MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TERORICI

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1 MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TERORICI ) In che modo può essere espresso il rendimento di un motore endotermico a prescindere dal ciclo operativo (Otto, Diesel o Sabathè)? L Q Q0 Q0 η = = = Q Q Q Il rendimento di un ciclo è espresso come il rapporto fra il lavoro L sviluppato in un ciclo completo e il calore fornito Q. Il lavoro, in base al primo principio della Termodinamica (Q=L), può essere espresso come la differenza fra i valori assoluti dei calori entranti e uscenti (Q Q 0 ). Ne consegue che il rendimento è pari ad meno il rapporto tra Q 0 e Q quindi per tendere al rendimento unitario dovremmo avere un calore disperso infinitamente piccolo rispetto al calore entrante. (Q 0 <<Q ) 2) Riassumi brevemente il funzionamento di un motore endotermico. Nei motori endotermici, in seguito alla combustione di combustibile e comburente(aria), l energia chimica del combustibile si trasforma in energia di pressione e temperatura del fluido. Una parte di tale energia viene trasferita all organo mobile (ad esempio il pistone) trasformandosi da energia di pressione e temperatura in energia meccanica mentre la restante parte viene dispersa nell ambiente e non può essere impiegata per produrre lavoro. L energia meccanica raccolta dai vari organi mobili converge su un unico albero motore che eroga all esterno la potenza meccanica in termini di coppia e velocità angolare P[W]=M[N*m]ω[rad/s] 3) Descrivi con uno schema a blocchi il principio di funzionamento dei motori endotermici. Vedi fig. 7.2 Pag. 6 Meccanica Fluidi 3 4) Riassumi brevemente le grandezze geometriche caratteristiche del motore alternativo L Alesaggio è La Corsa è La Cilindrata unitaria è La Cilindrata del motore Il Volume della camera di combustione è La Cilindrata totale è La cilindrata totale del motore è Il Rapporto volumetrico di compressione è ( mi raccomando l ultimo!!! ) 5) Spiega la differenza tra un motore quattro tempi ed uno a due tempi Nel motore a 4 tempi, il ciclo è realizzato mediante la successione di quattro operazioni (i tempi appunto). Tali operazioni sono, in ordine: aspirazione, compressione, combustione-espansione, scarico; ognuno di questi tempi ha la durata completa di una corsa, per cui in un motore monocilindrico 4 tempi il ciclo completo impiega due giri di albero motore (4 tempi 4 corse 2 giri). Nel motore a 2 tempi, il ciclo è realizzato mediante la successione delle stesse quattro operazioni ma eseguite due per volte in contemporanea.

2 Si distinguono pertanto: un primo tempo durante il quale avvengono contemporaneamente combustione-espansione e scarico ed un secondo tempo durante il quale avvengono contemporaneamente aspirazione e compressione; per un motore monocilindrico 2 tempi il ciclo completo richiede un solo giro di albero motore. 6) Descrivi brevemente le fasi di un motore a quattro tempi, a ciclo Otto. Il primo tempo, o fase di aspirazione, consiste nell introdurre la miscela di gas freschi all interno del cilindro, richiamata dalla corsa di discesa del pistone, mentre la valvola di aspirazione è aperta (il pistone discende a causa dell inerzia posseduta dal ciclo precedente o in fase di avviamento perché trascinato dal motorino di avviamento). Il secondo tempo, o fase di compressione, avviene in seguito alla corsa di risalita del pistone, che comprime la miscela contenuta all interno del cilindro; la compressione è di tipo adiabatico. Il terzo tempo, o fase di scoppio-espansione, avviene con il pistone al PMS e con lo scoccare della scintilla alla candela; segue la corsa di discesa del pistone, sotto la spinta dell espansione adiabatica dei gas in combustione. Le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse. Il quarto tempo, o fase di scarico, è realizzata dal pistone che, dopo aver raggiunto il PMI, esegue la corsa di salita, durante la quale spinge i gas combusti nel collettore di scarico attraverso la valvola di scarico aperta. N.B.: In realtà ne la fase di compressione ne quella di espansione sono perfettamente adiabatiche (cioè senza scambio di calore) poiché attraverso le pareti del cilindro durante quelle fasi si disperde un po di calore. La ragione per cui si ritengono adiabatiche è che la loro durata è brevissima (centesimi di secondo) e pertanto il calore disperso in quel tempo è una piccolissima parte di quello introdotto in un ciclo. 7) Descrivi brevemente le fasi di un motore a due tempi, a ciclo Otto. Il primo tempo, corrispondente con la corsa di discesa del pistone, consiste nella combustione-espansione e nel travaso e scarico. Mentre il pistone discende dal PMS al PMI, spinto dai gas in combustione presenti nella parte superiore, comprime la carica fresca presente nella parte inferiore. Verso la parte finale della fase di discesa un condotto laterale mette in comunicazione le due camere consentendo che la carica fresca appena compressa entri nella camera di combustione lavando via i gas appena combusti. Il secondo tempo corrispondente alla corsa di salita del pistone, consiste nella compressione e aspirazione. Mentre il pistone va dal PMI al PMS comprime la carica fresca appena immessa in camera di combustione e nel frattempo nella parte inferiore aspira nel carter la carica fresca per il prossimo ciclo.

