Elementi di Meccanica agraria parte seconda

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1 Corso di Meccanica agraria Istituto Agrario S. Michele Elementi di Meccanica agraria parte seconda Classe 3^S a.s con il coordinamento e la supervisione del prof. Maines Fernando Giugno 2010

2 Elementi di meccanica agraria pag. 1 Maines Fernando Sommario 1 I motori termici: definizione, classificazione e parametri principali I motori endotermici I principali organi dei motori endotermici I cicli ed i tempi dei motori endotermici Motori ad accensione spontanea (o a ciclo Diesel) Motori ad accensione comandata (o a ciclo Otto) Motori a 4 tempi Motori a 2 tempi I cicli teorici e i cicli reali dei motori endotermici I cicli dei motori endotermici Il ciclo Diesel teorico Il ciclo Otto Il ciclo Sabathè Il ciclo reale La trasmissione del moto con organi deformabili Le catene Le cinghie Il sistema di distribuzione nei motori endotermici Le curve caratteristiche di un motore Curva caratteristica della coppia Curva caratteristica della potenza Curva caratteristica del consumo specifico L impianto di raffreddamento Sistemi di raffreddamento a liquido Sistemi di raffreddamento ad aria Gli attriti Tecniche per ridurre gli attriti in un motore Cuscinetti Lubrificanti Impianto di lubrificazione L impianto di alimentazione del motore diesel La sovralimentazione Compressore volumetrico Turbocompressore Il sistema di avviamento...113

3 Elementi di meccanica agraria pag. 2 Maines Fernando 1 I motori termici: definizione, classificazione e parametri principali

4 Elementi di meccanica agraria pag. 3 Maines Fernando

5 Elementi di meccanica agraria pag. 4 Maines Fernando

6 Elementi di meccanica agraria pag. 5 Maines Fernando I motori termici o motori a combustione sono dispositivi che producono del lavoro meccanico utilizzando il calore come vettore energetico. Il loro compito è quello di fornire il moto necessario al funzionamento delle macchine (dispositivi costituiti da un insieme di organi, di cui almeno uno è in movimento). Il motore, infatti, deve mettere a disposizione sufficiente forza motrice sia per svolgere lavoro utile (lavoro positivo) che per contrastare le forze resistenti passive 1. La correlazione fra intensità e variazione delle forze motrici e delle forze resistenti determina il funzionamento di una macchina che, in modo molto schematico, si può suddividere in tre diverse fasi: la fase di avviamento, la fase di regime, la fase di arresto. Le prestazioni di un motore sono definite in prima battuta dal rendimento meccanico, che rappresenta l efficienza con cui i componenti meccanici interagiscono (scorrendo, rotolando) tra di loro senza perdere energia. Il valore di tale parametro è dato dal rapporto fra l energia sviluppata a livello del volano (organo che ruota in uscita dal motore) e l energia messa a disposizione dalla combustione. Esso si può mettere in relazione con la forza resistente alla rotazione del motore: tanto maggiore sarà tale forza e tanto maggiore sarà l azione frenante (forze resistenti) e minore sarà il rendimento. I motori termici si suddividono in motori esotermici e motori endotermici. I motori a combustione esterna, protagonisti della prima meccanizzazione dell agricoltura, sono una tipologia di motori nei quali la combustione per riscaldare il 1 Le forze resistenti si dividono in forze resistenti passive e forze resistenti utili. In entrambi i casi si tratta di forze che si oppongono al moto ma a differenza delle forze resistenti passive, quelle resistenti utili svolgono un lavoro utile (come nel caso della frizione o del freno).

7 Elementi di meccanica agraria pag. 6 Maines Fernando fluido operativo avviene esternamente al motore vero e proprio dove invece si realizza la conversione dell energia termica in lavoro meccanico. Appartengono a questa categoria il motore a vapore e il motore Stirling. In generale si caratterizzano per i bassi rendimenti (0,12 0,15); inoltre, a parità di potenza, un motore a combustione esterna è in genere più ingombrante e pesante di un motore a combustione interna soprattutto per la presenza di uno scambiatore di calore utilizzato per riscaldare il fluido di lavoro. Per contro si caratterizza per la forte coppia all avviamento ed è meno esigente per quanto riguarda la qualità del combustibile; infine, la temperatura e la pressione relativamente basse della combustione portano ad una minor formazione di inquinanti, in particolare per quanto riguarda gli ossidi di azoto. 1.1 I motori endotermici I motori endotermici sono dei motori termici nei quali la combustione avviene in una camera interna al motore, nella quale viene immessa, tramite un apposito sistema di alimentazione, una miscela composta da un carburante o un combustibile (gasolio, metano, GPL, cherosene) e un comburente (aria). Il calore prodotto viene trasformato in lavoro meccanico, mentre i prodotti della combustione sono espulsi attraverso un impianto di scarico. I motori endotermici possono essere: ad accensione comandata o a scintilla (basati sul ciclo Otto); ad accensione spontanea (basati sul ciclo Diesel). Nei motori endotermici ad accensione comandata l accensione viene comandata attraverso una scintilla ad alta tensione che scocca nella miscela aria-combustibile all interno del cilindro. La scintilla viene prodotta attraverso una bobina alimentata da una batteria che può essere ricaricata durante il funzionamento attraverso un alternatore trascinato dal motore. Nei motori ad accensione spontanea il combustibile viene iniettato in una camera dove è presente dell aria fortemente compressa; la combustione si innesca spontaneamente a causa delle condizioni di alta temperatura dell aria stessa. I motori endotermici si dividono ulteriormente in: motori rotativi;

8 Elementi di meccanica agraria pag. 7 Maines Fernando motori alternativi. Fra i motori endotermici rotativi, generalmente a ciclo Otto, il principale esempio è il motore Wankel messo a punto nel 1950 nel quale il pistone non si muove di moto alternato ma ruota attorno a un asse. Questo motore si caratterizza per gli alti rendimenti ma presenta ancora qualche criticità nell assicurare la tenuta del pistone nel tempo. I motori alternativi, anche chiamati motori a pistoni, sono motori termici basati sul sistema biella-manovella, dispositivo in grado di trasformare il movimento alternativo del pistone (derivante dalla pressione generato all interno della camera di combustione), in un movimento di rotazione dell albero motore. I motori alternativi si diversificano in base al numero di cilindri e alla loro diversa disposizione, al numero di tempi (possono essere a due o quattro tempi), al campo di utilizzo (in agricoltura si utilizzano soprattutto motori Diesel veloci) e al tipo di raffreddamento. Vengono inoltre classificati in base ad alcuni parametri geometrici: il punto morto superiore (PMS): è l altezza massima che il pistone può raggiungere nella sua corsa all interno del cilindro; il punto morto inferiore (PMI): è l altezza minima raggiunta dal pistone nella sua corsa all interno del cilindro; la corsa: è la distanza compresa tra PMS e PMI ed è generalmente espressa in millimetri; l alesaggio: è il diametro interno del cilindro ed è generalmente espresso in millimetri;

