto al lavoro risparmiato durante lo scarico forzato. La chiusura della valvola di scarico generalmente non avviene in corrispondenza del PMS ma può essere effettuata in ritardo in modo da ridurre quanto più possibile i fumi residui in camera di combustione. L apertura e la chiusura delle valvole non può essere istantanea, perché il sistema reale (massa-molla) necessita di un certo tempo per l apertura e la chiusura. Non si possono realizzare movimenti troppo rapidi perché si raggiungono condizioni di risonanza (sfarfallamento) a fine chiusura della valvola. Occorre anticipare l apertura e ritardare la chiusura delle valvole per massimizzare l area di passaggio durante le fasi di aspirazione e scarico. L apertura anticipata della valvola di scarico penalizza la fase finale dell espansione ma permette di risparmiare lavoro durante la successiva fase di espulsione dei gas di scarico. 30

31 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 4T Il ritardo alla chiusura della valvola di aspirazione (RCA) tiene conto del ritardo dovuto all inerzia dei gas aspirati rispetto al moto del pistone. Pertanto quando il pistone si trova al PMI nel condotto di aspirazione sono presenti gas ancora in movimento verso la valvola ed è opportuno tenere aperta la stessa per completare il riempimento del cilindro Anche la valvola di aspirazione andrà aperta con un certo anticipo rispetto al PMS (AAA) e chiusa in ritardo rispetto al PMI (RCA). Al PMS, durante il cosiddetto angolo di incrocio ϑ i, le due valvole risultano entrambe aperte e questo fatto aumenta il rischio di inquinamento della carica fresca da parte dei gas di scarico. In realtà l inerzia dei fumi che viaggiano verso il condotto di scarico e l area di passaggio molto ristretta in questa fase, rendono difficile il cambio di direzione dei gas di scarico verso l aspirazione. In questo modo si sfruttano anche i fenomeni dinamici all interno del condotto di aspirazione per far sì che la pressione al momento dell apertura della valvola sia maggiore rispetto a quella esistente nel cilindro. 31

32 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 4T Le precedenti considerazioni sono valide a pieno carico e alle alte velocità ma vengono meno quando le velocità si abbassano perché l inerzia del fluido non riesce più a vincere le pressioni statiche all interno del cilindro. Il RCA determina il fenomeno del riflusso di una parte della carica aspirata con uno scadimento sensibile delle prestazioni soprattutto per il cattivo riempimento del cilindro che limita la carica bruciata. L angolo di incrocio comporta i seguenti effetti negativi non trascurabili: Alle basse velocità, i gas di scarico possono passare all aspirazione a seguito della pressione statica esistente nel cilindro e la situazione peggiora ulteriormente nel caso di carico parzializzato a causa della valvola a farfalla che crea una forte depressione a monte della valvola di aspirazione. Le conseguenze sono: l inquinamento della carica, il peggioramento della combustione e, nei casi peggiori, anche un principio di combustione all interno del condotto di aspirazione. Alle alte velocità, poiché le valvole di aspirazione e scarico che sono spesso molto vicine, esiste la possibilità che una parte della carica fresca passi direttamente nel condotto di scarico con l abbassamento del rendimento e l aumento dell inquinamento allo scarico. 32

33 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 2T I motori 2T effettuano il ciclo di ricambio della carica in sovrapposizione con la parte a bassa pressione del ciclo termodinamico. La carica fresca deve possedere una pressione superiore a quella esistente nel cilindro che viene ottenuta tramite una opportuna pompa di lavaggio, esterna al motore, nel caso dei grossi 2 tempi per uso navale, oppure ricavata nel basamento (sistema a carterpompa), nel caso dei motori di piccola taglia. Il motore non ha valvole perché presenta delle luci sulle pareti del cilindro che vengono aperte e chiuse dal moto alternato del pistone. Alla fine dell espansione si apre la luce di scarico ed inizia lo scarico e la pressione si abbassa fino ad un valore accettabile per l apertura delle luci di lavaggio. Contemporaneamente la miscela presente nel basamento viene compressa dalla faccia inferiore del pistone e all apertura delle luci di lavaggio la pressione all interno del cilindro è inferiore a quella della miscela fresca presente nel carter. 33

