Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici CAPITOLO 4 MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA

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1 Anno Scolastico 2009/2010 Corso di Meccanica, Macchine e Impianti Termici CAPITOLO 4 MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA Prof. Matteo Intermite 1

2 4. FUNZIONAMENTO DEL MOTORE A 4 TEMPI 4.1 LE 4 FASI DEL CICLO Il motore è costituito essenzialmente da uno stantuffo che scorre in un cilindro spinto periodicamente dalla pressione dei gas di combustione compressi tra il cilindro e lo stantuffo stesso. Detto anche motore a quattro tempi perché l'intero ciclo si compie in quattro fasi corrispondenti ad una rotazione di 720 dell'albero motore (2 giri, quattro corse dello stantuffo). Sequenza delle fasi: Il pistone dal PMS (punto morto superiore) scende al PMI (punto morto inferiore). Durante questa fase la miscela preformata di aria e carburante è aspirata, attraverso l'apposita valvola, dal pistone. Giunto lo stantuffo al PMI termina la corsa di aspirazione, si chiude la valvola aspirazione ed ha inizio la seconda fase: FASE DI COMPRESSIONE Si effettua la compressione della miscela aspirata nella camera di compressione per mezzo dello spostamento del pistone dal PMI al PMS. Giunto il pistone al PMS, fra gli elettrodi della candela scocca la scintilla che provoca la combustione della miscela compressa; ha quindi inizio la terza fase: Prof. Matteo Intermite 2

3 FASE DI ESPANSIONE Si verifica l espansione dei gas di combustione che ha per effetto la spinta del pistone verso il PMI, ed è in questa fase che si trasferisce il lavoro utile sull albero motore. Quando il pistone ha raggiunto il PMI inizia la quarta fase: FASE DI SCARICO Vengono scaricati i gas combusti attraverso la valvola di scarico. Essi vengono espulsi dal cilindro all atmosfera per effetto della spinta dello stantuffo risalente dal PMI al PMS. Raggiunto il PMS la valvola di scarico si chiude, si apre quella di aspirazione ed ha inizio un altro ciclo. Prof. Matteo Intermite 3

4 4.2 CICLO OTTO TEORICO (Motori ad accensione comandata) Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un motore a carburazione a quattro tempi. Supponiamo che lo stantuffo si trovi inizialmente al punto morto superiore e sia dotato di una certa energia cinetica residuo del precedente ciclo sufficiente a fargli compiere gli spostamenti preliminari necessari per realizzare le prime fasi. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e precisamente: 0-1: Lo stantuffo muovendosi verso il basso, aspira la miscela attraverso la valvola di aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione avvenga a pressione costante (atmosferica). 1-2: Si chiudono ambedue le valvole e la miscela viene compressa aumentando la pressione e la temperatura; al termine della corsa avviene la combustione della miscela. 2-3: Combustione, si suppone che tale trasformazione avvenga a volume costante, in virtù della rapidità con cui si sviluppa. La pressione si innalza fortemente ed i gas combusti esercitano una forte spinta sullo stantuffo. 3-4: Permangono chiuse le valvole e lo stantuffo si muove per effetto della spinta esercitata dai prodotti della combustione che si espandono dentro il cilindro; al Prof. Matteo Intermite 4

5 termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico a la pressione subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas combusti (4-1). 4-1 Scarico spontaneo. 1-0 Scarico forzato. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase che si suppone avvenga anch essa a pressione atmosferica. Il ciclo teorico è così concluso ed il cilindro e pronto per ricevere altra miscela. 4.3 CICLO OTTO REALE (Motori ad accensione comandata) Il ciclo termico reale, cioè quello che si potrebbe direttamente rilevare da un manometro installato sul cilindro non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti discordanze: - La fase di aspirazione non avviene alla pressione atmosferica, ma ad una pressione leggermente inferiore, essendo conseguente alla depressione che il pistone crea durante la discesa dal PMS al PMI. - analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a Prof. Matteo Intermite 5