9 Elementi di meccanica agraria pag. 8 Maines Fernando la cilindrata: è il volume del cilindro racchiuso tra due punti morti ed è espressa generalmente in centimetri cubici o in litri (decimetri cubici); rapporto (volumetrico) di compressione dato dal rapporto tra la somma del volume della cilindrata (C) e il volume della camera di combustione 2 (K) divisa per il volume della sola camera di combustione: R c = (C + K)/K I motori rotativi possono essere classificati anche in base ad alcune grandezze legate alla prestazione del motore: il rendimento: nei motori termici dipende sostanzialmente dal rapporto tra la temperatura di inizio e di fine ciclo; il regime di rotazione: rappresenta la velocità di rotazione dell albero motore, espressa in radianti al secondo (rad/s) o più frequentemente in giri al minuto (giri/min); il rapporto massa-potenza espresso in kg/kw; il consumo specifico che rappresenta la quantità combustibile utilizzato dal motore per ogni kilowatt di potenza erogata. Ecco alcuni valori di riferimento di queste grandezze per i motori a ciclo Otto e a ciclo Diesel. Benzina Diesel Rendimento % 34-40% Regime di rotazione (giri/min) Rapporto massa/potenza(kg/kw) Potenza per unità di cilindrata (kw/l) Consumo specifico di combustibile (g/kwh) La camera di combustione è lo spazio compreso tra la testata e la testa del pistone quando si trova al PMS.

10 Elementi di meccanica agraria pag. 9 Maines Fernando 2 I principali organi dei motori endotermici

11 Elementi di meccanica agraria pag. 10 Maines Fernando

12 Elementi di meccanica agraria pag. 11 Maines Fernando

13 Elementi di meccanica agraria pag. 12 Maines Fernando Il motore diesel è costituito principalmente dai seguenti organi: 1. monoblocco; 2. testata; 3. coppa dell olio; 4. pistoni o stantuffi; 5. biella; 6. albero motore; 7. volano;

14 Elementi di meccanica agraria pag. 13 Maines Fernando 8. organi di distribuzione; 9. albero a camme; 10. valvole di aspirazione e di scarico; 11. dispositivo equilibratore; 12. sistemi e impianti accessori. Il monoblocco: costituisce l elemento strutturalmente portante del motore. In esso sono ricavati i cilindri, le eventuali intercapedini per la circolazione dell acqua di raffreddamento, gli alloggiamenti dei vari organi, le sedi delle valvole nel caso di motore a 4 tempi a valvole laterali. È costituito principalmente di alluminio o ghisa. La testata: chiude superiormente il monoblocco. In essa sono ricavati i fori per le candele (motore ciclo Otto) o per gli iniettori (motori Diesel), le sedi per le valvole di aspirazione e di scarico, la camera di combustione, i fori di raccordo ai collettori di aspirazione dell aria e di scarico dei gas combusti. La tenuta fra testata e monoblocco è assicurata da una guarnizione resistente alla pressione e alla temperatura. Normalmente i motori fino a 4 cilindri sono dotati di testata unica, mentre quelli a 6 cilindri ne presentano 2. In altre realizzazioni si hanno testate indipendenti, una per ogni cilindro. Il sistema di fissaggio della testata viene effettuato mediante prigionieri e bulloni tirati con apposite chiavi dinamometriche, secondo una successione prestabilita. Per i motori a due tempi le testate possono essere di tre tipi: monopezzo, scomponibili o integrata. La testata è principalmente costruita in ghisa o in alluminio. La coppa dell olio: rappresenta la chiusura inferiore del monoblocco. Nel motore a 4 tempi contiene l olio di lubrificazione, mentre nel motore a 2 tempi, nella coppa entra la miscela aspirata del carburatore. È generalmente in ghisa o in alluminio ma può essere realizzato anche con un polimero termoplastico.

15 Elementi di meccanica agraria pag. 14 Maines Fernando Il cilindro: è la parte fondamentale del motore. Può essere ricavato direttamente per lavorazione dell acciaio del monoblocco (motori senza camicia o linerless) oppure è costituito da canne a secco (quando sono pressate a freddo e le loro pareti sono a diretto contatto con la ghisa del monoblocco) o in umido (quando sono a contatto con il refrigerante). Nonostante vengano prediletti motori con numero pari di cilindri, per l efficienza e la rotondità di funzionamento, esistono casi di motori con 3 o 5 cilindri. I materiali utilizzati per la fabbricazione dei cilindri sono: alluminio: è un materiale leggero, con un maggiore potere dissipante del calore, ma data la sua dolcezza richiede dei trattamenti per poter supportare l attrito con il pistone, come la cromatura o un riporto con una lega resistente come il carburo di silicio e nichel (Ni-Kasil) o la ghisa. ghisa: è un materiale pesante, ma che richiede solo poche lavorazioni e resiste bene agli stress termici; inoltre, essendo un materiale molto duro e poroso, si raffredda molto velocemente, riuscendo a far defluire velocemente il calore. I pistoni o stantuffi: sono l elemento scorrevole dentro al cilindro, che trasforma l energia di pressione ottenuta dalla combustione in movimento. Normalmente è costituito da 2 parti, dette testa e mantello. La testa è la parte superiore, nella quale viene ricavata la camera di combustione, di forma tale da aumentare la turbolenza dell aria e rendere più efficiente la combustione. Nella parte laterale, il mantello, sono ricavate le scanalature dove alloggiano le fasce elastiche (segmenti), che assicurano la tenuta delle pressione dei gas e l anello raschia olio, che nella discesa del pistone asporta l olio in eccesso dalle pareti del cilindro. La produzione si differenzia per il tipo di realizzazione del pistone, che può essere: fuso in conchiglia o più semplicemente fuso, dove la lega viene fatta colare per gravità nello stampo; esiste una variante dove si sfrutta la forza centrifuga e in cui lo stampo ruota e applica una lieve compressione della lega fusa;