34 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 2T La differenza di densità divide la carica fresca dai fumi tuttavia un minimo di inquinamento della carica è sempre presente. Durante la corsa di salita del pistone le diverse luci di passaggio sono ancora aperte. Grazie all inerzia dei gas il lavaggio può continuare fino alla chiusura delle luci mentre quella di scarico si chiude non appena tutti i fumi sono stati espulsi. Dopo che tutte le luci sono chiuse ha inizio la fase di compressione e l abbassamento contemporaneo della pressione nel carter, e con l apertura della luce di aspirazione, si ha il nuovo riempimento del basamento. Pertanto, mentre sopra il cielo del pistone viene eseguito il ciclo caldo sulla sua faccia inferiore viene eseguito il ciclo freddo. Le leggi di fasatura ottenibili con l aspirazione per terza luce sono di tipo simmetrico ma sono possibili anche fasature asimmetriche, utilizzando valvole di aspirazione di tipo diverso. La maggior parte di questi sistemi prevedono valvole comandate direttamente o indirettamente dall albero motore che aprono delle luci ricavate sul basamento. 34

35 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 2T FASATURA ASIMMETRICA TRAMITE: valvole che prevedono l impiego della manovella per aprire direttamente la luce di aspirazione; valvole a cassetto rotante ottenute forando l albero motore (motori per modellismo) o utilizzando un albero secondario; valvole a disco rotante comandate direttamente dall albero motore o da un alberino ausiliario. Un altro sistema è costituito dall impiego di un banco di lamine vibranti montate sul basamento o in corrispondenza del canale principale di lavaggio. In questo caso l apertura è regolata dalla depressione che si crea nel carter e la fasatura non è fissa, come nei casi precedenti, ma si adatta alle condizioni di funzionamento. E importante però che la frequenza di funzionamento del motore sia abbastanza lontana dalla frequenza naturale del sistema elastico costituito dalle lamine per evitare la risonanza e di conseguenza un funzionamento incontrollato. 35

36 Ricambio della carica fresca (ciclo freddo) - MCI 2T Il rendimento di un motore a 2T a carica omogenea è più basso di quello di un motore a 4T per le seguenti ragioni: inquinamento della carica fresca il sistema di aspirazione e lavaggio può non essere efficace a velocità diverse da quelle di progetto. Per questo motivo l utilizzo di questi motori 2T è di solito limitato ai motocicli o alle piccole macchine agricole, o comunque ad applicazioni in cui la semplicità del motore è più importante di un alto rendimento. Con i sistemi ad iniezione diretta questi inconvenienti non esistono più e il motore a 2T può raggiungere rendimenti anche molto alti. Nel caso dei grossi motori Diesel per impiego navale si raggiungono attualmente rendimenti dell ordine del 55% che rappresentano i massimi valori ottenuti finora dalle macchine termiche. Questi valori sono resi possibili anche dall impiego di sistemi di lavaggio a correnti unidirezionali con rapporti Corsa/Alesaggio elevati (anche fino a 4) che permettono di ottimizzare il lavaggio e di minimizzare le perdite per scarico anticipato. 36

37 Parametri di funzionamento dei MCI I MCI si prestano facilmente alla regolazione e sono quindi impiegati in campi di funzionamento diversi da quelli nominali. Le prestazioni dei MCI possono essere espresse tramite una serie di parametri dipendenti e indipendenti che li legano tra loro con delle relazioni del tipo: y = f (x1, x2,..., xn ) I parametri dipendenti possono essere suddivisi in: Parametri prestazionali: Coppia motrice C Potenza P Pressione media effettiva p me Parametri energetici: Rendimento globale η g Consumo specifico di combustibile C sc Parametri operativi: Portata d aria m a Portata di combustibile m c Parametri ambientali, (le concentrazioni di inquinanti) CO CO2 Nox HC Sox PM 37