6 quella atmosferica poiché i gas combusti sono spinti verso l'esterno dall'azione premente dello stantuffo che si sposta dal PMI al PMS. Ne consegue che l area racchiusa dalle due curve indica il lavoro perso per caricare e scaricare il cilindro rispettivamente di miscela fresca e di prodotti della combustione. - La fase di espansione e quella di compressione non coincidono con quelle teoriche perché parte del calore che viene generato durante la combustione viene perso a causa del raffreddamento e delle dissipazioni interne. - La fase di combustione non è istantanea, ma richiede per il suo svolgimento un intervallo di tempo, seppur brevissimo, poiché il fronte di fiamma si propaga ad alta velocità raggiungendo tutti i punti della camera di combustione; la relativa trasformazione avviene perciò a volume crescente conseguendo un minor incremento sia di pressione che di temperatura. - Oltre a quanto esposto, occorre tener presente l'effetto dello strozzamento subito dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed alla chiusura; il ciclo indicato (reale) assume in definitiva l'aspetto della figura illustrata a pagina precedente, e produce un lavoro minore di quello previsto dal ciclo teorico. Prof. Matteo Intermite 6

7 4.4 CICLO DIESEL TEORICO Esaminiamo adesso il ciclo teorico che caratterizza il principio di funzionamento di un motore DIESEL a quattro tempi. Supponiamo che lo stantuffo si trovi inizialmente al punto morto superiore e sia dotato di una certa energia cinetica residuo del precedente ciclo sufficiente a fargli compiere gli spostamenti preliminari necessari per realizzare le prime fasi. Il ciclo teorico si completa in quattro corse dello stantuffo, e precisamente: 0-1: Lo stantuffo muovendosi verso il basso, aspira l aria attraverso la valvola di aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico; si suppone che tale aspirazione avvenga a pressione costante (atmosferica). 1-2: Si chiudono ambedue le valvole e l aria viene compressa aumentando la pressione e la temperatura; al termine della corsa avviene l iniezione del combustibile (DIESEL) attraverso l iniettore. 2-3: Combustione, si suppone che tale trasformazione avvenga a pressione costante, in virtù del fatto che la combustione avviene in un determinato tempo (più lento del ciclo OTTO) e che il pistone, durante la combustione, compia già una parte della discesa dal PMS al PMI. 3-4: Permangono chiuse le valvole e lo stantuffo si muove per effetto della spinta Prof. Matteo Intermite 7

8 esercitata dai prodotti della combustione che si espandono dentro il cilindro; al termine della corsa, si apre istantaneamente la valvola di scarico a la pressione subisce una improvvisa diminuzione per la fuoriuscita di una parte dei gas combusti (4-1). 4-1 Scarico spontaneo. 1-0 Scarico forzato. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso la valvola di scarico che rimane aperta per tutta questa fase che si suppone avvenga anch essa a pressione atmosferica. Il ciclo teorico è così concluso ed il cilindro e pronto per ricevere altra aria. 4.5 CICLO DIESEL REALE Il ciclo termico reale, cioè quello che si potrebbe direttamente rilevare da un manometro installato sul cilindro non coincide con quello teorico che abbiamo descritto, per il quale avevamo introdotto diverse ipotesi semplificative. In realtà si manifestano le seguenti discordanze: - La fase di aspirazione non avviene alla pressione atmosferica, ma ad una pressione leggermente inferiore, essendo conseguente alla depressione che il pistone crea durante la discesa dal PMS al PMI. Prof. Matteo Intermite 8