16 Elementi di meccanica agraria pag. 15 Maines Fernando stampati: la lega viene prima utilizzata per la creazione del grezzo del pistone che poi viene sottoposto a una pressione tramite una pressa, in modo da ravvicinare ulteriormente le molecole della lega; forgiato: la lega viene fatta riscaldare fino al punto di fusione e spinta tramite un maglio a una pressione elevata dentro lo stampo, questa tecnica rispetto alla fusione permette d avere una lega più compatta e più ricca di legami molecolari (a parità di volume è più pesante, ma estremamente più resistente), il che permette di creare anche pistoni più leggeri e resistenti rispetto ai fusi; inoltre si ha una minore dilatabilità, che richiede una tolleranza minore nell accoppiamento. A carico di questo componente meccanico si possono verificare vari danni, che richiedono la sua sostituzione: grippaggio: si verifica quando il pistone si dilata troppo per il calore e si ferma nel cilindro con il conseguente bloccaggio del motore. In queste condizioni si possono verificare danni anche agli altri organi del motore stesso; spistonamento: quest evenienza si ha quando il pistone colpisce meccanicamente la testata del motore o quando si tiene per un tempo troppo prolungato il motore a un carico eccessivo, deformando le sedi dello spinotto del pistone e creando dei giochi d accoppiamento che sono deleteri per la vita e le prestazioni del motore; puntinatura: si ha quando sul cielo si formano piccoli depositi (facilmente avvertibili al tatto) consistenti in gocce del materiale del pistone derivanti dalla parziale fusione di questo per surriscaldamento locale. Con il tempo, il ripetersi di questo fenomeno può anche comportare la foratura del cielo; fusione o buco su cielo: la foratura di cui sopra può avvenire anche per un eccessivo anticipo della fasatura d accensione, carburazione troppo magra, detonazione o preaccensione: tutti casi in cui si ha una combustione molto anticipata e che termina in anticipo rispetto al PMS, innalzando la temperatura del cielo del pistone e portando prima ad un avvallamento e poi alla foratura. La biella: è un asta con fusto a doppia T e con 2 fori alle estremità detti occhio del piede per il collegamento al pistone mediante lo spinotto e occhio di testa per il collegamento all albero motore. È un elemento meccanico di collegamento tra altri due membri cinematici di un meccanismo, dotato di moto rotatorio e traslatorio. Una sua tipica

17 Elementi di meccanica agraria pag. 16 Maines Fernando applicazione è nel meccanismo biella-manovella, ovvero nel meccanismo che permette di trasformare un moto rettilineo alterno in un moto rotatorio continuo o viceversa. La biella deve essere molto resistente alle sollecitazioni, poiché questo componente è sottoposto ad azioni assiali ed a momenti flettenti variabili durante il ciclo del motore. Per la sua fabbricazione si possono usare vari materiali: plastica, nel caso di piccole macchine utensili; leghe d alluminio, ora abbandonate, che permettono di ottenere bielle più snelle e meno costose; acciaio (generalmente al nichel, cromo, molibdeno), ottimo per la notevole resistenza; titanio, usato in particolar modo nel caso di veicoli sportivi per uso competitivo. L albero motore: è detto anche albero a gomiti per i ripiegamenti che presenta in corrispondenza di ogni cilindro, formando le cosi dette manovelle. I perni di banco dell albero poggiano sui supporti di banco del basamento con lo scopo di sostenere le spinte consentendo nel contempo, la rotazione. Ciascuna manovella ha un perno di biella al quale è collegata la testa di biella (collegamento appartenete al manovellismo di spinta). Alle estremità dell albero sono montati, da una parte il volano e dall altra la puleggia per la cinghia del ventilatore, l alternatore e la pompa dell acqua di raffreddamento nonché l ingranaggio della distribuzione. Il volano: disco di massa elevata che ha lo scopo di rendere uniforme la rotazione dell albero motore, smorzando l accelerazione del pistone nella fase attiva (fase di espansione) e restituendo energia nelle fasi passive (aspirazione, compressione, scarico). Sulla corona dentata del volano ingrana il pignone del motorino elettrico di avviamento; infine il volano partecipa al funzionamento della frizione. Gli organi della distribuzione: comprendono l albero a camme, le punterie (sono organi registrabili interposti fra gli eccentrici dell albero a camme e le valvole e assicurano

18 Elementi di meccanica agraria pag. 17 Maines Fernando una regolare apertura e chiusura delle valvole eliminando i giochi che si producono per usura), la molla di ritorno e le valvole. albero a camme: ha il compito di fare aprire le valvole al momento opportuno (messa in fase della distribuzione). È comandato dall albero motore per mezzo di ingranaggi, cinghia dentata o catena e ruota a metà giri rispetto all albero motore, in quanto ciascuna valvola si deve aprire una sola volta durante le 4 fasi e quindi ogni 2 giri dell albero motore. A tal fine l ingranaggio montato sull albero a camme ha un diametro e un numero di denti doppio di quello montato sull albero motore. Le valvole sono comandate tramite aste e bilancieri, se l albero a camme è posizionato in basso oppure direttamente dall albero a camme se questo è posto in alto a livello della testata; valvole di aspirazione e di scarico: hanno una forma a fungo (testa e gambo) e la loro apertura è controllata dall albero a camme: possono essere laterali (sede ricavata nel monoblocco) o in testa (con sede ricavata nella testata); le valvole per cilindro possono essere:2 (1 di aspirazione e 1 di scarico), 3 (1 di scarico più grande e 2 di aspirazione per assicurare un maggior riempimento di aria nei cilindri) oppure 4 (2 di aspirazione e 2 di scarico).

