Introduzione ai Motori a Combustione Interna

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1 IPS Mario Carrara Guastalla (RE) Tecnologie e Tecniche di Installazione e Manutenzione Docente: Prof. Matteo Panciroli Introduzione ai Motori a Combustione Interna 1

2 Classificazione delle macchine MACCHINE MOTRICI - A COMBUSTIONE INTERNA (turbine a gas, motori endotermici alternativi, ) - A COMBUSTIONE ESTERNA (turbine a vapore, ) MACCHINE OPERATRICI (pompe, compressori, ) 2

3 Classificazione delle macchine TURBOMACCHINE (turbine, compressori dinamici, ) MACCHINE VOLUMETRICHE - ALTERNATIVE (motori endotermici alternativi, compressori a pistoni, ) - ROTANTI (compressori a lobi, compressori a palette ) 3

4 Motori a combustione interna Classificazione Modo di avviare la combustione Durata del ciclo Natura del combustibile Alimentazione dell aria Alimentazione del combustibile Regolazione del carico Tipo di moto delle parti in movimento Sistema di raffreddamento 4

5 Motori a combustione interna Classificazione Modo di avviare la combustione Accensione comandata (da una scintilla) Motori a ciclo Otto Accensione spontanea (per compressione) Motori a ciclo Diesel 5

6 Motori a combustione interna Classificazione Durata del ciclo descritto Ciclo completo in quattro corse del pistone: 4 TEMPI Ciclo completo in due corse del pistone: 2 TEMPI 6

7 Motori a combustione interna Classificazione 2 TEMPI 4 TEMPI 7

8 Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo. Motori a combustione interna Classificazione Fasi del motore a 4 tempi Aspirazione Compressione Espansione Scarico Combustione 8

9 Motori a combustione interna Fasi del motore a 2 tempi Classificazione Scarico Travaso Lavaggio Compressione Espansione 9

10 Motori a combustione interna Classificazione Natura del combustibile usato Benzina Gasolio Olio Gas Alcool combustibile Doppio Combustibile (gas come base e liquido per avviare la combustione) Motore poli-combustibile 10

11 Motori a combustione interna Classificazione Alimentazione dell aria Motore aspirato Motore sovralimentato Motore turbocompresso 11

12 Motori a combustione interna Classificazione Alimentazione del combustibile Motore a carburazione Motore a iniezione nel cilindro (diretta) Motore a iniezione nei collettori di aspirazione (indiretta) 12

13 Motori a combustione interna Classificazione Regolazione del carico per variazione della composizione della miscela (regolando la quantità di combustibile) della quantità di carica introdotta per ciclo (di composizione pressoché costante) per combinazione dei due metodi precedenti 13

14 Motori a combustione interna Classificazione Tipo di moto delle parti del motore in movimento Alternativo Rotatorio Oscillante 14

15 Motori a combustione interna Classificazione Sistema di raffreddamento Ad aria A liquido Motore adiabatico 15

16 Motore alternativo Architettura di un motore alternativo a 4 tempi 16

17 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Punto Morto Inferiore (PMI): posizione angolare in corrispondenza della quale il pistone si trova più lontano dalla testa; Punto Morto Superiore (PMS): posizione angolare in corrispondenza della quale il pistone si trova più vicino alla testa; Alesaggio D: diametro interno del cilindro; 17

18 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Corsa C: spazio percorso dall asse dello spinotto nel passaggio da un punto morto all altro coprendo un angolo di manovella di 180 ; la corsa è dunque pari a due volte il raggio di manovella, R m ; Volume totale del cilindro V t : è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando questo si trova al PMI ed è uguale al massimo volume del cilindro; 18

19 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Volume della camera di combustione V 0 : è il volume compreso fra la testa ed il pistone quando questo si trova al PMS ed è uguale al minimo volume del cilindro; Cilindrata unitaria V c : volume spazzato dal pistone nella sua corsa dal PMS al PMI; 19

20 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Rapporto volumetrico di compressione, β: rapporto fra il volume totale del cilindro ed il volume della camera di combustione, ossia: Vt V0 + V β = = V V 0 0 Tipici valori del rapporto di compressione sono compresi tra 8 e 12 per i motori AS e tra 16 e 24 per i motori AC c 20

21 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Angolo di manovella, θ: angolo descritto dalla rotazione della manovella a partire dal PMS; indicata con ω la velocità di rotazione dell albero motore e con n il suo numero di giri nell unità di tempo si ha: ϑ = ω t = 2 π n t 21

22 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Rapporto corsa/alesaggio, C/D: solitamente nel campo dell autotrazione vengono assunti valori prossimi all unità per ragioni di ingombro e di peso. Tuttavia non è raro trovare motori a corsa corta, i quali presentano diversi vantaggi rispetto ad un motore a corsa lunga di pari cilindrata riassumibili in: incremento della potenza (la potenza aumenta con il quadrato del diametro e solo con l esponente 0.5 della corsa) 22

23 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Rapporto corsa/alesaggio, C/D: solitamente nel campo dell autotrazione vengono assunti valori prossimi all unità per ragioni di ingombro e di peso. Tuttavia non è raro trovare motori a corsa corta, i quali presentano diversi vantaggi rispetto ad un motore a corsa lunga di pari cilindrata riassumibili in: possibilità di un migliore alloggiamento delle valvole, possibilità di adottare valvole di maggior diametro, etc. 23

24 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Rapporto corsa/alesaggio, C/D: d altra parte i motori a corsa lunga offrono anch essi dei vantaggi soprattutto dal punto di vista termico: camere di combustione più raccolte; più elevati rendimenti; migliore raffreddamento del pistone e del cilindro (maggiore rapporto superficie/volume) 24