9 - analogamente, la fase di scarico avviene ad una pressione lievemente superiore a quella atmosferica poiché i gas combusti sono spinti verso l'esterno dall'azione premente dello stantuffo che si sposta dal PMI al PMS. Ne consegue che l area racchiusa dalle due curve indica il lavoro perso per caricare e scaricare il cilindro rispettivamente di miscela fresca e di prodotti della combustione. - La fase di espansione e quella di compressione non coincidono con quelle teoriche perché parte del calore che viene generato durante la combustione viene perso a causa del raffreddamento e delle dissipazioni interne. - La fase di combustione non è a pressione costante, ma dato che richiede per il suo svolgimento un intervallo di tempo, la pressione varia al variare della posizione del pistone e dell avanzamento della reazione di combustione. - Oltre a quanto esposto, occorre tener presente l'effetto dello strozzamento subito dal fluido nell'attraversamento delle valvole e l'inerzia di queste all'apertura ed alla chiusura; il ciclo indicato (reale) assume in definitiva l'aspetto della figura illustrata a pagina precedente, e produce un lavoro minore di quello previsto dal ciclo teorico. Prof. Matteo Intermite 9

10 4.6 DIAGRAMMA POLARE In realtà come già detto, la durata delle fasi di apertura delle valvole è maggiore di quanto previsto dal ciclo teorico, in considerazione degli effetti prodotti dall'inerzia al moto opposta dal fluido nell'istante dell'apertura a della chiusura e al tempo di apertura e chiusura delle valvole, più precisamente: - A.A. La valvola di aspirazione si apre prima che lo stantuffo abbia raggiunto il PMS (riferendo l'anticipo di apertura agli angoli descritti dalla manovella principale, esso viene mediamente tenuto intorno al 20 =25 fino a 30 =35 nei motori spinti); - R.A. La stessa valvola non si chiude nell'istante in cui lo stantuffo giunge al PMI, ma con un certo ritardo per sfruttare l'inerzia posseduta dalla miscela entrante ed ottenere così un riempimento più completo del cilindro a vantaggio della potenza erogata. Il ritardo alla chiusura varia fra 20 a 40 (nei motori veloci 50 =60 ) di rotazione della manovella principale - A.S. Per dar tempo sufficiente ai gas combusti di deffluire all'esterno, in modo che la nuova miscela risulti più pura possibile, è conveniente anticipare anche l'apertura della valvola di scarico; tale anticipo si può ritenere pari a 40 =60 di rotazione della manovella, tanto maggiore quanto più elevata a la velocità di rotazione. - R.S. É bene ritardare anche la chiusura della valvola di scarico per sfruttare l inerzia dei gas combusti; il ritardo alla chiusura di questa valvola è in genere inferiore all'anticipo all'apertura previsto per quella di aspirazione; mediamente si può ritenere che esso oscilli fra 15 a 30. Il complesso di anticipi e ritardi altera sensibilmente la durata delle fasi del motore che, nel caso teorico, dovrebbero avvenire ciascuna in una corsa dello stantuffo; l effettiva estensione delle fasi viene messa in evidenza nel cosiddetto «diagramma polare» che, per un motore a quattro tempi, comprende due giri completi dell'albero motore; da questo si rileva che per un breve arco di tempo sono aperte ambedue le valvole (aspirazione e scarico) il che, se da un punto di vista consente un miglior rendimento volumetrico, da un altro comporta una leggera perdita di miscela che effluisce direttamente allo scarico insieme ai gas combusti. Prof. Matteo Intermite 10

11 4.7 COMBUSTIONE Istituto Professionale Statale per l'industria e l'artigianato Il fenomeno fisico della combustione può essere rappresentato dalle seguenti trasformazioni che riportano a sinistra della freccia gli elementi che concorrono alla reazione e a destra i prodotti della reazione. In una combustione perfetta: C + O2 CO2 + Calore 2H + O 2H O C O 2 CO H HO Carbonio Ossigeno Anidride Carbonica Idrogeno Acqua In una combustione con carenza di Ossigeno (oppure con eccesso di combustibile) le trasformazioni si modificano nel seguente modo: C + O ( ) CO + CO + Calore H + O ( ) 2H O+ H Oltre alla produzione di Anidride Carbonica e di Acqua si forma anche il monossido di carbonio (gas molto velenoso e inodore) a causa dalla incompleta ossidazione del carbonio nella camera di combustione. In una combustione con eccesso di Ossigeno (oppure con carenza di combustibile) le trasformazioni si modificano nel seguente modo: C + O ( ) CO + O + Calore H + O ( ) 2H O+ O Oltre all Anidride Carbonica e all acqua allo scarico è presente dell Ossigeno che non ha reagito a causa di una carenza di Carbonio. Una combustione con eccesso d aria ha un ottimo rendimento garantendo una totale ossidazione del Carbonio, ma a causa dell elevata reazione la temperatura di combustione è particolarmente elevata e può causare surriscaldamenti e rotture meccaniche. Prof. Matteo Intermite 11