19 Elementi di meccanica agraria pag. 18 Maines Fernando Il dispositivo equilibratore: è impiegato per ridurre le vibrazioni che si generano inevitabilmente in molti motori a causa della loro stessa architettura: in genere si tratta di un albero ausiliario (talvolta però se ne impiegano 2) con una massa eccentrica; in qualche caso si può fare ricorso a un dispositivo di tipo differente: una biella ausiliaria opportunamente guidata. Sistemi e impianti accessori: il motore è completato da diversi sistemi e impianti accessori atti a garantire un regolare funzionamento e quindi evitare danni: impianto di lubrificazione, impianto di raffreddamento, alternatore, collettori di scarico con eventuale turbocompressore, sistema di avviamento, sistema di alimentazione di aria e gasolio.

20 Elementi di meccanica agraria pag. 19 Maines Fernando 3 I cicli ed i tempi dei motori endotermici

21 Elementi di meccanica agraria pag. 20 Maines Fernando

22 Elementi di meccanica agraria pag. 21 Maines Fernando I motori si suddividono in: motori ad accensione spontanea (o a ciclo Diesel); motori ad accensione comandata (o a ciclo Otto). Un ulteriore suddivisione divide i motori endotermici in: motori a 4 tempi;

23 Elementi di meccanica agraria pag. 22 Maines Fernando motori a 2 tempi. 3.1 Motori ad accensione spontanea (o a ciclo Diesel) Nei motori a ciclo Diesel l accensione è determinata dall iniezione del gasolio nella camera di combustione, quando il pistone si trova nel PMS e l aria è fortemente compressa. L aria ha raggiunto una temperatura molto elevata, superiore a quella di infiammabilità del gasolio, che si accende spontaneamente. La combustione è favorita inoltre da una spinta polverizzazione del gasolio, in quanto si viene ad aumentare la superficie di contatto tra gasolio e ossigeno. A tale scopo risulta fondamentale l azione della pompa di iniezione che manda all iniettore gasolio ad una pressione da 200 a 1600 atm. 3.2 Motori ad accensione comandata (o a ciclo Otto) Nei motori a ciclo Otto, detti anche a benzina, l accensione è invece determinata dalla scintilla di che scocca fra gli elettrodi di una candela quando il pistone si trova al PMS provocando la combustione di una miscela di aria e benzina proveniente dal carburatore, dispositivo che svolge il compito di dosare appropriatamente la benzina e di favorire l intima miscelazione con l aria.

24 Elementi di meccanica agraria pag. 23 Maines Fernando 3.3 Motori a 4 tempi I motori a 4 tempi si caratterizzano per il fatto che il ciclo termodinamico avviene in 4 fasi operative (tempi) legate al movimento del pistone nel cilindro (due salite e due discese nel caso di cilindri verticali): 1 tempo (aspirazione): il pistone scende dal PMS al PMI determinando un aumento di volume con pressione costante (atmosferica), dato che la valvola di aspirazione è aperta (quella di scarico è chiusa) e nel cilindro entra aria o la miscela aria/benzina. In questo caso si parla di motori aspirati. Per migliorare le prestazioni del motore (aumento di potenza) si possono adottare dispositivi che aiutano l entrata dell aria o della miscela e per questo detti di sovralimentazione. 2 tempo (compressione): il pistone risale al PMS mentre entrambe le valvole sono chiuse, provocando un progressivo aumento della la pressione (proporzionale alla diminuzione del volume);

25 Elementi di meccanica agraria pag. 24 Maines Fernando 3 tempo (accensione o iniezione ed espansione): delle quattro è l unica fase attiva, la candela scocca la scintilla o l iniettore spruzza il gasolio nella camera di combustione, dando inizio alla combustione che provoca la discesa del pistone dal PMS al PMI grazie alla pressione dei gas di scarico sul cielo del pistone. All aumento del volume a disposizione dei gas corrisponde una progressiva diminuzione di pressione. 4 tempo (scarico): all inizio di questa fase si apre la valvola di scarico e fuoriescono i gas di combustione grazie al ritorno al PMS con diminuzione del volume che riporta la pressione al valore (costante) della pressione atmosferica.

26 Elementi di meccanica agraria pag. 25 Maines Fernando 3.4 Motori a 2 tempi Nel 1 tempo (espansione e scarico) la candela scocca la scintilla e il pistone scende dal PMS al PMI. Durante questo movimento deve avvenire sia l entrata di nuova miscela dalla apposita apertura resa libera dalla discesa del pistone mentre da un altra vengono fatti uscire i gas di scarico. Per assicurare efficienza ad entrambe le operazioni si deve evitare che parte della miscela esca dalla luce di scarico e che gas di scarico ormai esauriti rimangano nel cilindro riducendo conseguentemente il rendimento di combustione. A tale scopo la posizione delle due luci (aperte e chiuse dal movimento dello stesso pistone) vengono disposte e la forma del cielo del pistone vengono conformate in modo da indurre un moto turbolento della nuova miscela che contribuisce alla fuoriuscita completa dei gas di scarico. Nel 2 tempo (lavaggio immissione e compressione) invece, il pistone dal PMI sale al PMS e prima che si chiuda la luce di alimentazione si completa l entrata della miscela e lo scarico dei gas (lavaggio). A questo punto essendo entrambe le luci chiuse avviene la compressione della miscela che porterà poi alla combustione del 1 tempo. I motori a 2 tempi si caratterizzano per molti vantaggi tra cui: motore più leggero e maneggevole; possibilità di disporre il motore in posizione inclinata; maggiore affidabilità; risposta più scattante e rapida (miglior ripresa). Presentano anche alcuni difetti, tra cui: emissioni di gas più inquinanti; minor rendimento termodinamico per la presenza di miscela incombusta nei gas di scarico e per la presenza di olio; consumi specifici più elevati; costi dell olio lubrificante che viene aggiunto al combustibile per assicurare una capacità lubrificante alla miscela.

