L = Q Q PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA IMPIANTO MOTORE TERMICO. Energia meccanica L Calore perduto. Calore dato

Transcript

1 PRIMO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Calore dato Q IMPIANTO MOTORE TERMICO Energia meccanica L Calore perduto Q L = Q Q 1

2 SECONDO PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA Calore dato Q IMPIANTO MOTORE TERMICO Energia meccanica L Calore perduto Q Dato un impianto motore con un relativo ciclo termodinamico il suo rendimento è minore od eguale a quello della macchina di Carnot operante tra le stesse temperature. Il segno di eguale vale se la macchina è reversibile. T1 T2 sa sb 2

3 IMPIANTO MOTORE TERMICO Calore dato (positivo) Q Adduzione di calore (negativo) L Compressione Espansione (positivo) L L = L L Q + L = Q + L Q = Q + L L = Q Q Sottrazione di calore (negativo) Q 3

4 RENDIMENTO GLOBALE DI UN IMPIANTO MOTORE Mc *Hi Qr Lr Lu Perdita Perdita Perdita Mc *Hi * (1-ηb) Qr * (1-ηr) Lr* (1-ηr) 1 kwh = 860 kcal 1 kw = 860 kcal/h 4

5 MOTORI ALTERNATIVI A COMBUSTIONE INTERNA ALTERNATIVI ROTATIVI 5

6 Rappresentazione schematica del gruppo: cilindro, pistone, biella, manovella. Motore alternativo azionato da un manovellismo ordinario centrato. 6

7 7

8 Un motore a combustione interna alternativo, sia ad accensione comandata che diesel, è essenzialmente costituito dai seguenti componenti principali: a) Le Canne dei cilindri, ciascuna costituita da un solido cilindrico, con sezione a corona circolare, raffreddato esternamente con liquido refrigerante o con aria; b) L Incastellatura, avente la funzione di collegamento delle canne dei cilindri con il basamento; c) La Testata, avente la funzione di chiusura delle canne dei cilindri e di contenimento al suo interno della camera di combustione della miscela aria-combustibile; d) I Pistoni, costituiti da solidi cilindrici cavi, scorrevoli all interno delle canne dei cilindri, aventi la funzione di assicurare lo scambio di lavoro tra il fluido motore e gli organi mobili della macchina; e) il Manovellismo di spinta alternativo, avente la funzione, per ciascun cilindro dal sistema biella-manovella, di trasformare il moto rettilineo alternativo del pistone in moto rotativo continuo della manovella e, quindi, dell albero motore; f) Il Carter, avente la funzione di chiusura verso il basso delle canne dei cilindri e di raccolta dell olio di lubrificazione delle canne dei cilindri; g) Il Basamento, avente la funzione di assorbimento sia delle forze d inerzia del manovellismo che delle forze dovute alla pressione esercitata dai gas all interno dei cilindri. 8

9 Apparati ed organi ausiliari dei motori a combustione interna alternativi Sono costituiti da: a) sistema di alimentazione: ha la funzione di apportare ai vari cilindri del motore e per ogni ciclo di funzionamento di quest ultimo la quantità di combustibile necessaria perché avvenga un corretto svolgimento del processo di combustione; b) sistema della distribuzione: avente la funzione di rinnovare il fluido evolvente nei cilindri ad ogni ciclo di funzionamento del motore; c) sistema di accensione: è presente soltanto nei motori ad accensione comandata ed ha la funzione di attivare, attraverso l impiego di opportuni dispositivi di tipo elettronico gestiti da un microprocessore, lo scoccare della scintilla tra gli elettrodi una o più candele alloggiate all interno della camera di combustione di ogni cilindro; d) circuito di refrigerazione: può essere ad aria o a liquido ed ha la funzione di assicurare la refrigerazione dei materiali delle canne dei cilindri e degli organi del manovellismo nonché quella di limitare la temperatura di esercizio dell olio lubrificante; e) sistema di avviamento: ha la funzione di trascinare il motore fino ad un regime di rotazione in corrispondenza del quale esso è in grado di sostenersi autonomamente. 9

10 MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA ALTERNATIVI AD ACC. COMANDATA DIESEL A 4 TEMPI A 2TEMPI A 4 TEMPI A 2TEMPI MOTORI A 4 TEMPI -ASPIRAZIONE -COMPRESSIONE -ESPANSIONE -SCARICO MOTORI A 2 TEMPI -LAVAGGIO E COMPRESSIONE -ESPANSIONE E SCARICO 10

11 11

12 12

13 SISTEMI DI LAVAGGIO GRANDI MOTORI DIESEL 2T 13

14 14

15 15

16 16

17 17

18 18

19 19

20 20

21 21

22 22

23 CAMPO DI APPLICAZIONE DEI MCI MOTORI A 2 TEMPI AD ACC. COMANDATA - Bassa efficienza - Piccola potenza - Elevate emissioni MOTORI A 4 TEMPI DIESEL - Alta efficienza - Bassa, media o elevata potenza - Funzionamento ad alti regimi Applicazioni: motoscooter di piccola cilindrata; piccole imbarcazioni. Applicazioni: Trazione terrestre; produzione energia elettrica; propulsione navale. MOTORI A 4 TEMPI AD ACC. COMANDATA - Ridotta efficienza - Ridotte emissioni - Bassa e media potenza MOTORI A 2 TEMPI DIESEL - Alta efficienza - Elevata potenza - Funzionamento a bassi regimi Applicazioni: Motocicli ed autovetture di piccola, media e grande taglia; motogeneratori a metano; propulsione marina ed aereonautica leggera. Applicazioni: Grande propulsione marina 23

