Funzionamento reale dei MCI

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1 Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T pc p ρ c cil = A p 2c n β j + n 2 a 2 j Aj Aa A p 2 2 ( 1 + β ) c Effetto RAM Effetti di risonanza delle onde di pressione nei condotti Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T Nel momento in cui si apre la alola di scarico iene generata unonda di compressione che propaga erso luscita del condotto di scarico a causa della differenza di pressione tra linterno del cilindro e il collettore. Quando l onda raggiunge lestremità del sistema di scarico essa errà si riflessa come unonda di espansione che risale il sistema di scarico sino ad arriare al cilindro per essere nuoamente riflessa erso luscita. Il moto di ciascuna onda è quindi periodico e tende ad attenuarsi per la presenza di effetti dissipatii.

2 Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T t 1/ 3 = l krt + t 2 / 4 = l krt Si hanno le migliori prestazioni quando 4 t i i= 1 1 = 2n Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T Altri Fattori che influenzano il alore del coefficiente di riempimento Pressione e temperatura nellambiente di aspirazione Sperimentalmente si troa che λ è proporzionale a T 0.5 a indipendentemente dal alore della pressione ambiente. ed è Pressione e temperatura dei gas residui La pressione dei gas residui alla fine della fase di espulsione influenza noteolmente il coefficiente di riempimento. Infatti allaumentare di tale pressione cresce la massa dei gas residui nel cilindro. Ne deria una riduzione del olume disponibile per il riempimento del cilindro con la carica fresca. La temperatura non influenza in maniera significatia il coefficiente di riempimento

3 Funzionamento reale dei MCI Influenza delle condizioni ambiente sulle prestazioni 1 approssimazione: rendimento organico costante 2 approssimazione: rendimento organico dipendente dalle condizioni ambiente Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T 1 Approssimazione 2 Approssimazione

4 La soralimentazione motori alternatii a combustione interna La soralimentazione SCOPO: ottenere maggiore potenza a parità di cilindrata LIMITI: detonazione aumento delle sollecitazioni meccaniche sollecitazioni termiche Esempio: Diesel 4T, 6 cilindri Aumentando la pressione di 35%, la PME aumenta del 55% e le sollecitazioni del 20%.

5 Modalità Soralimentazione di base Pre-alimentazione (laaggio) Post-alimentazione PREALIMENTAZIONE E POSTALIMENTAZIONE Soralimentazione di base A turbocompressore a gas di scarico Con compressore a comando meccanico Compressori centrifughi Compressori Root

6 Soralimentazione di base Compressore a comando meccanico 1) Aumento della pressione nel ciclo 2) Area del ciclo d aspirazioneespulsione 3) Aumento della cilindrata utile (compressione dei gas residui) Soralimentazione di base Compressore a comando meccanico λ λ 1 Pa = 1+ 1 ρ 1 Pc 1 m λ pmi = pmi µ + Pc Pa λ P = P s a

7 Soralimentazione di base Compressore a comando meccanico λ pme = pmi a + b µ + c λ C rappresenta il contributo di laoro assorbito dal compressore η o = 1 pmi λ a + bµ + c λ Soralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico Ad impulsi Gas alla pressione di scarico Picchi di pressione Variazione del rapporto u/c 1 nella turbina A pressione costante Gas iniati in un collettore Pressione costante Ps>Pa Laoro disponibile maggiore per il compressore

8 Soralimentazione di base Ad impulsi Soralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico a pressione costante La sorapressione allo scarico riduce il laoro utile del motore rendendolo disponibile per la compressione dell aria

9 Soralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico = = k k a c a c p k k a s F p t c t p p T G c p p T G c P P η η La relazione tra p s e p c dipende dal rapporto tra le temperature e dai rendimenti del turbocompressore; p c in genere è maggiore di p s Soralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico + = = 1) ( k p p k T T tempi p p T G c P s s k k s a t s p t η nei motori Diesel T s = C

10 Soralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico λ λ 1 P s = 1+ 1 ρ 1 Pc 1 m λ pmi = pmiµ + Pc Ps λ P s P a Contropressione allo scarico p s >p a Effetto di ricompressione inferiore Effetto minore sul ciclo di pompaggio Assenza del laoro assorbito dal compressore (c =0 ) Soralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico pme = pmi a + b λ µ λ η o = 1 a + b λ µ λ pmi

11 Soralimentazione di base Soralimentazione di base

12 Soralimentazione di base Soralimentazione di base Transitori: - turbolag per l accelerazione del turbogruppo; - problemi di cattia combustione legati alla riduzione di α