3 8) In cosa consiste la sovralimentazione? Quale è il suo scopo? L alimentazione si dice di tipo naturale se il motore non dispone di mezzi per forzare l introduzione dell aria in camera di combustione: è il solo pistone che con il suo moto discendente crea una depressione nel cilindro e nel collettore che richiama la carica dei gas freschi. Il motore è invece sovralimentato (con sovralimentazione) se l aria aspirata è pompata nel cilindro mediante un dispositivo, avente funzione di compressore, azionato dai gas di scarico (turbo-compressore) oppure mosso direttamente dal motore (compressore). Lo scopo è quello di ottenere maggiore potenza a parità di cilindrata poiché comprimendo l aria ne introduco di + a pari cilindrata, e quindi introdurrò maggiore quantità di combustibile e quindi maggiore energia nello stesso tempo e quindi maggiore potenza. 9) Ciclo Ideale Otto-Beau De Rochas -Tracciare il diagramma nel piano p-v indicando le unità di misura dell asse X (volume massico m 3 /Kg) e dell asse Y (pressione bar oppure MPa). Commentare le quattro fasi(introduzione di calore ed espansione avvengono in una sola fase): O- ASPIRAZIONE -2 COMPRESSIONE ADIABATICA (pv =cost, lavoro entrante negativo L,2, adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.) 2-3 COMBUSTIONE: nel ciclo ideale si considera come una introduzione di calore a volume costante poiché nei motori che hanno come ciclo di riferimento questo (quelli a benzina) la combustione è così rapida da non dare il tempo al pistone di muoversi sensibilmente variando il volume. (V 2 = V 3, Q =c v (T 3 -T 2 ), calore entrante positivo, ecc. ecc.) 3-4 ESPANSIONE ADIABATICA (pv =cost, lavoro uscente positivo L 3,4 adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.) 4- SCARICO: nel ciclo ideale si considera come una espulsione di calore a volume costante (V 4 = V, Q 0 =c v (T 4 -T ), calore uscente negativo, ecc. ecc.) 0) Parla estesamente del rendimento termico teorico del Ciclo Ideale Otto-Beau De Rochas e del rapporto di compressione Il rendimento può espresso in questa forma: η TT = v dove v2 il volume massico di inizio compressione e quello di fine compressione; in altre parole ci dice quante volte riduciamo il volume del gas durante la fase di compressione. = è il rapporto volumetrico di compressione cioè il rapporto fra