27 Elementi di meccanica agraria pag. 26 Maines Fernando 4 I cicli teorici e i cicli reali dei motori endotermici

28 Elementi di meccanica agraria pag. 27 Maines Fernando

29 Elementi di meccanica agraria pag. 28 Maines Fernando

30 Elementi di meccanica agraria pag. 29 Maines Fernando 4.1 I cicli dei motori endotermici Sono costituiti da una successione ciclica di trasformazioni termodinamiche effettuate su un gas con lo scopo di trasformare energia termica in energia meccanica. Le principali tipologie di cicli sono: ciclo Diesel; ciclo Otto; ciclo Sabathè. Si tratta di cicli chiusi e ideali, ripetibili in definitivamente: di conseguenza nel ciclo non compare nessuna trasformazione rappresentativa né della fase di aspirazione dei gas freschi (trasformazione 0-1) né della fase di scarico dei gas esausti (trasformazione 3-6). La trasformazione fra i punti 4 e 1 del ciclo infatti comporta l espulsione solamente della quantità di calore residuo Q 0 a bassa entalpia, non dei fumi residui. L aspirazione e lo scarico dei gas vengono talora rappresentati sul ciclo ideale mediante i tratti 0-1 e 5-6. La presenza di tali tratti non comporta alcuna modifica al bilancio dei lavori svolti dal ciclo, in quanto gli scambi di energia dei due processi si annullano reciprocamente. 4.2 Il ciclo Diesel teorico I motori che utilizzano il ciclo Diesel, detti ad accensione spontanea, non hanno bisogno né di candele né di circuito di accensione: per contro richiedono un sofisticato sistema di iniezione ad alta pressione. Il fatto che durante la compressione sia presente solo aria rende possibile l adozione di rapporti di compressione volumetrici più elevati rispetto ai motori che utilizzano il ciclo Otto.

31 Elementi di meccanica agraria pag. 30 Maines Fernando IL ciclo Diesel è composto dalle seguenti trasformazioni termodinamiche: 0-1 aspirazione isobarica di espansione durante la quale la valvola di aspirazione è aperta: o il volume aumenta; o la pressione rimane costante e pari alla pressione atmosferica. 1-2 compressione adiabatica (o isoantropica): o si comprime il gas senza scambi di calore; o entrambe le valvole sono chiuse; o la temperatura e la pressione del gas aumentano; o il lavoro di compressione va ad aumentare l energia interna del gas. 2-3 accensione: o è una trasformazione isobara con calore fornito al sistema dall esterno: la pressione rimane costante; la temperatura ed il volume del gas aumentano; l energia termica fornita va ad incrementare l energia interna del gas e contemporaneamente fornisce lavoro.

32 Elementi di meccanica agraria pag. 31 Maines Fernando 3-4 espansione adiabatica o isoantropica (fase attiva); il gas si espande senza scambi di calore; la temperatura e la pressione del gas diminuiscono; l energia interna precedentemente accumulata viene trasformata in lavoro meccanico. 4-1 apertura valvola di scarico; o trasformazione isocora con riduzione istantanea di pressione: il gas viene raffreddato e riportato alle condizioni di pressione atmosferica. o scarico isobarico: valvola di scarico aperta; pressione atmosferica (costante). Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall area interna al ciclo (nel caso di grafici pv): è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo (area sotto alla trasformazione attiva 2-3 4) e il lavoro di compressione negativo (area sotto alla trasformazione 1-2).

33 Elementi di meccanica agraria pag. 32 Maines Fernando Il rendimento è dato dalla seguente formula: η = 1 k 1 k β 1 ρ k( β 1) dove: ρ = rapporto di compressione v 1 /v 2 ; β = rapporto di combustione v 3 /v 2 ; k = rapporto c p /c v ; v 1 = volume inizio compressione; v 2 = volume fine compressione; v 3 = volume di fine combustione; c v = calore specifico a volume costante del gas; c p = calore specifico a pressione costante del gas. 4.3 Il ciclo Otto Si differenzia dal ciclo precedente per il fatto che la fase di accensione (2-3) è una trasformazione isocora con improvviso aumento di pressione. Si deve inoltre notare il diverso valore di pressione (decisamente minore) raggiunto a fine compressione (punto 2).

34 Elementi di meccanica agraria pag. 33 Maines Fernando 4.4 Il ciclo Sabathè Il ciclo Sabathè noto come ciclo misto o come ciclo Diesel veloce, in quanto utilizzato nei motori AC veloci di piccole e medie dimensioni. Il ciclo Sabathè è formato da una compressione adiabatica, due introduzioni di calore, una isovolumica ed una isobara, un espansione adiabatica ed uno scarico di calore isovolumico. Si differenzia da entrambi i cicli precedenti per il fatto che la fase di accensione (2-3 ) avviene in parte a volume costante (2-3) e in parte a pressione costante (3-3 ). 4.5 Il ciclo reale Il ciclo reale si differenzia da quello teorico a causa di: perdite di calore (le trasformazioni adiabatiche non lo sono totalmente); la combustione non è istantanea; l apertura e la chiusura delle valvole non sono istantanee; le pressioni di aspirazione e scarico non sono costanti: o l aspirazione avviene in leggera depressione; o lo scarico avviene in leggera sovrapressione. l andamento delle trasformazioni si discosta da quello teorico determinando: o arrotondamento a livello dei punti iniziali e finali; o andamenti irregolari; o riduzione dell area compresa nel ciclo e conseguente riduzione del lavoro utile prodotto dal motore; o presenza di un sottociclo (fra le fasi di aspirazione e scarico) percorso in senso antiorario: portatore di lavoro negativo (fatto dal sistema sul motore), da sottrarre al lavoro utile.

35 Elementi di meccanica agraria pag. 34 Maines Fernando Per eseguire un confronto paritario fra i vari cicli termodinamici, risulta indispensabile prefissare un unico valore per alcune grandezze caratteristiche, comuni ai cicli in esame quali, per esempio, il rapporto di compressione volumetrico, la temperatura massima raggiunta ed il calore unitario introdotto. A pari rapporto di compressione, il valore più elevato di rendimento è raggiunto dal ciclo Otto; tuttavia, nella pratica costruttiva, mentre nei cicli Otto di solito non si supera il valore ρ = 10, nei cicli Diesel a Sabathè esso si posiziona tra 15 e 23. Pertanto questi ultimi, in particolare il ciclo Sabathè, raggiungono i rendimenti maggiori.

36 Elementi di meccanica agraria pag. 35 Maines Fernando Molto significativo è il confronto eseguito tracciando sui medesimi diagrammi (p,v) e (T, S) i tre cicli ideali, a pari rapporto di compressione e pari calore introdotto, ed avendo assunto il punto 1 come partenza e arrivo. Il tratto di compressione adiabatica 1-2 è comune tre cicli; anche 1 estensione delle tre aree racchiuse nel piano (T,S) è uguale per tutti i cicli. Il ciclo Otto raggiunge il valore più elevato di pressione e temperate rappresentato dal punto 3, posizionato in entrambi i diagrammi nella zona superiore dei grafici. Questo ciclo, inoltre, scarica la minore quantità di calore Q 0 a bassa temperatura, dato che nel diagramma entropico esso evidenzia area sottesa più stretta: per queste ragioni detiene il rendimento migliore fra i tre cicli a confronto. In conclusione, per ottenere i rendimenti più elevati, occorre raggiungere i più alti valori possibili di pressione e temperatura, facendo svolgere ai gas la più ampia espansione possibile, in modo da riversare nell ambiente la minore quantità di calore attraverso i fumi di scarico.

