Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Agrarie. Corso di Meccanica e. Meccanizzazione Agricola

Transcript

1 Corso di Laurea in Scienze e Tecnologie Agrarie Corso di Meccanica e Meccanizzazione Agricola Prof. S. Pascuzzi 1

2 Motori endotermici 2

3 Il motore endotermico L energia da legame chimico, posseduta dai combustibili fluidi, viene trasformata con la combustione in energia termica e mediante un sistema fisico in energia meccanica. SISTEMA FISICO Costituito da CILINDRO FISSO Entro cui con moto rettilineo alternativo si muove un PISTONE Connesso mediante la BIELLA All ALBERO MOTORE (ALBERO a GOMITI) 3

4 Reazioni chimiche 2C +O 2 2CO 2CO +O 2 2CO 2 H 2 +O 2 2H 2 O N 2 +O 2 NO x 4

5 Trasformazione del moto rettilineo alternativo in rotatorio cinematismo 5

6 CILINDRO-PISTONE: PARAMETRI GEOMETRICI E DIMENSIONALI 6

7 MOTORI AGRICOLI: MODULARITA COSTRUTTIVA Nelle famiglie di motori, l aumento di potenza viene ottenuto incrementando il numero di pistoni. La struttura modulare consente di standardizzare i componenti e semplificare la manutenzione 7

8 Temperatura di combustione: C Temperatura gas di scarico: C CILINDRO - PISTONE 8

9 ALBERO MOTORE (ALBERO A GOMITI) L albero motore presenta dei gomiti opportunamente fra loro sfalsati -sui quali agisce il sistema pistone-biella e mediante i quali si realizza il manovellismo di spinta. In questo modo il moto rettilineo alternativo dei pistoni è trasformato in moto rotatorio dell albero motore pistone gomito biella albero motore bottone di manovella 9

10 CICLO (INDICATO) DIESEL: p vs V E meccanica = area (tratteg) E fornita = area O-A-4-5-B η teorico = η teorico = E meccanica E fornita FASI del CICLO TERMODINAMICO DIESEL a 4 TEMPI 1-2: aspirazione isobara (a pressione costante) 2-3: compressione adiabatica (con scambio di solo lavoro e non di calore) 3-4: combustione isobara 4-5: espansione adiabatica 5-2-1: scarico 10

11 CICLO (INDICATO) OTTO: p vs V η teorico = E meccanica E fornita FASI del CICLO TERMODINAMICO OTTO a 4 TEMPI 1-2: aspirazione isobara (a pressione costante) 2-3: compressione adiabatica (con scambio di solo lavoro e non di calore) 3-4: combustione isovolumica 4-5: espansione adiabatica 5-2-1: scarico 11

12 Esempio 12

13 CICLO (INDICATO) SABATHE : p vs V I moderni motori a ciclo Diesel presentano le fasi di compressione e combustione in parte isovolumiche e, in parte, isobare FASI del CICLO TERMODINAMICO SABATHE a 4 TEMPI 1-2: aspirazione isobara (a pressione costante) Le fasi di compressione e combustione avvengono in parte a volume costante (3-3a) e, in parte, a pressione costante(3a-4) 4-5: espansione adiabatica 5-2-1: scarico 13

14 DIAGRAMMA TEORICO DEL CICLO SABATHE DI UN MOTORE A 4 TEMPI e successione delle fasi Il ciclo si completa con due corse alternate del pistone, ovvero ogni due giri dell albero motore. 14

15 CICLI REALI: p vs V ARROTONDAMENTI Dipendono dal fatto che le valvole non si aprono ESATTAMENTE quando il pistone raggiunge i Punti Morti Superiore o Inferiore, ma con un leggero anticipo o ritardo, caratteristici di ogni motore 15

16 DIAGRAMMA DELLA DISTRIBUZIONE rappresenta graficamente e con riferimento sia al PMS sia al PMI, l angolo di svolgimento di ciascuna fase 16

