PMS PMI CICLO DI UN MOTORE A QUATTRO TEMPI (CICOLO DI OTTO)

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Bernarda Amato
7 anni fa
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1 CICLO DI UN MOTORE A QUATTRO TEMPI (CICOLO DI OTTO Consideriamo, in modo approssimato, il ciclo termodinamico di un motore a quattro tempi. In figura è mostrato il cilindro entro cui scorre il pistone, la corsa (80-90 mm è data dalla distanza tra il punto morto inferiore PMI e il punto morto superiore PMS. Non sono invece raffigurate le valvole di ingresso e di uscita del combustibile e la candela di accensione. PMS PMI Le illustrazioni seguenti, da: sono più dettagliate e mostrano le varie fasi del ciclo. 0 Il pistone, muovendosi verso il PMI aspira la miscela di aria e benzina attraverso la valvola di aspirazione, mentre è chiusa quella di scarico. Supponiamo che questa trasformazione avvenga idealmente a pressione atmosferica (isobara. Nella corsa di ritorno, a valvole chiuse, la miscela viene compressa. Idealmente, questa compressione viene considerata adiabatica. Il processo è tanto più adiabatico quanto più velocemente gira il motore. La pressione e la temperatura aumentano. 3 Al termine della corsa avviene la combustione della miscela, idealmente a volume costante. La combustione è cioè considerata tanto veloce da trascurare il moto del pistone durante essa. 3 4 Terza corsa. Sempre a valvole chiuse il pistone si muove rapidamente verso il PMI, per effetto della spinta esercitata dai prodotti di combustione. L'espansione si considera idealmente adiabatica. Questa è l'unica fase attiva del ciclo, cioè l'unica dove si compie lavoro utile. 4 Al termine della corsa si apre la valvola di scarico (nella pratica l'apertura viene anticipata per evitare che il pistone sprechi troppa energia nell'espellere i gas. Si trascura ancora il moto del cilindro durante l'apertura, idealmente istantanea, e si approssima questa trasformazione con una isocora in cui la pressione diminuisce istantaneamente per la fuoriuscita dei gas combusti. 0 Quarta corsa. Si ottiene la completa espulsione dei prodotti residui attraverso la valvola di scarico, che rimane aperta per tutta la trasformazione. Come la fase di immissione, questa fase è considerata idealmente isobara a pressione atmosferica.

2 Il ciclo ideale reversibile così descritto è rappresentato nel piano p seguente.

3 3 4 Calcoliamo il rendimento. I calori scambiati nelle isocore: Q 3 =n c ( T Q 4 =n c ( T η= Q 4 = T = T T 4 Q 3 T T Dalle adiabatiche: γ γ = T γ =T γ T = =( T γ quindi η= ( r γ con r= rapporto di compressione Ponendo γ=.4 per l'aria. In realtà il valore è intermedio tra quello dell'aria e quello del combustibile (circa.. Il rendimento, tanto più elevato quanto maggiore è γ, è quindi maggiore per miscele povere di combustibile.

4 Il rendimento del motore aumenta all'aumentare del rapporto di compressione. Non si può aumentare indefinitamente r per non incorrere nella accensione anticipata della miscela a causa dell'alta temperatura alla fine della fase di compressione. r=5-8 per motori a scoppio lenti, dunque con γ=.4, η= r=0- per motori da competizione, dunque, con γ=.4, η= La figura seguente mostra il rendimento reale del ciclo. Notiamo i seguenti fatti riguardanti il ciclo reale La fase di aspirazione non avviene a pressione atmosferica, ma a una pressione inferiore, corrispondente alla depressione prodotta dal moto del pistone. La fase di scarico invece avviene a pressione leggermente superiore a quella atmosferica, perché i gas combusti sono spinti dal pistone verso l'esterno. Queste due trasformazioni costituiscono un ciclo termico percorso in senso antiorario (grigio in figura, tale lavoro è compiuto dall'ambiente sul sistema e deve essere detratto da quello utile prodotto dal motore. La fase di espansione e quella di compressione non sono adiabatiche ma politropiche a esponente tanto minore quando maggiore è il calore scambiato con l'esterno. Oltre all'impossibilità di realizzare una trasformazione adiabatica, c'è anche il fatto che il calore viene volutamente sottratto con dispositivi di refrigerazione per mantenere la temperatura del motore entro limiti tollerabili. La fase di combustione non avviene in un tempo istantaneo, ma ha un tempo finito di propagazione, seppur preve, nella camera di combustione. Avviene a volume crescente, con conseguente minor incremento di pressione e temperatura.

5 CICLO DIESEL 3 4 Relazioni tra i parametri: γ = γ T γ =T γ p =n RT p =nr quindi: T T =( T 4 3 =( γ γ T = = T γ 3 3 T T = γ 3 γ γ Definiamo: r C = rapporto di compressione r E = rapporto di espansione c= rapporto di combustione Q 3 =nc P ( T Q 4 =nc ( T η= Q 4 Q 3 = c c P T T = γ T T

6 CALCOLO IN FUNZIONE DEL RAPPORTO DI ESPANSIONE η= γ η= γ η= γ T T 3 ( γ ( ( γ r E ( r C = γ γ γ T = γ T T = γ r E r C CALCOLO IN FUNZIONE DEL RAPPORTO DI COMBUSTIONE η= γ η= ( r c T T T T γ c γ γ c = γ ( γ ( γ Confrontiamo il rendimento Diesel con quello del motore a scoppio γ η Otto = ( r c >η Diesel = ( r c γ c γ γ c ( γ 3 3 ( γ

7 Grafico di y= γ cγ c per c> e γ=.4 Dunque a parità di rapporto di compressione il motore a scoppio è più efficiente del motore Diesel. Ma per il motore Diesel i rpporti di compressione possono essere r= 6-, il che rende il motore Diesel leggermente più efficiente di quello a scoppio. Ponendo r= c=5 γ=.4 si ottiene per il ciclo Diesel il rendimento η=058

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