Introduzione ai Motori a Combustione Interna

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1 Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Corso di Laurea Triennale Dinamica e Controllo della Macchine Docente: Prof. Giuseppe Cantore

2 Testo di riferimento Fondamenti di MOTORI ENDOTERMICI ALTERNATIVI con cenni di controllo dalle lezioni di Macchine e di Dinamica e Controllo delle Macchine del Prof. Giuseppe Cantore Casa editrice Progetto Leonardo Bologna 2

3 Classificazione delle macchine MACCHINE MOTRICI - A COMBUSTIONE INTERNA (turbine a gas, motori endotermici alternativi, ) - A COMBUSTIONE ESTERNA (turbine a vapore, ) MACCHINE OPERATRICI (pompe, compressori, ) 3

4 Classificazione delle macchine TURBOMACCHINE (turbine, compressori dinamici, ) MACCHINE VOLUMETRICHE - ALTERNATIVE (motori endotermici alternativi, compressori a pistoni, ) - ROTANTI (compressori a lobi, compressori a palette ) 4

5 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 5

6 Motori a combustione interna Classificazione Modo di avviare la combustione Accensione spontanea (per compressione): AC Accensione comandata (da una scintilla): AS HCCI (Homogeneous charge compression ignition): carica aria/combustibile estremamente diluita ed omogenea che reagisce e brucia in tutta la camera di combustione senza il propagarsi di un fronte di fiamma grazie alle condizioni termodinamiche generate a seguito del lavoro di compressione effettuato dal pistone. 6

7 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 7

8 Motori a combustione interna Classificazione 2 TEMPI 4 TEMPI 8

9 Motori a combustione interna Classificazione Fasi del motore a 4 tempi Aspirazione Compressione Espansione Scarico Combustione 9

10 Motori a combustione interna Fasi del motore a 2 tempi Classificazione Scarico Travaso Lavaggio Compressione Espansione 10

11 Motori a combustione interna Classificazione Natura del combustibile usato Benzina Gasolio Olio combustibile Metano GPL Alcool Idrogeno Doppio Combustibile (miscela aria-metano o aria-gpl come base e gasolio per avviare la combustione) Motore poli-combustibile Miscele idrogeno-metano 11

12 Motori a combustione interna Classificazione Alimentazione dell aria Motore aspirato Motore sovralimentato Motore turbocompresso 12

13 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) 13

14 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 14

15 Motori a combustione interna Classificazione Tipo di moto delle parti del motore in movimento Alternativo Rotatorio Oscillante 15

16 Motori a combustione interna Classificazione Sistema di raffreddamento Ad aria A liquido Motore adiabatico 16

17 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE 17

18 Organi del manovellismo Il manovellismo è composto da biella, manovella, pistone ed albero a gomiti Spinotto Biella Piede e testa di biella Albero a gomiti Perno di manovella Piede di biella Spinotto Fusto di biella Bronzine Testa di biella Cappello di biella 18

19 Organi del manovellismo Pistoni di motori ad accensione comandata Motori a Combustione Interna 19

20 Organi del manovellismo Pistoni di motori ad accensione spontanea Motori a Combustione Interna 20

21 Organi del manovellismo Albero motore (o albero a gomiti) Motori a Combustione Interna 21

22 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; 22

23 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; 23

24 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; 24

25 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Rapporto volumetrico di compressione, : rapporto fra il volume totale del cilindro ed il volume della camera di combustione, ossia: Vt V0 V V V 0 0 c 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 25

26 GRANDEZZE GEOMETRICHE E CINEMATICHE CARATTERISTICHE Angolo di manovella, : angolo descritto dalla rotazione della manovella a partire dal PMS; indicata con la velocità di rotazione dell albero motore e con n il suo numero di giri nell unità di tempo si ha: t 2 n t 26

27 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) possibilità di un migliore alloggiamento delle valvole, possibilità di adottare valvole di maggior diametro, etc. 27