38 Parametri di funzionamento dei MCI I parametri indipendenti sono moltissimi. Tra i più importanti ricordiamo: Posizione dell organo regolatore espresso tramite il parametro 0<ξ< 1 numero di giri n rapporto aria-combustibile α Densità del combustibile ρ c Temperatura e densità dell aria T a, ρ a Temperatura del lubrificante e del refrigerante T l, T ref Molti parametri indipendenti non hanno grande influenza sul funzionamento del motore e/o sono bloccati per permettere il suo corretto funzionamento (T l, T ref ). Le variabili ambientali non sono controllabili e quindi si fa riferimento ai valori standard per poi aggiustare i valori con formule di correzione normalizzate. Le proprietà del combustibile non influiscono molto perché i combustibili di normale impiego sono molto standardizzati. Anche α può essere considerato un parametro fissato perché nei MAC deve essere costante a causa della presenza del catalizzatore, mentre nei MD la sua variazione rientra nella variazione di ξ. Pertanto le prestazioni sono funzione di due soli parametri y = f (ξ, n) 38

39 Parametri di funzionamento dei MCI Le curve di prestazione di un motore sembrano, ad un primo esame, essere funzione di solo della posizione dell organo di regolazione. In realtà i parametri rimangono due, ma il numero di giri è fissato dalla curva caratteristica resistente. La funzione di due variabili definisce una superficie di funzionamento. Essendo poco agevole lavorare in 3D di solito si utilizzano curve su un piano mantenendo una delle due variabili costanti, ovvero sezionando la superficie. Le curve così ottenute vengono chiamate Curve caratteristiche meccaniche, quando ξ = cost; Curve caratteristiche di regolazione, quando n = cost. Normalmente le curve disponibili per l utilizzatore sono quelle meccaniche, mentre le curve di regolazione sono mappate all interno della centralina. 39

40 Parametri di funzionamento dei MCI Un altro tipo di piano utilizzabile è quello ottenuto sezionando la superficie a y = cost, ovvero il piano n-ξ. Queste curve sono dette isolivello e costituiscono i cosiddetti piani quotati. Esse, se tracciate sul piano n-ξ, sono poco significative ma è possibile esprimere un legame tra la variabile di interesse y e la ξ, ossia passare dal piano ξ, n al piano y, n. L esempio più importante è quello del piano coppia motrice in funzione del numero di giri. In questo piano, essendo la funzione C= f(ξ) monotona è possibile sostituire alla variabile ξ nei piani isolivello (P,ξ) e (C sc,ξ) la variabile C, per cui è possibile rappresentare oltre alle curve di coppia anche le isopotenza e le isoconsumo specifico, riuscendo ad avere una visione di insieme di tutti i parametri più importanti su un unico piano. In questo piano è anche possibile aggiungere una seconda scala per la pressione media effettiva che è proporzionale alla coppia. 40

41 Analisi delle perdite - Rendimento globale Nel funzionamento di un MCI si ha la trasformazione dell energia chimica del combustibile in lavoro utile. Questa conversione è caratterizzata da un rendimento che è possibile esprimere in vari modi. Partendo dall energia chimica del combustibile E c = m c H i dove Hi è il potere calorifico inferiore dato che i gas di scarico non vengono condensati. Si può definire un rendimento globale come: η g = L u / E c Il rendimento globale di un motore può essere espresso tramite una catena dei rendimenti. Un rendimento termodinamico reale, che tiene conto di tutte le perdite legate alle trasformazioni che subisce il fluido prima di trasmettere la sua energia all elemento mobile. Un rendimento organico, che tiene invece conto delle perdite che si incontrano nel passaggio di questa energia dal pistone fino all albero motore (attriti nei vari accoppiamenti, lavoro assorbito dagli organi ausiliari, etc.) η g = η r η o 41

42 Analisi delle perdite - Rendimento globale Il rendimento reale può essere suddiviso in più rendimenti separando le diverse perdite. un rendimento ideale (ciclo termodinamico percorso da un fluido ideale) un rendimento interno (perdite legate alla realtà del fluido e della macchina) Alternativamente si può considerare un rendimento termodinamico limite (ciclo termodinamico percorso da un fluido reale ma privo di viscosità) un rendimento interno (perdite legate alla realtà della sola macchina) η = η η η = g id η r ' i o η η η Il rendimento reale permette di considerare come ciclo di riferimento un ciclo termodinamico qualunque. Come ciclo di riferimento si può considerare indifferentemente il ciclo Otto, o il ciclo Sabathè, sia per i motori ad accensione comandata che per i motori Diesel. l η r i o 42