12 4.8 INQUINANTI E MARMITTA CATALITICA I motori montati sui mezzi di trasporto costituiscono sorgenti di notevole inquinamento atmosferico in particolare nelle aree urbane ad intenso traffico. Nei gas scaricati sono contenuti diversi inquinanti tra cui ricordiamo: 1. ossido di carbonio (CO); 2. ossidi di azoto (NOx); 3. idrocarburi (HC); 4. particolato (particelle solide derivate dalla ossidazione incompleta del combustibile o composti metallici ed additivi in esso presenti); 5. zolfo (da impurità del combustibile); 6. anidride carbonica (che sul lungo periodo può contribuire a modificare il clima, attraverso l effetto serra). Poiché è ormai provato da tempo che tali inquinanti costituiscono un grave pericolo per la nostra salute, il Legislatore ha imposto, negli ultimi decenni, limiti sempre più severi per quanto riguarda il livello massimo di emissioni dei motori per autoveicoli. Per meglio comprendere il modo per abbattere gli inquinanti, è indispensabile valutare le relazioni tra gli inquinanti stessi e alcuni parametri fondamentali del processo di combustione. Prof. Matteo Intermite 12

13 Ossido di carbonio CO I risultati sperimentali confermano che l unica variabile in grado di influenzare sensibilmente la concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto aria/combustibile. Il CO aumenta rapidamente in conseguenza del difetto di ossigeno, ma scende a valori molto bassi per miscele povere. Quando i motori ad accensione comandata funzionano con un rapporto di miscela vicino allo stechiometrico, le emissioni di CO sono in genere contenute. Idrocarburi Incombusti HC In pratica solo il rapporto di miscela aria/carburante e l anticipo all accensione influenzano largamente la concentrazione di idrocarburi incombusti. Il rapporto di miscela può far sì che la combustione avvenga più o meno completamente e rapidamente, facendo così variare la temperatura nella camera di combustione. Diminuendo l antico all accensione, si ritarda anche il completamento della combustione che continua nella prima parte del collettore di scarico coinvolgendo anche gli idrocarburi incombusti espulsi dal cilindro. Per mantenere gli HC bassi non bisogna utilizzare miscele molto ricche di aria perché a causa della cattiva combustione gli HC tendono ad aumentare. Ossidi Azoto NOx La presenza di NOx dipende sostanzialmente da due fattori: valori massimi di temperatura raggiunti in camera di combustione (all aumentare della temperatura aumenta la produzione di NOx); contenuto di ossigeno della miscela di alimentazione (all aumentare di ossigeno aumenta la produzione di NOx). Prof. Matteo Intermite 13

14 Marmitta Catalitica Per limitare lo scarico in atmosfera degli inquinanti nei motori di ultima generazione, equipaggiati con alimentazione tramite iniezione elettronica, viene installata una marmitta catalitica in grado di far reagire gli inquinanti nel seguente modo: NOx N CO CO HC H O Prof. Matteo Intermite 14