4 è l esponente dell adiabatica e nel caso dell aria vale,4 Si deduce quindi che, al crescere del rapporto di compressione, si ottiene un aumento del rendimento del ciclo Otto ideale; infatti al crescere del rapporto di compressione si riduce il valore del termine dopo il segno meno e quindi il rendimento si avvicina all unità. ( non può superare certi valori vedi domanda 4). ) Ciclo Ideale Diesel -Tracciare il diagramma nel piano p-v indicando le unità di misura dell asse X (volume massico m 3 /Kg) e dell asse Y (pressione bar oppure MPa). Commentare le quattro fasi(introduzione di calore ed espansione avvengono in una sola fase): O- ASPIRAZIONE -2 COMPRESSIONE ADIABATICA (pv =cost, lavoro entrante negativo L,2, adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.) 2-3 COMBUSTIONE: nel ciclo ideale si considera come una introduzione di calore a pressione costante poiché nei motori che hanno come ciclo di riferimento questo (quelli Diesel) la combustione è abbastanza graduale da consentire al pistone di muoversi compensando la tendenza ad incrementare la pressione con aumenti di volumi mantenendo la pressione circa costante (P 2 = P 3, Q =c P (T 3 -T 2 ), calore entrante positivo e lavoro uscente positivo L 2,3 ecc. ecc.) 3-4 ESPANSIONE ADIABATICA (pv =cost, lavoro uscente positivo L 3,4 adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.) 4- SCARICO: nel ciclo ideale si considera come una espulsione di calore a volume costante (V 4 = V, Q 0 =c v (T 4 -T ), calore uscente negativo, ecc. ecc.) N.B. si potrebbe aggiungere tutto quello che abbiamo detto nella domanda 6 ed inoltre allacciarsi direttamente alla prossima domanda sul rendimento termico-teorico! 2) Parla estesamente del rendimento termico teorico del Ciclo Ideale Diesel e del rapporto di compressione Il rendimento può espresso in questa forma: η TT = τ ( τ ) v dove v2 il volume massico di inizio compressione e quello di fine compressione; in altre parole ci dice quante volte riduciamo il volume del gas durante la fase di compressione. = è il rapporto volumetrico di compressione cioè il rapporto fra

5 v3 τ = è il rapporto di combustione a pressione costante v2 è l esponente dell adiabatica e nel caso dell aria vale,4 Si deduce quindi che, al crescere del rapporto di compressione, si ottiene un aumento del rendimento del ciclo Diesel ideale come avviene anche nel ciclo Otto ideale; infatti al crescere del rapporto di compressione si riduce il valore del termine e quindi il rendimento si avvicina all unità. Possiamo però sottolineare che a pari rapporto di compressione, il rendimento del ciclo Otto ideale risulta superiore a quello del ciclo Diesel τ ideale; infatti il valore di ( ) è di norma > quindi va ad aumentare il τ valore da sottrarre all unità τ ( τ ). 3) Parla del Ciclo Ideale Sabathè A differenza del ciclo Otto in cui l introduzione di calore è isovolumica e del ciclo Diesel in cui l introduzione di calore è isobara in questo ciclo la fase di introduzione di calore è sdoppiata in due fasi consecutive e distinte, una di tipo isovolumico, l altra di tipo isobarico. Tracciare il diagramma nel piano p-v indicando le unità di misura dell asse X (volume massico m 3 /Kg) e dell asse Y (pressione bar oppure MPa). Commentare le varie fasi! A parità di rapporto di compressione, il rendimento del ciclo Sabathè Risulta intermedio fra quelli dei cicli Diesel e Otto. 4) Cosa risulta dal confronto dei vari cicli ideali Se si fissano gli stessi valori per alcune grandezze caratteristiche (rapporto volumetrico di compressione, temperatura massima raggiunta, calore unitario introdotto ecc.) si osserva che il rendimento maggiore si ha nel ciclo Otto e poi a seguire nel Sabathè e nel Diesel. Tuttavia nella pratica costruttiva, mentre nei cicli Otto il rapporto di compressione non supera il valore 0, nei cicli Diesel e Sabathè esso risulta tra 5 e 23. Pertanto questi ultimi, in particolare il cilco Sabathè, a pari condizioni (fatta eccezione per ) raggiungono i rendimenti maggiori. La ragione per cui nel ciclo Otto non possiamo superare certi valori di rapporto di compressione è che in fase di compressione viene compressa una miscela combustibile/comburente che con pressioni elevate andrebbe incontro ad una auto-detonazione prima dello scoccare della scintilla con conseguente combustione irregolare. Tale problema evidentemente negli

6 altri cicli non esiste poiché si comprime solo aria che non si incendierà a causa dell innalzamento di temperatura dovuto alla compressione. 5) Cosa è la pressione media di un ciclo? La pressione media può essere definita come quel valore di pressione costante che, se esercitata sul pistone durante tutta la corsa di espansione, produce una quantità di lavoro pari al lavoro rappresentato dall area racchiusa dal ciclo. La pressione media può essere intesa come il valore medio fra tutte le pressioni agenti sul pistone durante lo svolgimento di un ciclo completo; è una grandezza che prescinde dalla cilindrata, dalla potenza del motore e dal tipo di ciclo.