17 CICLO DI FUNZIONAMENTO DI UN MOTORE A 2 TEMPI 17

18 DIESEL E OTTO: PARAMETRI A CONFRONTO 18

19 SISTEMA MOTORE Il motore base per poter funzionare deve essere dotato di una serie di altri dispositivi che riguardano: L alimentazione combustibile Lo scarico dei gas combusti La lubrificazione e raffreddamento La regolazione L avviamento Inoltre deve essere fornito di prese di movimento che lo colleghino alle varie utenze 19

20 Sistema di alimentazione motori a ciclo Diesel Provvede all invio nei cilindri sia dell aria, sia del combustibile (gasolio) L aria (20g di aria per g di gasolio) deve essere preventivamente e accuratamente filtrata (tassi di polverosità > 0.5 g/m 3 ) filtri a secco a bagno d olio più diffuso L alimentazione del gasolio ai diversi cilindri viene fatta mediante la pompa di iniezione, che governa gli iniettori a servizio dei vari cilindri 20

21 SISTEMA DI ALIMENTAZIONE: FILTRI ARIA A SECCO Il sistema di alimentazione deve provvedere a inviare nel cilindro aria e combustibile (gasolio, oli esterificati, benzina, metano ecc.) filtrati e, dunque, liberati da ogni impurità 21

22 FILTRI ARIA IN BAGNO D OLIO INTASAMENTO FILTRI Sostituzione cartucce/olio ogni ore di funzionamento 22

23 SISTEMI DI ALIMENTAZIONE iniettore serbatoio pompa filtro pompa di alimentazione 23

24 POMPA INIEZIONE ALTERNATIVA 24

25 FUNZIONAMENTO DI UN ELEMENTO POMPANTE ALIMENTAZIONE MANDATA FINE MANDATA ALIMENTAZIONE : durante la discesa dello stantuffo, il gasolio riempie il cilindretto attraversando le luci laterali, in comunicazione con il condotto di arrivo della pompa di alimentazione MANDATA : durante la corsa di risalita, lo stantuffo chiude le luci di arrivo del gasolio, pone in pressione quest ultimo intrappolato nel cilindro; la valvola di mandata si apre e si ha la mandata all iniettore FINE MANDATA : continuando la corsa di risalita, lo spigolo della scanalatura elicoidale scopre la luce di riflusso, il gasolio rifluisce attraverso la scanalatura verticale, cessa la mandata; la valvola si richiude per evitare ogni gocciolamento all iniettore

26 POMPA INIEZIONE ROTATIVA 26

27 INIETTORE DEL GASOLIO Pressione di esercizio: bar 27

28 INIEZIONE DIRETTA ED INDIRETTA DIRETTA INDIRETTA 28

29 Iniezione Common rail rende indipendenti le funzioni di pressurizzazione e di gestione dell iniezione del combustibile (di tipo diretto) Ø pompa a d alta pressione ( bar) Ø common rail, condotto di accumulo del combustibile Ø Iniettori comandati elettronicamente Ø C e n t r a l i n a elettronica di gestione del sistema 29

30 Iniezione Common rail Si ottimizza il momento e la quantità del combustibile iniettato, frazionandone l immissione con una serie di tre più iniezioni sequenziali a distanza di tempo dell ordine di millisecondi Vantaggi: 1. riduzione dei consumi; 2. minore rumorosità; 3. risposta più rapida alle variazioni di carico; 4. diminuzione delle emissioni allo scarico La gestione elettronica dell iniezione consente di variare la potenza sviluppata dal motore 30

31 SOVRALIMENTAZIONE Nel turbo compressore, la turbina è azionata dai gas di scarico e muove il compressore dell aria comburente. I regimi di rotazione sono assai elevati ( giri/min). 31

32 SPACCATO DI MOTORE SOVRALIMENTATO 32

33 Sovralimentazione Ø Aumento, mediante compressione, della densità di aria immessa a ogni ciclo nel cilindro. A parità di cilindrata Ø Maggiore massa di ossigeno combustione completa di una maggiore quantità di combustibile Ø aumento dell area utile del ciclo incremento della potenza e della coppia con riduzione del consumo specifico 33

34 SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO AD ACQUA Il sistema di raffreddamento mantiene gli organi termicamente più sollecitati a temperature compatibili con le loro caratteristiche meccaniche. Calore da asportare: kcal/kwh 34