15 4.9 MOTORE A DUE TEMPI A CICLO OTTO Come dice il termine, si differenzia dal 4 tempi (per compiere un ciclo di lavoro occorrono 4 corse del pistone) per avere poter realizzare un ciclo di lavoro con solo due corse del pistone. Infatti le fasi del motore a due tempi sono compressioneaspirazione la prima ed espansione-scarico la seconda. Compressione-Aspirazione: tramite una luce di aspirazione(oppure valvola a lamelle) viene introdotta la miscela aria-carburante nel carter inferiore del motore dove tramite dei travasi viene spinta dal pistone che scende verso il PMI facendo passare la miscela dal carter al cilindro. Una volta che il pistone raggiunge il PMI, il travaso è totalmente aperto e quindi la miscela ha completato il passaggio dal carter al cilindro. Il pistone è al PMS e la luce di aspirazione è in comunicazione con il CARTER sotto al pistone. La miscela di aria carburante inizia ad entrare nel carter. La miscela inizia a salire dal travaso spinta dal pistone che si muove dal PMS al PMI. La miscela occupa il posto dei gas di scarico che vengono spinti nella luce di scarico fuori dal cilindro. Prof. Matteo Intermite 15

16 Il pistone si muove dal PMI al PMS e chiude prima la luce di travaso e poi quella di scarico. Una parte della miscela viene inevitabilmente persa nello scarico. Il pistone completa la risalita fino al PMS, comprime la miscela presente nel cilindro e tramite lo scocco della scintilla generata dalla candela avviene la combustione. Il pistone, grazie all energia prodotta dalla combustione, si muove dal PMS al PMI e apre prima la luce di scarico e poi quella di travaso. Espansione-Scarico: una volta che il pistone comincia la sua risalita il travaso viene coperto e quindi la miscela non può più entrare mentre il condotto di uscita è posizionato più in alto e quindi una minima parte della miscela viene sprecata. Una volta coperti entrambi i condotti, la candela brucia la miscela che per effetto detonante fa scendere il pistone verso il PMI. Come detto prima, il condotto d uscita è più in alto rispetto al travaso d entrata quindi i gas di scarico liberano il cilindro prima che la miscela possa entrare. Prof. Matteo Intermite 16

17 Il funzionamento del motore a due tempi può essere rappresentato tramite due diagrammi Pressione Volume, uno per il Cilindro e uno per il Carter. L area di sinistra rappresenta il lavoro (motrice) che viene generato dalla combustione e l area di destra rappresenta il lavoro (speso) necessario per aspirare la miscela dal carburatore al carter e per trasferirla dal Carter al Cilindro tramite il condotto di travaso. Il lavoro utile del ciclo è la differenza delle due aree. Prof. Matteo Intermite 17

18 4.10 CURVE CARATTERISTICHE Le prestazioni di cui è capace un motore sono definite dalle curve caratteristiche, cioè dai diagrammi che rappresentano le variazioni di potenza, di coppia motrice e di consumo del combustibile al variare del numero di giri. Queste curve vengono generalmente realizzate mediante i rilevamenti eseguibili al banco. Nella quasi totalità dei casi, le condizioni di funzionamento prevedono la massima alimentazione (cioè a carburatore tutto aperto oppure con la pompa di iniezione regolata a pieno carico). Analizziamo separatamente le tre curve al fine di poter trattare nella maniera più esauriente possibile il metodo che ne consenta una attenta lettura ed interpretazione. Curva di coppia: con il termine "coppia" si intende il momento torcente che l albero motore può trasmettere. Il grafico della curva di coppia si realizza sperimentalmente per punti, frenando un motore al banco per mezzo di freni idraulici o elettrici. La curva suddetta viene rappresentata su un piano cartesiano che riporta sull asse delle ascisse il numero di giri che l albero motore compie nell unità di tempo (giri/min.) e sull asse delle ordinate la coppia motrice M T espresso in Nm. Come si può vedere l andamento della curva di coppia è, nel primo tratto, rapidamente crescente. Si raggiunge poi il punto di massimo assoluto della curva in corrispondenza del cambiamento di pendenza della curva della Potenza. Prof. Matteo Intermite 18