37 Elementi di meccanica agraria pag. 36 Maines Fernando 5 La trasmissione del moto con organi deformabili

38 Elementi di meccanica agraria pag. 37 Maines Fernando

39 Elementi di meccanica agraria pag. 38 Maines Fernando

40 Elementi di meccanica agraria pag. 39 Maines Fernando I sistemi di trasmissione sono quei dispositivi in grado di trasferire il movimento fra organi diversi di un meccanismo. Il moto può essere trasformato: da rettilineo alternato a rotatorio e viceversa, utilizzando principalmente il sistema biella manovella (o manovellismo di spinta); da rotatorio a rotatorio, mediante ruote dentate, nel caso in cui gli alberi sono vicini, oppure organi deformabili, quando gli alberi sono distanti. Come abbiamo già accennato, il manovellismo di spinta è costituito principalmente da quattro membri: manovella, biella, pistone e cilindro, che sono tutti collegati fra loro da quattro cerniere. Un esempio particolarmente importante è dato dal sistema biellamanovella che trasforma il moto rettilineo alternato del pistone in moto rotatorio dell albero motore.

41 Elementi di meccanica agraria pag. 40 Maines Fernando Nel caso invece di ruote dentate o di sistemi ad organi deformabili, i sistemi sono costituiti da: una ruota conduttrice cioè l organo portatore del moto; una ruota condotta che riceve il moto. Il comportamento meccanico di una trasmissione di moto viene descritto dal coefficiente di trasmissione (τ): 2 2 r2 ω n τ = = = ω n r dove: ω 1 è la velocità angolare della ruota conduttrice; ω 2 è la velocità angolare della ruota condotta; n 1 è il n di giri al minuto della ruota conduttrice; n 2 è il n di giri al minuto della ruota condotta; r 1 è il raggio della ruota conduttrice; r 2 è il raggio della ruota condotta. Pertanto se: τ < 1 il sistema determina una riduzione di velocità (riduttore di giri); τ = 1 il sistema mantiene inalterato il numero di giri; τ > 1 il sistema determina un aumento di giri (moltiplicatore di giri). per assicurare un funzionamento corretto ed efficiente, l angolo di abbraccio della ruota con diametro minore deve essere di almeno 120 e, per fare ciò, in molti casi si adotta un rullo tendicinghia.

42 Elementi di meccanica agraria pag. 41 Maines Fernando In generale gli organi flessibili si caratterizzano per la capacità di resistere solo a sollecitazioni di trazione e si suddividono in: funi: vengono utilizzate prevalentemente per il fissaggio e/o il sollevamento di carichi; catene: sono costituite da un insieme di anelli o di piastrine e perni metallici che formano una maglia. Si utilizzano nei casi in cui risulta più importante un elevata resistenza rispetto all ottimizzazione cinematica. 5.1 Le catene Le catene si caratterizzano, in generale, per una consistente dissipazione di energia, un alta rumorosità, la capacità di trasmettere potenze elevate e per l assenza di slittamenti nel caso di basse velocità; tuttavia una maggiore cura nella realizzazione dei collegamenti tra le maglie consente la riduzione degli attriti ed il miglioramento della forma per ottenere un inserzione graduale e silenziosa sul dente della puleggia. Ne esistono di vari tipi e con caratteristiche diverse: ad anello: usate per trasmettere potenze elevate a basse velocità; Zöbel: è la tipica catena usata per biciclette e moto e può essere singola, doppia o tripla; Renold: molto silenziosa e caratterizzata dalla scarsa usura e dall ottimo funzionamento anche ad alte velocità; silenziose.

43 Elementi di meccanica agraria pag. 42 Maines Fernando 5.2 Le cinghie Le cinghie sono utilizzate per collegare due alberi con un interasse considerevole e trasferiscono il moto sfruttando principalmente le forze di attrito. Le principali tipologie sono: cinghie lisce rettangolari: erano usate soprattutto in passato. Hanno una sezione molto appiattita ed estesa e poggiano su delle pulegge aventi la faccia esterna liscia per favorirne lo scorrimento. Sono molto silenziose ed hanno un elevata flessibilità; infatti è possibile anche la trasmissione tra assi sghembi, ma al tempo stesso la massima coppia trasmissibile è limitata dall attrito tra la puleggia e la cinghia e dal possibile asincronismo tra gli alberi collegati. In questo sistema sono necessari elevati precarichi per evitarne lo scorrimento; cinghie tonde: si presentano analoghe alle cinghie lisce e vengono utilizzate in casi particolari quando, per esempio, gli assi sono eccessivamente sghembi; cinghie trapezoidali: sono formate da materiale elastomero con all interno elementi di acciaio per renderle più resistenti. Richiedono pulegge con una scanalatura opportuna che funge da guida. Il contatto tra le due parti avviene lungo i fianchi inclinati della cinghia e, nel caso in cui si voglia aumentare l attrito, si possono adottare delle pulegge con gole zigrinate. Sono meno flessibili delle cinghie lisce e possono trasmettere coppie molto elevate anche con precarichi relativamente modesti. Oltre ad avere coefficienti di attrito elevati, si caratterizzano per rendimenti che toccano il 96%, velocità oscillanti tra 25 e 40 m/s e coefficienti di trasmissione fino a 1/15; poli-v: rappresentano una soluzione di compromesso tra l elevata flessibilità delle cinghie lisce e la grande capacità di carico di quelle trapezoidali; cinghie dentate: sono formate da una serie di denti collegati da una fascia continua di gomma avente all interno dei cavi d acciaio o kevlar per aumentarne la resistenza. Si caratterizzano per un alta silenziosità, le elevate coppie trasmissibili, gli ottimi rendimenti, l elevata sicurezza, la garanzia di sincronismo degli assi collegati ed infine per l assenza di slittamenti. E importante ricordare inoltre che per questo tipo di cinghie è necessario un accurato allineamento per contrastare gli spostamenti laterali.