25 NOMENCLATURA MANOVELLISMO s = l + r l cos π γ r cosϕ B ( ) s = l + r + l cos γ r cosϕ B 25

26 SPOSTAMENTO DEL PISTONE l sen γ = r senϕ sen γ = λ senϕ Ponendo λ = r l 26

27 SPOSTAMENTO DEL PISTONE Inoltre si può ricavare: γ = sen γ = λ sen ϕ cos 1 1 Legge di spostamento del pistone: 1 sb = r 1 cosϕ λ sen ϕ λ ( )

28 NOMENCLATURA MANOVELLISMO 28

29 SPOSTAMENTO DEL PISTONE Spostamento del pistone s p : s p C cos 1 Λ Λ sen 2 2 = + ϑ Λ ϑ ponendo: R C m = 2 Λ = R m L b R m = raggio di manovella L b = lunghezza di biella C = corsa 29

30 VELOCITÀ DEL PISTONE Velocità media del pistone v mp : vmp = 2 C n n = regime di rotazione del motore Velocità del pistone v p : π Λ sen2ϑ v p = vmp senϑ sen 2 2 Λ ϑ 30

31 ACCELERAZIONE DEL PISTONE Velocità del pistone semplificata: π Λ v p = vmp ϑ + 2ϑ 2 sen sen 2 Accelerazione del pistone a p : a p C 2 [ cos cos2 ] 2 ω ϑ + Λ ϑ ω = velocità angolare del motore ϑ = ω t 31

32 ESEMPIO APPLICATIVO SPOSTAMENTO DEL PISTONE s p [cm] θ [ ATDC]

33 ESEMPIO APPLICATIVO DATI MOTORE Corsa [cm] Lunghezza di biella [cm] Regime di rotazione [rpm] Raggio di manovella [cm] Rapporto λ [adim.] Regime di rotazione [giri/s] Velocità angolare [rad/s] Velocità media del pistone [cm/s] Velocità media del pistone [m/s]

34 ESEMPIO APPLICATIVO VELOCITÀ DEL PISTONE v p [cm/s] θ [ ATDC]

35 ESEMPIO APPLICATIVO ACCELERAZIONE DEL PISTONE a p [cm/s 2 ] 1.25E E E E E θ [ ATDC]

36 PARAMETRI MOTORE 36

37 PARAMETRI MOTORE 37

38 Componenti motore Camere di combustione Camere di combustione di motori ad accensione comandata Motori a Combustione Interna 38

39 Componenti motore Camere di combustione Camere di combustione di motori ad accensione spontanea Iniezione diretta Precamera Motori a Combustione Interna 39

40 Componenti motore Pistoni Pistoni di motori ad accensione comandata Motori a Combustione Interna 40

41 Componenti motore Pistoni Pistoni di motori ad accensione spontanea Motori a Combustione Interna 41

42 Componenti motore Biella-pistone-spinotto Motori a Combustione Interna 42

43 Componenti motore Biella per motore automobilistico Motori a Combustione Interna 43

44 Componenti motore Albero motore Motori a Combustione Interna 44

45 Diagramma polare della distribuzione Ciclo ideale Motori a Combustione Interna 45

46 Diagramma polare della distribuzione Sistemi di attuazione delle valvole Motori a Combustione Interna 46

47 Diagramma polare della distribuzione Sistemi di attuazione delle valvole Albero a camme in testa OHC (Over Head Camshaft) Doppio albero a camme in testa DOHC (Double Over Head Camshaft) Albero a camme in testa con bilancere SOHC (Single Over Head Camshaft) Motori a Combustione Interna 47

48 Diagramma polare della distribuzione Sistemi di attuazione delle valvole Valvole in testa OHV (Over Head Valves) Albero a camme nel basamento e sistema aste-bilanceri Motori a Combustione Interna 48

49 Diagramma polare della distribuzione Sistemi di attuazione delle valvole Distribuzione desmodromica Motori a Combustione Interna 49

50 Diagramma polare della distribuzione Legge di alzata delle valvole Motori a Combustione Interna 50

51 Diagramma polare della distribuzione Ciclo reale Motori a Combustione Interna 5125

52 TESTA MOTORE Motore Ferrari F 512 M V 12 a Particolare della testa a quattro valvole 52

53 TESTA MOTORE Motore Ferrari F 355 V 8 di 90 - Particolare della testa a cinque valvole 53

54 ASSIEME MOTORE 54

57 ASSIEME MOTORE Sezione di un tipico motore Diesel 4T, quattro cilindri in linea, che mostra i dettagli costruttivi degli organi principali di un motore a combustione interna 57

58 ASSIEME MOTORE Rappresentazione prospettica di un tipico motore 4T ad accensione comandata per autovettura (Alfa Lancia 6 cilindri, alesaggio = 93 mm; corsa = 72.6 mm; cilindrata totale = cm 3 ; potenza utile massima = 140 kw a giri/min ) 58

59 ASSIEME MOTORE Rappresentazione prospettica di un tipico motore 4T Diesel per applicazioni marine, ferroviarie ed impianti fissi, ad iniezione diretta (8 cilindri, alesaggio = 400 mm; corsa = 480 mm; cilindrata specifica = 60.3 dm 3 /cil; potenza utile specifica = 640 kw/cil a 580 giri/min ) 59

60 ASSIEME MOTORE Rappresentazione prospettica di un motore a due tempi per motociclo (alesaggio = 54 mm; corsa = 54.5 mm; cilindrata = cm 3 ; potenza utile massima = 24.5 kw a giri/min ) 60