19 Curva di potenza: innanzi tutto è importante rilevare che la potenza effettiva di un motore risulta, per una certa cilindrata e un determinato numero di giri, proporzionale alla coppia motrice secondo l equazione: 2 π n P= C ω = C 60 C = Coppia [Nm]; ω=numero di giri [rad./sec.] n = numero di giri [giri/min.] E quindi logico aspettarsi che l andamento della curva di potenza sia strettamente legato a quello della curva di coppia. Infatti, osservando il grafico è facile notare come inizialmente la curva di potenza sia crescente e presenti una forte pendenza; questo aspetto è giustificato dal fatto che, nel tratto iniziale, anche la curva di coppia sale con rapidità. Superato il valore di coppia massima, la potenza indicata tuttavia continua ancora a crescere perché l aumento del numero di giri è preponderante rispetto alla diminuzione del valore della coppia. Continuando ad aumentare la velocità di rotazione del motore, si raggiunge un valore (punto A) oltre il quale la potenza cala a causa dei rendimenti globali della macchina, che sono inversamente proporzionali al numero di cicli. Curva dei consumi: osservando il grafico precedentemente riportato, si evince che la curva dei consumi (espressi in g/kwh) presenta dapprima un andamento decrescente, poi, raggiunto il punto di minimo assoluto, inizia a crescere. Al contrario delle curve di potenza e coppia che sono intrinsecamente legate da una relazione matematica, l andamento della curva dei consumi è influenzato da troppi parametri variabili per standardizzarne il comportamento. In generale possiamo dire che il minimo consumo di carburante si ha a un numero di giri compreso tra quello che identifica la coppia massima e quello che identifica la potenza massima. Prof. Matteo Intermite 19

20 4.11 SOVRALIMENTAZIONE La sovralimentazione di un motore a combustione interna consiste tecnicamente nell immissione, in camera di combustione, di fluido (aria o miscela aria-combustibile) a pressione maggiore di quella atmosferica che si avrebbe in un motore aspirato, cioè dove il fluido è richiamato per effetto della depressione creata dal movimento alternativo del pistone. E noto che la potenza erogata da un motore dipende, oltre che dal regime di rotazione (velocità media del pistone), anche dalla Pressione in Camera di Combustione. Risulta quindi possibile aumentare la potenza: aumentando il regime di rotazione; aumentando la Pressione in camera di combustione; Nel primo caso ho comunque limiti strutturali da rispettare. Infatti non è consigliabile spingersi a regimi di rotazione del motore troppo elevati in quanto la durata di un motore è proporzionale alla velocità media del pistone e il funzionamento ad elevato numero di giri comporta un calo del rendimento. Ciò che posso aumentare, invece, è la pressione media effettiva, dotando i collettori di aspirazione di meccanismi che creano una sovrapressione che in pratica aumenta la densità di aria (motori diesel) o miscela (motori otto) immessa in camera di combustione. Poiché la quantità di combustibile che può essere bruciata ad ogni ciclo e proporzionale alla quantità di O 2 introdotta nel cilindro, l energia termica liberata nel processo di combustione sarà maggiore di quella sviluppata con densità di carica standard. La legge dei GAS dice che: dove: PV = nrt P = Pressione del Gas nel cilindro; V = Volume occupato dal GAS (Volume del cilindro + Camera di Combustione); n = numero d Moli di GAS (Indica la quantità di materia che entra nel cilindro); R = Costante dei GAS T = Temperatura del GAS Prof. Matteo Intermite 20

21 Ne deriva che: P( ) = n( ) R T( ) V Aumentando la pressione, aumenta la quantità di materia che entra nel cilindro e la temperatura del GAS. R e V non possono cambiare perché sono costanti. Per evitare il problema dell innalzamento della temperatura viene utilizzato uno scambiatore di calore aria/aria per il raffreddamento dell aria dopo la compressione in modo da massimizzare l aumento di n (quantità di materia che entra nel cilindro). 1 Centralina elettronica di iniezione accensione; 2 Cassoncino d aspirazione / filtro aria; 3 Scambiatore di calore (intercooler) aria / aria; 4 Valvola Wastegate (Valvola di sovrapressione); 5 Compressore centrifugo; 6 Turbina e scarico; 7 Collettore di scarico; 8 Collettore di aspirazione. Prof. Matteo Intermite 21