43 Analisi delle perdite - Rendimento globale La determinazione del rendimento reale si ottiene anche rilevando sperimentalmente il cosiddetto ciclo indicato mediante un sensore di pressione (indicatore) inserito sulla testata del motore per misurare la pressione all interno del cilindro. In questo modo si può confrontare il ciclo indicato (reale) col ciclo termodinamico di riferimento (ideale o limite). Dal diagramma indicato è infatti possibile ricavare immediatamente il lavoro indicato Lind = p dv = p mi V Dal lavoro indicato si può ricavare successivamente il lavoro utile passando per il rendimento organico, che può essere calcolato tenendo conto di tutte le perdite meccaniche, o sperimentalmente trascinando in rotazione il motore in assenza di combustione. Lu = Lind ηo = pmiηov = p me V 43

44 Analisi delle perdite Consumo specifico Le prestazioni dei MCI possono essere espresse anche con parametri diversi dal rendimento. Il rendimento globale è un rapporto tra energie o tra potenze η g = L m c u H i = Pu m H c i C se mc H = P u i = 1 η g consumo specifico di energia C sc m P c = = consumo specifico u 1 H η i g di combustibile E molto importante tenere conto dei rendimenti nell ordine in cui le trasformazioni avvengono perchè se si riesce a migliorare un rendimento in una trasformazione a monte, mantenendo costanti le perdite nelle trasformazioni successive, si ottiene automaticamente un miglioramento di tutti gli altri rendimenti. 44

45 Analisi delle perdite - Rendimento globale Nella catena di rendimenti si ha prima un rendimento di trasferimento dovuto alle perdite prima dell inizio del ciclo. Qualche volta è presente il rendimento di combustione η b mentre tutto lo scambio termico con l esterno è attribuito genericamente alla realtà della macchina e conglobato nel rendimento interno η i o η i. Qualche volta il rendimento di pompaggio è scorporato e si prendono in considerazione due rendimenti indicati, lordo e netto, (Thermal Efficiency e Gas Exchange Efficiency) insieme ai rendimenti classici di combustione e meccanico (Combustion Efficiency Mechanical Efficiency). η g = ( E ) c E c η cil int r Q b Q 1 id lim ind,pos ( Ec ) Qb Q1 Lid Llim Lind,pos Lind η cil η b ηn.a.c.c. trasf L η id η l L η lim L η η i ind, pos ' η i L η ind pomp L η u o 45

46 Regolazione della potenza La regolazione di un MCI comporta la variazione della potenza in uscita dal sistema in relazione alle esigenze dell utilizzatore (carico stradale variabile), ottenibile modificando la quantità di combustibile introdotta nel motore nell unità di tempo, ovvero l energia potenziale chimica fornita al sistema. Le modalità di regolazione dei MCI ad accensione comandata e di quelli as accensione per compressione sono sostanzialmente differenti e sono in gran parte legate alle caratteristiche dei processi di combustione che si sviluppano dei due casi. La regolazione dei MCI - Diesel avviene per qualità mentre quella dei MAC viene condotta per quantità. La regolazione per qualità Si varia la massa di combustibile iniettata a parità di massa di aria aspirata, si varia quindi il valore medio statistico del rapporto aria-combustibile α. α = m a /m c A velocità di rotazione costante del motore, m a risulta in prima approssimazione costante, non essendo presente la valvola a farfalla. Pertanto, per variare la potenza effettiva, si agisce su m c e il rapporto aria-combustibile α assume valori più elevati a basso carico del motore. La combustione in un MCI Diesel, essendo di tipo diffusivo, consente di operare con valori del rapporto aria/combustibile anche molto superiori del valore stechiometrico (20-100). 46