13 Soralimentazione di base Se il turbogruppo è scelto per dare alta coppia a basse elocità, alle alte elocità la pressione fornita dal compressore dienta troppo alta. Per eitare ciò si utilizza una alola di by-pass che limita la pressione scaricando una parte dei gas residui. Soralimentazione di base KOMPRESSOR

14 Soralimentazione 2 TEMPI TURBOCOMPRESSORE PROBLEMA DEL LAVAGGIO (strozzatura della luce di scarico che si può sfruttare con una turbina che alimenta il compressore) 4 tempi T (2T ) s = T T 4 ps Ts = 1 + ( k 1) k p4 (4T ) s ( 1 η ) l (4T ) ( T T ) s c Soralimentazione 2 TEMPI COMANDO MECCANICO Quando il pistone scende i gas residui anno nel collettore chiuso Si apre lo scarico La pressione si abbassa e inizia il laaggio grazie all apertura della alola automatica Quando il pistone risale e chiude lo scarico si apre la alola comandata di soralimentazione

15 Osserazioni L efficienza delle macchine dinamiche aumenta con la dimensioni perché le perdite per fuga intorno alle palette dientano meno significatie. Ciò è maggiormente ero per le macchine assiali Nelle applicazioni motoristiche si utilizzano macchine radiali anche se queste hanno rendimenti peggiori rispetto a quelle assiali per grandi portate. La scelta del compressore è critica a causa dei fenomeni di instabilità (pompaggio e stallo). I compressori centrifughi risentono meno della ariazione di condizione del flusso e possono raggiungere più alti rapporti di compressione con un solo stadio (4-5) Osserazioni Nelle applicazioni marine si usano compressori centrifughi e turbine assiali che hanno una migliore efficienza. Nelle applicazioni automobilistiche si usano compressori centrifughi e turbine centripete. Nel caso di soralimentazione ad impulsi, il rendimento della turbina è molto ariabile. Per alti rapporti di espansione è necessario adottare turbine multistadio e quindi coniene usare sistemi a pressione costante. COMPRESSORE CENTRIFUGO η = 65 75% ϑ TURBINA CENTRIPETA η = 70 85% ϑ

16 Osserazioni L accoppiamento di un motore alternatio con una turbomacchina non è di per sé antaggioso per le differenti elocità di rotazioni con cui laorano le due macchine. Inoltre, il motore alternatio funziona a n ariabile mentre le turbomacchine sono ottimizzate per un solo punto di funzionamento (legato alla geometria della palettatura) Il primo passo per effettuare l accoppiamento è il calcolo della portata, aendo fissato P c in base alle prestazioni olute: G = λ ρ a C V n Osserazioni Nota la portata determino la dimensione di massima del turbogruppo. Il compressore sarà scelto in relazione alla elocità e al range di carico del motore. Sorappongo le cure caratteristiche del compressore con quelle del motore e erifico la presenza di un margine sufficiente rispetto al pompaggio. Una olta scelto il compressore indiiduo la turbina. La turbina iene regolata ariando la geometria del distributore. La potenza della turbina è controllata dall area effettia di passaggio.

17 Osserazioni Cure caratteristiche del motore: n costante: aumentando il carico, la portata aumenta proporzionalmente all aumento di densità oero di Pc. carico costante: aumentando n, cresce la portata in turbina e quindi al pressione di alimentazione Osserazioni Cure caratteristiche per una turbina radiale

18 Osserazioni Nell accoppiamento deo garantire un margine sufficiente tra il pompaggio e il punto di funzionamento più icino del motore: natura pulsante del flusso; le condizioni di funzionamento del motore possono discostarsi da quelle di progetto (intasamento del filtro dell aria, altitudine ariata) La turbina è meno sensibile al ariare delle condizioni del fluido e quindi il suo comportamento è meno critico per l accoppiamento. Osserazioni La soralimentazione a turbogruppo è molto popolare per applicazioni automobilistiche perché consente di usare, a parità di potenza, unità più piccole, leggere e compatte. Ciò è essenziale se si ogliono aicinare le prestazioni dei motori diesel a quelle dei motori ad accensione comandata. Nei mezzi pesanti, l alleggerimento del motore consente di aumentare il carico pagante; quando il eicolo è scarico il peso è ridotto e ciò migliora i consumi di combustibile.

19 Soralimentazione dei motori a ciclo Otto La soralimentazione di un motore ad accensione comandata è più difficile: maggiore ariabilità della portata aspirata risposta rapida nei transitori accurato controllo per eitare pre-accensione e detonazione il consumo specifico non è necessariamente migliore nel caso di soralimentazione è necessario ridurre il rapporto di compressione riducendo il rendimento del ciclo Soralimentazione dei motori a ciclo Otto Nel caso di motori a carburatore: se il carburatore è a alle del compressore, la pressione in ingresso carburatore è ariabile e il funzionamento non è ottimale; se il carburatore è a monte del compressore si dee comprimere la miscela aria-combustibile; si ottiene una miscela più omogenea. la compressione è refrigerata dal processo di eaporazione ma non si può refrigerare la carica a alle del compressore se si ogliono eitare depositi di carburante, pericolo di stallo.