44 Elementi di meccanica agraria pag. 43 Maines Fernando

45 Elementi di meccanica agraria pag. 44 Maines Fernando 6 Il sistema di distribuzione nei motori endotermici

46 Elementi di meccanica agraria pag. 45 Maines Fernando

47 Elementi di meccanica agraria pag. 46 Maines Fernando Il sistema di distribuzione o più semplicemente distribuzione, è l insieme degli organi meccanici predisposti al controllo dei gas che entrano e/o escono nei cilindri. Nel caso dei motori a quattro tempi il sistema di distribuzione è piuttosto complicato e può assumere

48 Elementi di meccanica agraria pag. 47 Maines Fernando forme diverse in relazione all architettura scelta per il motore. La distribuzione ha principalmente il compito di aprire e chiudere le valvole di aspirazione (che regolano il flusso di aria o di miscela aria/benzina) e le valvole di scarico (che regolano il flusso dei gas di combustione), al momento giusto (in funzione delle fasi del motore) e, a tal fine, è composto di varie parti: albero ad eccentrici; punteria; aste e bilancieri; valvole; molle di contrasto. L albero (o gli alberi) a eccentrici svolge il compito di apertura e di chiusura delle valvole, grazie all azione delle camme, elementi eccentrici presenti sull albero in numero pari a quello delle valvole. L albero riceve il moto dall albero motore con un regime di rotazione pari alla metà (rapporto di trasmissione 2/1). Se l albero a camme è posto in alto nella testata, il moto viene trasferito mediante catena o cinghie dentate che agiscono su rulli dentati; generalmente sono anche corredate di tendi-cinghia con rullini (in funzione della geometria del loro percorso) e richiedono la messa a punto solo al montaggio, poiché cinghie e catene non presentano dilatazione con l uso. Se, invece, l albero a camme è posto in basso nel monoblocco il trasferimento del moto avviene mediante ruote dentate. Il compito degli eccentrici è quello di trasformare il moto rotatorio in un moto lineare da imprimere alle valvole: ciò può avvenire in maniera diretta oppure con l interposizione di altri elementi (punterie, bilancieri, eventuali aste e molle). Le camme hanno superfici cilindriche non circolari che nella rotazione si comportano in modo eccentrico rispetto.

49 Elementi di meccanica agraria pag. 48 Maines Fernando Sono ricavate in un unico pezzo solidale all albero con il quale ruotano e che si chiama, appunto, albero a camme. Le punterie mettono a punto la posizione di riposo fra le valvole e i relativi organi di azionamento e svolgono il compito di trasferire il moto rotatorio dell eccentrico in moto verticale. Hanno una forma di piatto o bicchiere e s incorporano ai bilancieri o alle aste di spinta. In altre soluzioni, alle punterie s intercalano delle pastiglie calibrate collocate dentro bussole di alloggiamento oppure sulla stessa valvola. Le punterie sono sottoposte a continuo strisciamento i cui effetti possono essere contenuti grazie a: un sottile gioco fra camma e punteria (da 0,06 mm a 0,13 mm); l utilizzo di materiali molto resistenti (ceramiche, materiali polimerici, mescola siliconica, ); una grande precisione nella realizzazione dei componenti; l eccentricità di contatto fra camma e punteria che provoca sulla punteria stessa un leggero movimento circolare che consente di distribuire il contatto su una superficie più estesa. Le aste sono piccoli alberi metallici che trasmettono il movimento comandato dall albero a camme quando questo non si trova montato sulla testata. Sono quindi necessarie solo nei motori che hanno gli alberi a camme nel carter.

50 Elementi di meccanica agraria pag. 49 Maines Fernando I bilancieri sono elementi meccanici che hanno il compito di trasmettere allo stelo della valvola il movimento originato dalla camma. I bilancieri oscillano intorno a un perno situato in posizione quasi centrale rispetto alla propria lunghezza al di sopra delle valvole stesse. Le valvole sono gli organi meccanici che aprono e chiudono il passaggio dei gas nei condotti. Hanno forma a fungo e la corona circolare della loro testa appoggia su una sede circolare al termine del condotto; l estremità opposta costituisce lo stelo, che riceve la spinta dall organo di azionamento. A seconda della funzione che svolgono si dividono in valvole di aspirazione e valvole di scarico; possono diversificarsi in funzione della posizione e della dimensione. Le valvole sono caratterizzate da: forma a fungo; l utilizzo di materiali resistenti alle alte temperature;

51 Elementi di meccanica agraria pag. 50 Maines Fernando un elevata precisione esecutiva nell attuazione in particolare della superficie tronco conica lungo la quale la valvola si appoggia alla battuta del foro, per assicurare una perfetta tenuta. Le valvole sono mantenute in posizione di chiusura mediante una molla a spirale (di contrasto), la cui azione viene vinta dall azione della camma. Tali molle sono interposte fra lo stelo della valvola e la testata, e hanno il compito di mantenere la valvola permanentemente in contatto con il profilo della camma, oppure con la sede circolare praticata nella testata. Le molle si fissano allo stelo per mezzo di piattelli a forma di semiluna, che s incastrano in una scanalatura praticata nello stelo. ***** Il funzionamento del sistema di distribuzione viene rappresentato da un diagramma a torta definito diagramma di distribuzione. Tale diagramma tiene conto di quattro fattori: i quattro tempi del motore; gli anticipi di apertura delle valvole e i ritardi di chiusura delle valvole rispetto al momento teorico di arrivo al PMI e al PMS, necessari per sfruttare appieno le corse del pistone in quanto l apertura e la chiusura non sono istantanee; l anticipo nell accensione mediante innesco a scintilla o iniezione del gasolio. Il diagramma riporta la posizione di apertura e chiusura degli organi della distribuzione (valvole per i motori a quattro tempi e luci per quelli a due tempi), in funzione dell angolo di manovella. In particolare: la valvola di aspirazione: apre 5-15 prima che il pistone giunga al PMS; chiude dopo che è giunto al PMI: per consentire l entrata di una volume maggiore di aria. la valvola di scarico: apre prima che il pistone giunga al PMI; chiude 5-15 dopo che è giunto al PMS: per favorire una migliore pulizia del cilindro dai gas di scarico.