47 Regolazione della potenza La regolazione per quantità In un MAC il campo di variazione di α è molto più limitato (tipicamente fra circa), anche se in pratica spesso la qualità della miscela è prossima al valore stechiometrico 14.7), a causa delle restrizioni sulle emissioni (marmitta catalitica trivalente). Per regolare la quantità di energia introdotta nel motore, ovvero la portata di combustibile, è necessario variare in misura pressoché proporzionale anche la portata di aria (regolazione per quantità). L obiettivo si raggiunge con una valvola di regolazione nel condotto di aspirazione (valvola a farfalla), a monte della valvola di aspirazione vera e propria, con cui si realizza una perdita di carico controllata e modulabile. Tale perdita di carico riduce la pressione nel collettore di aspirazione e pertanto la densità della carica introdotta nel cilindro, parametro direttamente correlato alla potenza effettiva P del MCI. Il processo di laminazione della pressione ambiente, considerata, in prima approssimazione, isoentalpica (quindi a temperatura pressoché costante del fluido), risulta altamente dissipativo. Una soluzione innovativa per la regolazione dei MAC è costituita dal controllo dell apertura delle valvole di aspirazione (sistemi di tipo VVA, Variable Valve Actuation), agendo sulla fase, sull arco di apertura e sulla legge di alzata delle valvole. Un tale sistema permette di regolare la quantità di carica introdotta nel cilindro senza dover ricorrere alla valvola a farfalla, con indubbi vantaggi in termini di rendimento. 47

48 Curve caratteristiche dei MCI Tra le caratteristiche meccaniche, le curve ottenute in condizioni di piena apertura dell organo di regolazione, dette caratteristiche meccaniche di pieno carico, sono spesso utilizzate come riferimento per confrontare le prestazioni dei MCI. La curva di potenza che si azzera per n=0, viene usualmente rappresentata a partire da un valore minimo di velocità di rotazione (punto B) compatibile con un funzionamento regolare del motore. M = k P / n M è max. quando è max. il rapporto P/n, ovvero quando è max. l angolo α che l asse delle ascisse forma con una qualsiasi semiretta uscente dall origine degli assi e che taglia la curva della potenza. La coppia è max. nel punto M in cui tale semiretta è tangente alla curva di potenza. Al di sopra del punto B, la potenza tende ad aumentare (P dipende linearmente da n) fino a raggiungere un massimo nel (punto A) oltre il quale diminuisce rapidamente fino ad annullarsi per un valore più elevato di n. Tale andamento può essere giustificato tenendo conto che nel primo tratto (B-M) contribuiscono all aumento di P sia l aumento di n che della coppia C. C è sostanzialmente influenzato dall andamento del coefficiente di riempimento, che raggiunge un massimo per un livello definito di n, in funzione del valore dell angolo di chiusura della valvola di aspirazione. 48

49 Curve caratteristiche dei MCI Per velocità di rotazione superiori a ñ la potenza cresce con gradiente minore (tratto M-A) in quanto, aumenta per l incremento di n. pur diminuendo la coppia del motore (riduzione di λ v ). Oltre il punto A la quantità di fluido evolvente per ogni ciclo si riduce più rapidamente di quanto aumenti il numero di cicli nell unità di tempo, per cui, anche a causa della sensibile riduzione del rendimento meccanico del motore, la potenza diminuisce fino ad annullarsi per quella velocità in corrispondenza della quale le perdite meccaniche assorbono completamente il lavoro indicato Il consumo specifico di combustibile è inversamente proporzionale al rendimento globale η g, e nelle condizioni di pieno carico del motore presenta un minimo per regimi prossimi a quelli di coppia massima. A partire dalle condizioni di minimo, al crescere di n i consumi aumentano principalmente per effetto dell incremento delle perdite meccaniche (diminuzione di η m ) ed in minor misura per la tendenza ad arricchire la miscela ad alta velocità di rotazione del motore. Al diminuire di n, invece, si ha un aumento del consumo specifico connesso principalmente all incremento delle perdite per scambio termico. 49