28 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) 28

29 NOMENCLATURA MANOVELLISMO s l r l cos r cos B s l r l cos r cos B 29

30 SPOSTAMENTO DEL PISTONE l sen r sen sen sen Ponendo r l 30

31 SPOSTAMENTO DEL PISTONE Inoltre si può ricavare: sen sen cos 1 1 Legge di spostamento del pistone: 1 s B r sen cos

32 SPOSTAMENTO DEL PISTONE Spostamento del pistone s p : s p C cos 1 sen ponendo: R C m 2 R m L b R m = raggio di manovella L b = lunghezza di biella C = corsa 32

33 VELOCITÀ DEL PISTONE Velocità media del pistone v mp : vmp 2 C n n = regime di rotazione del motore Velocità del pistone v p : sen2 v p vmp sen sen 33

34 ACCELERAZIONE DEL PISTONE Velocità del pistone semplificata: v p vmp 2 2 sen sen 2 Accelerazione del pistone a p : a p C 2 2 cos cos2 = velocità angolare del motore t 34

35 Architettura di un motore alternativo a 4 tempi 35

36 Organi della Distribuzione La distribuzione comprende: le valvole di aspirazione, per regolare il flusso di benzina miscelata all'aria o di aria; le valvole di scarico, per poter regolare il flusso dei gas di scarico; i sistemi preposti al regolare funzionamento di esse, cioè l'albero a camme, che regola la fasatura di apertura di ogni valvola, le punterie, le aste di distribuzione, i bilancieri. Motori a Combustione Interna 36

37 Organi della Distribuzione alberi a camme camme punterie valvole Motori a Combustione Interna 37

38 Organi della Distribuzione Posizionamento della distribuzione: In buona parte dei motori il meccanismo di distribuzione è raggruppato sulla testata: si definisce infatti distribuzione a camme in testa, nella quale l'albero a camme lavora direttamente sulle punteria delle valvole, ed è collegato all'albero motore tramite una catena o una cinghia o con una cascata di ingranaggi (generalmente riservato alle corse). Nei motori più datati, si ha invece la distribuzione indiretta, dove le camme sono situate nel basamento, e azionano le valvole grazie a un sistema di aste e bilancieri. Motori a Combustione Interna 38

39 Organi della Distribuzione PUNTERIE O BILANCIERI Motori a Combustione Interna 39

40 Organi della Distribuzione 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 40

41 Organi della Distribuzione DOHC SOHC Motori a Combustione Interna 41

42 Organi della Distribuzione Valvole in testa OHV (Over Head Valves) Albero a camme nel basamento e sistema aste-bilanceri Motori a Combustione Interna 42

43 Organi della Distribuzione Tipo di trasmissione: A catena: soluzione antiquata, causa maggiore rumorosità ma è più resistente al tempo ed all'usura. A cinghia dentata: costruita in gomma, molto silenziosa, ma non garantisce la durata, in quanto invecchiando la gomma s'indurisce, rischiando di causare rotture improvvise della cinghia stessa. A cascata d'ingranaggi: soluzione più costosa, generalmente relegata alle competizioni, ma facilita la revisione, non ha bisogno del tendi catena/cinghia, ha pochissimo gioco d'accoppiamento e perciò molto precisa nel trasmettere la rotazione. Motori a Combustione Interna 43

44 Organi della Distribuzione Tipo di richiamo delle valvole Elastica: tecnica più antica e consiste nell'utilizzo di una o più molle elastiche per valvola, costruite generalmente in acciaio armonico o titanio, per chiudere la valvola. Pneumatica: tecnica molto costosa, generalmente riservata alle competizioni, consiste nell'utilizzo di una molla pneumatica, che ha lo stesso funzionamento della molla elastica, ma migliora la chiusura ai elevati regimi eliminando il rimbalzo della valvola dalla sede. Desmodromica: una tecnica poco utilizzata, sia in ambito civile che competitivo, il quale consiste nel comandare tramite bilancieri la chiusura della valvola. Motori a Combustione Interna 44

45 Organi della Distribuzione Sistema Desmodromico Motori a Combustione Interna 45

46 Diagramma polare della distribuzione Ciclo ideale Motori a Combustione Interna 46

47 Diagramma polare della distribuzione Sistemi di attuazione delle valvole Motori a Combustione Interna 47

48 Diagramma polare della distribuzione Legge di alzata delle valvole Motori a Combustione Interna 48

49 Diagramma polare della distribuzione Ciclo reale Motori a Combustione Interna 49