35 SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO AD ARIA 35

36 RAFFREDDAMENTO DEL PISTONE La realizzazione di motori sempre più prestanti rende necessario il raffreddamento delle parti alte del pistone. Ciò si ottiene mediante una sempre più efficace lubrificazione e iniettando olio all interno della cavità del pistone. Ne deriva la necessità di un sistema di raffreddamento anche per l olio. 36

37 BILANCIAMENTO ENERGETICO di un motore Le quote più consistenti di perdite di calore avvengono attraverso i gas di scarico e il sistema di raffreddamento le quote più consistenti. Il rendimento di un motore endotermico è dell ordine del 26-36%. 37

38 SISTEMA DI LUBRIFICAZIONE Il sistema di lubrificazione è necessario per ridurre gli attriti fra le varie componenti, nonché per facilitare la tenuta dei pistoni. Il sistema è chiuso, dotato di pompa, filtri e serbatoio (coppa) 38

39 FRENO DI PRONY Con particolari strumenti misura (freni) si determina in corrispondenza di ogni regime di rotazione del motore (n m ; giri/min) la coppia motrice (M m ; Nm) sviluppabile dal motore; quindi, si calcola la potenza erogata (P m ; kw). I punti così calcolati permettono di tracciare le curve della coppia e della potenza, a cui si aggiunge sempre anche quella del consumo specifico (c s ; g/kwh), ossia del consumo orario di combustibile per ogni unità di potenza meccanica sviluppata. 39

40 FRENO MOBILE IDRAULICO Nelle prove motore condotte direttamente sul trattore con freni di diversa concezione, la coppia viene misurata all albero della presa di potenza (p.d.p.). Per risalire alla potenza motore bisogna, pertanto, considerare il rendimento di trasmissione alla p.d.p. (dell ordine del 90-95%). 40

41 FRENO FISSO ELETTROMAGNETICO Il rilievo delle curve caratteristiche del motore (coppia, potenza e consumo specifico) condotte secondo protocolli internazionali in appositi Istituti di omologazione si conducono con la pompa del gasolio alla massima mandata. 41

42 Schema del freno dinamometrico Froude 1] raccordo arrivo acqua5] banco fisso 2] scatola oscillante 6] girante a palette 3] statore 7] semiscatole per la variazione del carico 4] albero della girante 8] giunto di accoppiamento al motore 42

43 RILIEVO DELLE CURVE CARATTERISTICHE 43

44 PUNTI NOTEVOLI DELLE CURVE CARATTERISTICHE Le curve caratteristiche del motore riferiscono del comportamento del motore quando esso è assoggettato al carico massimo. Richiedendo al motore un carico inferiore, si otterrebbero curve di coppia e potenza di analoga forma ma più basse rispetto alle curve caratteristiche. La curva del consumo specifico risulta invece più alta; ciò in quanto il consumo necessario per il funzionamento a vuoto del motore si può considerare costante a ogni regime e, quindi, la sua incidenza sull energia utile risulta progressivamente più forte al diminuire del carico. 44

45 CURVE CARATTERISTICHE:IMPIEGO OTTIMALE Nei motori per trattori è importante che sia garantita la possibilità di adeguare la coppia motrice (sviluppata dal motore) al variare della coppia resistente (offerta dalle operatrici). E, dunque, necessario che il motore possieda doti di elasticità. Riserva di coppia (%) M max M P max RC = 100 M P max 15% < RC < 30% Riserva di velocità (giri/min) RV = np max nm max 45

46 CONSUMO SPECIFICO AI CARICHI PARZIALI Il consumo specifico (g/kwh) di un motore è inversamente proporzionale al suo rendimento e varia al variare del carico motore. I consumi specifici minori si registrano in prossimità del regime motore corrispondente alla coppia massima. con M = 95% Mpmax c s = 215 g/kwh con n = 55% n Pmax c s = 223 g/kwh con n = 95% n Pmax con M = 30% Mpmax c s = 260 g/kwh con P = 55% n Pmax c s = 275 g/kwh con P = 95% n Pmax 46