52 Elementi di meccanica agraria pag. 51 Maines Fernando L anticipo d iniezione, invece, non dovrebbe essere fisso ma variare con il variare delle condizioni di funzionamento del motore (regolazione è il variatore dell anticipo d iniezione ). Infine si osserva la presenza di un momento particolarmente critico, allorquando alla fine dello scarico e all inizio dell aspirazione entrambe le valvole sono aperte per un intervallo di gradi.

53 Elementi di meccanica agraria pag. 52 Maines Fernando 7 Le curve caratteristiche di un motore

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55 Elementi di meccanica agraria pag. 54 Maines Fernando

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57 Elementi di meccanica agraria pag. 56 Maines Fernando Le curve caratteristiche sono 3 grafici sperimentali attraverso i quali si riesce ad avere una visione abbastanza completa delle prestazioni reali di un motore. Queste curve caratteristiche rappresentano: la coppia o momento motore (C); la potenza (P); il consumo specifico (Cs). Un ulteriore grandezza fondamentale per la definizione delle prestazioni di un motore è il rendimento definito come rapporto tra l energia disponibile all albero motore E m e l energia E c chimica presente nel combustibile. Tale rendimento (detto rendimento totale di un motore) è dato dal prodotto di 3 rendimenti parziali: il rendimento termodinamico; il rendimento volumetrico; il rendimento meccanico. Il rendimento termodinamico è il rapporto tra l energia meccanica prodotta E i e la quantità di calore prodotta dalla combustione Q 0 : η t = E i / Q 0 In un motore Diesel il rendimento termodinamico può giungere fino al 0,36-0,40%, mentre in un motore a benzina arriva allo 0,28-0,35%.

58 Elementi di meccanica agraria pag. 57 Maines Fernando Esso aumenta col numero di giri in funzione del disegno della camera di scoppio, della dosatura della miscela (carburazione) e della fase di anticipo accensione. Può invece diminuire a causa di diverse perdite: attraverso i gas di scarico e per la presenza di particelle incombuste (29%); per attriti e il funzionamento dei dispositivi accessori (7%); attraverso impianto di raffreddamento e di lubrificazione (32%); Il rendimento volumetrico, invece, dipende dal grado di riempimento dei cilindri ed è costituito dal rapporto fra la quantità di miscela aria benzina aspirata effettivamente ad ogni ciclo e quella corrispondente al volume generato dal pistone durante la corsa dal PMS al PMI (cilindrata). Infine si definisce il rendimento meccanico, determinato dalla presenza degli attriti ed è il rapporto tra l energia disponibile all albero motore E m e l energia meccanica prodotta E i. η m = E m / E i Generalmente in un motore endotermico il rendimento meccanico vale circa 0, Curva caratteristica della coppia La coppia motrice è il momento derivante dal prodotto fra la forza prodotta dallo scoppio della miscela aria-combustibile e la lunghezza della manovella (albero a gomiti). Rappresenta l energia generata in un giro del motore, attraverso la combustione del carburante.

59 Elementi di meccanica agraria pag. 58 Maines Fernando Più genericamente la coppia motrice è la forza che il pistone trasmette all albero motore, espressa in Nm, attraverso la biella sulla manovella dell albero motore. Tanto più la coppia sarà elevata, tanto più facilmente e rapidamente il motore sarà messo in rotazione, con tutti i suoi organi collegati. Questa grandezza fondamentale, dalla quale si può interpretare il carattere di un motore, viene misurata attraverso una prova su banco in condizioni standard: al motore con un massimo afflusso di carburante, dopo un corretto periodo di riscaldamento e per l intera gamma di velocità del motore, viene applicato un freno dinamometrico la cui azione, inizialmente nulla, viene progressivamente aumentata fino a fermare la rotazione dell albero motore. La curva della coppia ha un andamento prima crescente con il numero di giri, poi un tratto quasi costante all interno del quale raggiunge il valore massimo ed infine un tratto decrescente: il valore di coppia riportato nelle schede tecniche dei motori, corrisponde al picco della curva ed è generalmente situato circa a metà del campo di utilizzo di un motore. L importanza di questa curva, come vedremo, risiede nel fatto che essa influisce su molti aspetti del comportamento di un motore.

60 Elementi di meccanica agraria pag. 59 Maines Fernando Su di essa si individuano i seguenti punti di riferimento: coppia massima C max raggiunta ad un numero di giri attorno al 60% di quello massimo; coppia in corrispondenza della potenza massima C Pmax ; coppia di spunto C nmin, cioè la coppia che il motore riesce a sviluppare ai bassi regimi (attorno ai 1000 g/min): si valuta mediante il seguente coefficiente Sp = C min /C Pmax 100. Si possono ora individuare 2 intervalli: ramo crescente (dalla coppia di spunto alla coppia massima) a comportamento instabile: infatti un aumento di coppia resistente, a causa della riduzione conseguente del numero di giri, determina una riduzione della coppia motrice; si instaura un ciclo vizioso che porta allo spegnimento del motore se non si interviene con il cambio abbassando il rapporto di trasmissione; ramo decrescente della coppia (dalla coppia massima alla coppia di potenza massima) detto di funzionamento stabile; infatti a un aumento della coppia resistente, con riduzione del numero di giri, il motore risponde con un aumento della coppia motrice che stabilizza il comportamento del motore stesso. I valori di coppia massima C max e di coppia di potenza massima C Pmax vengono utilizzati per definire alcuni parametri valutativi molto importanti: intervallo di utilizzo o riserva di giri definito dalle differenze fra n Pmax e n Cmax : è l intervallo entro il quale il motore ha un comportamento, come già visto, efficace e stabile; per un motore trattoristico tale valore deve essere attorno ai g/min. riserva di coppia: è data da: ((C max C Pmax )/C max ) 100. Tale parametro rappresenta un indice dell elasticità del motore; indica, infatti, la coppia motrice disponibile che il motore può mettere a disposizione in risposta ad eventuali aumenti della coppia resistente esterna ( inizio salita, terreni più duri in aratura, ). La riserva di coppia deve essere almeno del 25 %, ma ormai è buona norma arrivare al 40 %. Si osserva, infine, che valori alti di riserva di coppia non si devono ottenere abbassando il valore di C Pmax ma aumentando C max ).