24 CICLO IDEALE SABATHE Q1 3 Q2 3 IPOTESI: -gas ideale -componenti perfetti p 2 4 Q 1 v v2 v1 24

25 CICLO OTTO (b=1) p 3=3 1 K=1,6 Q1 K=1,4 K=1, Q 1 v2 v1 V

26 CICLO DIESEL p Q2 2=3 3 1 b =1,1 b = 1,2 OTTO 4 Q 1 V v2 v

27 27

28 DIAGRAMMA INDICATO MOTORE A 4 TEMPI p pmi patm Vc Vcil v scar l φ θ r asp p A patm ds 28

29 DIAGRAMMA INDICATO MOTORE A 4 TEMPI L i ( p patm) A s ( p patm) A s ( p patm) A s ( p patm) A s p mi V cil ASP (-) COMP (-) ESP (+) SC (-) 29

30 FORMULA POTENZA MCI 30

31 FORMULE DELLA POTENZA MCI c s m P c e, kw 860 H g i Pt Pe Ce Pe Ct Ce P e, kw V cil i n 60 a v 1 c s p me V 60 cil n i nmin ncmax npmax n p me a c s v 31

32 compressione DIAGRAMMA DELLA DISTRIBUZIONE DI UN MOTORE A C.I. A 4 TEMPI AD ACC. COMANDATA TEORICO PMS C.S. REALE A.A. PMS C.S. A.A. A.A aspirazione aspirazione C.A. C.A A.S. A.S. PMI PMI 32

33 CARBURATORE ELEMENTARE c c c c p c p c p c c c c p p p p P x Miscela Combustibile Aria

34 34

35 35

36 MULTI-POINT L-JETRONIC 36

37 37

38 38

39 39

40 40

41 41

42 COMBUSTIONE PERFETTA E STECHIOMETRICA Ipotesi: a) Miscelazione perfetta del combustibile b) Dosatura stechiometrica dell aria comburente Combustibile Aria stechiometrica Motore a combustione interna Anidride carbonica Vapore d acqua Azoto 42

43 COMBUSTIBILI BINARI DI CARBONIO E IDROGENO (IDROCARBURI) Reazione di combustione tra un idrocarburo di formula CnHm e l aria stechiometrica Rapporto di dosatura stechiometrico C H n 2n st Per un idrocarburo di formula, vale 14,78 kg di aria / kg di combustibile 43

44 44

45 45

46 ARIA COMBUSTIBILE MOTORE AD ACC. COMANDATA CO2 H2O N2 O2 CO HC NOx inquinanti regolamentati 46

47 Aria Sistema di iniezione Motore a combustione interna Sonda lambda Catalizzatore Trivalente Gas di scarico Centralina di controllo 47

48 48

49 49

50 FUNZIONAMENTO DELLA MARMITTA CATALITICA RIVESTIMENTO A BASE DI PLATINO, PALLADIO E RODIO PER LA CONVERSIONE DEL CO, DEGLI HC E DEGLI NOx IN CO2, H2O ed N2 SUBSTRATO CERAMICO O METALLICO 50

51 SISTEMA DI INIEZIONE IN PRECAMERA 51

52 SISTEMA DI INIEZIONE IN PRECAMERA 52

53 SISTEMA DI INIEZIONE DIRETTA DI GASOLIO 53

54 ARIA COMBUSTIBILE MOTORE DIESEL CO2 H2O N2 O2 CO HC NOx Particolato SOx 54

55 STRATEGIE PER LA RIDUZIONE DEGLI INQUINANTI NEI MOTORI DIESEL a) Interventi sul combustibile b) Interventi sul processo di combustione c) Interventi attuati allo scarico del motore 55

56 INTERVENTI SUL COMBUSTIBILE Riduzione del tenore di zolfo Riduzione degli idrocarburi aromatici 56

57 Vapori di SO2 Zolfo del combustibile MCI Solfati solidi (3% dello zolfo del combustibile) 57

58 INTERVENTI SUL PROCESSO DI COMBUSTIONE DEL MOTORE Ricircolazione dei gas di scarico (EGR) Controllo elettronico dell iniezione del combustibile Aumento della pressione di iniezione del combustibile Ottimizzazione del campo di moto in camera di combustione 58

59 Struttura particolato emesso dai motori diesel SOOT composizione media C8H SOF Idrocarburi adsorbiti o condensati 59

60 60

61 61

62 62

63 TRAPPOLA DEL PARTICOLATO 63

64 REFRIGERAZIONE A LIQUIDO NEI MCI t ir Termostato m L aria S t ma MCII t ia Elettroventola Radiatore t ur Pompa di circolazione Q t m refr R t m i R Liq 2 t u R 1 1 s 1 ( ti t ) ( ) ( R u c S t R m t R amb m aria c tu t a i a p a ) aria Liq 64

65 SOVRALIMENTAZIONE NEI MCI a) Con comando meccanico b) Con turbocompressore a) b) Gas combusti MCII MCII C MCII C T aria Aria Gas combusti C T Aria Gas combusti 65

66 SOVRALIMENTAZIONE NEI MCI ps: pressione dei gas combusti all apertura della valvola di scarico pa: pressione atmosferica p0: pressione di sovralimentazione p0/pa: grado di sovralimentazione T ps/pa: rapporto di espansione in turbina ps ps ps ps p0 pa pa Vcil Vcil motore aspirato motore sovralimentato m g k k g g 1 R g T g 1 T 1 k g k g 1 T m a k k a a 1 R a T a p p 0 a ka ka c ; T p p s a 66