20 Soralimentazione dei motori a ciclo Otto I turbogruppi soffrono del cosiddetto turbo-lag ; Quando il carico del motore o la elocità aumentano, solo una parte dell energia disponibile dalla turbina è utilizzabile come laoro di compressione; il resto sere per accelerare il turbogruppo. La presenza di olumi non trascurabili in aspirazione e scarico producono ritardi addizionali che peggiorano la resistenza al transitorio. Il turbolag è più critico per questi motori a causa della prontezza di risposta richiesta. Soralimentazione dei motori a ciclo Otto INTERCOOLER L interrefrigerazione consente di aumentare le prestazioni di un motore soralimentato riducendo la temperatura di ammissione dell aria nel motore La portata di aria immessa aumenta essendo aumentata la densità corretta. La minore temperatura in ingresso riduce i lielli di temperatura in tutto il ciclo aumentando il ritardo di accensione e riducendo il carico termico sul motore.

21 Soralimentazione dei motori a ciclo Otto INTERCOOLER Nonostante tali antaggi, l intercooler non è sempre usato in quanto il suo costo e la sua complessità non sono giustificati per motori di medie prestazioni, infatti i bassi rapporti di soralimentazione possono determinare problemi di dimensioni eccessie a bordo ettura. Efficienza dell intercooler calore trasferito Tc T ε = = calore massimo trasferibile T T c a Soralimentazione dei motori a ciclo Otto INTERCOOLER Inoltre, il olume aggiuntio dell intercooler potrebbe influenzare le prestazioni del motore durante il transitorio. 1 caso: uguale portata di carburante l intercooler aumenta la portata di aria aumentando il rapporto aria/combustibile; le temperature nel ciclo e la temperatura di scarico si riducono. La potenza specifica in turbina si riduce mentre il rapporto di compressione del compressore non cambia. Gli scambi termici si riducono migliorando le prestazioni e riducendo i consumi. 2 caso: uguale carico termico mantenendo costante il rapporto aria/combustibile le prestazioni aumentano noteolmente e il consumo specifico migliora perché le perdite meccaniche aumentano meno rispetto alle prestazioni.

22 Conclusioni La soralimentazione consente di migliorare le prestazioni del motore con piccoli aumenti del olume e del peso del motore Il consumo di combustibile nei motori Diesel è migliorato dalla soralimentazione perché l aumento delle perdite meccaniche è piccolo rispetto all incremento di prestazioni Nei motori a benzina la soralimentazione richiede la riduzione del rapporto di compressione per eitare la detonazione. Le portate relatiamente basse portano all uso di turbine e compressori radiali Motore WANKEL

23 Motore WANKEL Motore WANKEL

24 Motore WANKEL Pregi: Leggero e compatto. Trasmissione di potenza meno ruida. Miglior sfruttamento della combustione: durante lespansione lalbero ruota di 270 anziché 180 ; questo comporta una maggior potenza di un motore tradizionale a parità di cilindrata. Minor componenti in moimento: non è necessario luso di alole e di conseguenza del sistema di distribuzione. Aspirazione ed espulsione sono determinati direttamente dalla geometria del motore; in questo modo si possono raggiungere eleati regimi di rotazione. Motore WANKEL Continua Assenza o riduzione delle forze non bilanciate, in quanto non essendo presenti parti dotate di moto alternatio, è realizzabile un naturale o facile equilibratura. Poiché la camera di aspirazione è separata da quella di combustione, è possibile alimentare il motore ad idrogeno senza il rischio di ritorni di fiamma e di autoaccensioni.

25 Difetti: Motore WANKEL Il rendimento del motore Wankel e inferiore a quello dei moderni motori alternatii perché temperatura e pressione massime sono inferiori per i rapporti di compressione necessariamente bassi (non oltre 7,5:1) e quindi i consumi sono più eleati. La superficie dello statore, esposta da un lato al calore della combustione e dallaltro al fluido refrigerante, è ben superiore a quella del motore alternatio e ciò ha effetti negatii sul rendimento energetico (maggiore dispersione di calore) e sulla distribuzione delle temperature. Scarsa affidabilità dei segmenti di tenuta che hanno la funzione delle tradizionali fasce elastiche, il consumo dolio e di conseguenza lalta emissione di sostanze inquinanti. Costi di produzione.