50 La sovralimentazione dei MCI La sovralimentazione di un MCI è definita come precompressione di una parte o di tutta la carica al di fuori del cilindro. La sovralimentazione aumenta la quantità di carica introdotta nel cilindro e quindi la potenza del motore, senza aumentare la velocità di rotazione. P = p me V n 60ε P = ρ a λ v n V 60ε Hi η α Fissata cilindrata V e tipologia di motore (2T o 4T, quindi ε), la sovralimentazione incrementa la potenza del motore attraverso l aumento della densità della carica ρ a ovvero l aumento della p me, entrambi correlati linearmente alla potenza. Con la sovralimentazione aumentano tutti i livelli di pressione all interno del cilindro (diagramma indicato) e quindi p mi e p me. Poiché il processo di compressione comporta l incremento della temperatura del fluido, è evidente che la densità della carica potrà essere incrementata in misura superiore se, a valle del compressore di sovralimentazione, sarà installato uno scambiatore di refrigerazione (intercooler). g 50

51 La sovralimentazione dei MCI I principali vantaggi della sovralimentazione sono: minore ingombro (medesima P con una cilindrata inferiore minore peso; migliore η g per i MCI Diesel turbosovralimentati; minor costo per unità di P; vantaggi in quota; downsizing; emissioni più basse (particolarmente CO ed HC per i più elevati eccessi d aria); La sovralimentazione comporta anche alcuni svantaggi: carichi termici e meccanici superiori per il motore; caratteristiche di coppia più sfavorevoli (particolarmente con la turbosovralimentazione); peggiore risposta in transitorio. 51

52 La sovralimentazione dei MCI I sistemi di sovralimentazione possono essere classificati secondo diversi approcci: a) secondo il tipo di collegamento fra il motore ed il sistema di sovralimentazione; b) secondo la tipologia del sistema di compressione della carica; In base al collegamento motore-sovralimentatore, si può avere: collegamento meccanico compressore - MCI (sovralimentazione meccanica, MS); collegamento fluidodinamico sovralimentatore MCI e compressore e turbina sullo stesso asse (sovralimentazione a gas di scarico o turbo-sovralimentazione, TC); motore, compressore e turbina sullo stesso asse (sistema Compound); motore e compressore collegati meccanicamente costituenti un generatore di gas per una turbina di potenza; In base alla tipologia del sistema di compressione della carica, si può avere: sovralimentazione con compressore volumetrico (alternativo o rotativo); sovralimentazione con compressore dinamico (turbocompressore radiale o assiale); sovralimentazione con scambiatore ad onde di pressione (Comprex). 52

53 La sovralimentazione dei MCI Nella pratica le due soluzioni impiantistiche più utilizzate sono la sovralimentazione meccanica e la turbo-sovralimentazione sia per MAC che Diesel a 2 e 4 tempi. Sovralimentazione meccanica Turbo-sovralimentazione 53

54 Cicli termodinamici dei MCI sovralimentati Schema elementare di un MCI sovralimentato Sovralimentazione meccanica A S 1c, 2c, 3 c, 3c, 4c 2 3 C T 1 4 Nella sovralimentazione meccanica manca la turbina, pertanto ps = p3 = p1 Il compressore realizza la compressione 1-2 e il lavoro assorbito è dato dall area tratteggiata. Il lavoro netto per ciclo è dato dalla differenza fra le due aree positive del ciclo motore (se sono presenti entrambe) e l area negativa rappresentativa del lavoro assorbito dal compressore. Rispetto ad un motore aspirato il lavoro utile per ciclo è superiore per l incremento dell area del ciclo principale per effetto dell aumento di tutti i livelli di pressione. 54

55 Cicli termodinamici dei MCI sovralimentati Schema elementare di un MCI sovralimentato A S Turbo-sovralimentazione 1c, 2c, 3 c, 3c, 4c 2 3 C T 1 4 Nella turbo-sovralimentazione ps = p3 p4 = p1 L = p dv + ( p p ) V Il lavoro netto per ciclo risente della diminuzione (o addirittura dell inversione di segno) del ciclo di pompaggio del motore. L L c t = h 2 -h 1 = C p T T krt k 1 k ( T ) = 2 T1 CpT1 1 = ( p2 /p1 ) k 1 T krt = h3 -h4 = Cp T3 k 1 1 ( ) ( ) k = 4 3 T = 1 3 T4 CpT3 1 1 p4 / p3 k A S Lavoro di pompaggio Lavoro del compressore Lavoro della turbina 55