Corso di Motori a Combustione Interna Anno 207/208 Introduzione Il motore a combustione interna, a differenza di quanto avviene nei motori a combustione esterna, è caratterizzato da un ciclo termodinamico che avviene in un unica zona del sistema. È possibile distinguere due differenti tipi di motori alternativi a combustione interna: Motori ad accensione comandata, dove la miscela si accende attraverso una scintilla che scocca tra gli elettrodi di una candela; Motori ad accensione per compressione o Motori Diesel, dove la miscela si auto-accende a causa dell incremento di temperatura, dovuto all incremento di pressione all interno del sistema; I campi di applicazione per i Motori ad accensione comandata risultano: Autotrazione leggera (vetture); Propulsione in genere; Piccole imbarcazioni (fuoribordo); Invece, i campi di applicazione per i Motori ad accensione per compressione risultano: Trazione pesante (auto-treni); Propulsione in genere e generazione di potenza per elettrogeneratori (kw a oltre 20MW); Imbarcazioni da medio-piccole alle più grandi navi; Motivi del successo dei Motori alternativi a Combustione Interna Il motore a combustione interna ha avuto un largo sviluppo per una serie di circostanze storiche e i principali motivi del suo successo possono essere schematizzati nei seguenti punti:. Semplicità di sistema: La semplicità del sistema si deve all idea geniale di Eugenio Barsanti e Felice Matteucci che nel 853 deposero il brevetto di un primo prototipo di motore a combustione interna, caratterizzato da un pestone che, cadendo all interno di un cilindro contenente una miscela di aria e combustibile, era in grado di far raccogliere, attraverso un sistema a cremagliera, una piccola quantità di lavoro meccanico all asse. 2. Facilità di regolazione: Altro punto di forza dei motori alternativi a combustione interna è la facilità di regolazione. Com è ben noto, è possibile rappresentare l andamento della curva di coppia motrice e della curva di coppia resistente, in funzione del numero di giri, e la condizione di funzionamento si ha proprio in corrispondenza del punto d incrocio tra le due curve.
3. Adattabilità alle varie applicazioni attraverso configurazioni in linea, a stella, boxer, a V. Per aumentare la potenza erogata dal motore bisogna aumentare il volume in cui evolve il ciclo termodinamico, noto come cilindrata. Chiaramente, piuttosto che adottare un unico cilindro dalle dimensioni eccessive, si preferisce incrementare tale volume attraverso il frazionamento in più cilindri. Attraverso la particolare disposizione dei cilindri possiamo avere differenti configurazioni diverse: Figura - Cilindri in Linea Figura 3 Cilindri a stella per applicazioni aeronautiche Figura 2 Cilindri a V Figura 4 Cilindri contrapposti (Boxer) Classificazione in termini di tempi del ciclo termodinamico Un ciclo termodinamico è caratterizzato da 4 fasi differenti: compressione, adduzione di calore, espansione e sottrazione di calore. Queste 4 fasi sono scandite dalle variazioni di volume all interno del sistema, le quali possono avvenire in 4 tempi (2 giri dell albero motore) o in 2 tempi ( giro dell albero motore).. Motori 4 tempi Cilindrate unitarie da pochi cm3 a circa 800 cm3 ; Cilindrate totali da pochi cm3 a circa 8000 cm3 ; Potenze specifiche di 00-400 kw/dm3 (l); Potenze specifiche di 36-545 CV/l; Nelle moto sportive si possono avere anche densità di potenza di 50kW/l. Nelle nostre auto è un valore che va tra 40-70 kw/l. La velocità di rotazione arriva fino ad un massimo di 8000-9000 giri/min (nella F si arriva anche a 5000 giri/min, utilizzando materiali più resistenti). 2
2. Motori 2 tempi Cilindrate unitarie da pochi cm 3 a circa 500 cm 3 ; Cilindrate totali da pochi cm 3 a circa 8000 cm 3 ; Potenze specifiche di 30-60 kw/dm 3 (l); Potenze specifiche di 4-82 CV/l; La velocità di rotazione arriva fino ad un massimo di 2000-4000 giri/min. Costruzione di un motore alternativo a combustione interna Un motore alternativo a combustione interna può essere schematizzato attraverso le seguenti parti:. Parti Statiche: blocco cilindrico, testata, basamento; 2. Parti Mobili: pistone, bielle, albero a gomiti, assi a camme; 3. Organi e accessori: distribuzione, accensione iniezione, pompaggio combustibile, raffreddamento, lubrificazione, avviamento, aspirazione e scarico; Fasce Elastiche (Piston rings) Le fasce elastiche, in genere due più un raschiaolio, hanno il compito di garantire la tenuta tra il cilindro e il pistone, sigillando la camera di combustione rispetto al basamento e riducendo drasticamente la superficie di contatto tra pistone in movimento e canna del cilindro. Il profilo laterale, in genere, è rettangolare ma esistono una grande quantità di studi volti a migliorarne le prestazioni, riducendo ancor di più la superficie di contatto: 3
Generalità e classificazione Riepiloghiamo brevemente i concetti e le definizioni di base dei principali parametri che caratterizzano un Motore a Combustione interna: Si definisce Alesaggio il diametro D del cilindro; Si definisce Corsa la distanza C percorsa dal pistone dal punto morto inferiore PMI al punto morto superiore PMS; Si definisce Cilindrata la differenza tra il volume massimo del cilindro, indicato con V 5, e quello minimo, indicato con V 6 ; In termini analitici, la cilindrata può essere espressa come: V = V 5 V 6 = π 4 D6 C [m 3 ] Il seguente rapporto è detto rapporto volumetrico di compressione: ρ = V @AB cilinidrata + volume camera di combustione = = V + V 6 = V 5 V @CD volume camera di combustione V 6 V 6 In genere, tale parametro assume un ordine di grandezza compreso tra 8 e 2 per i motori ad accensione comandata e tra 5 e 23 per i motori ad accensione per compressione. In qualsiasi tipo di motore alternativo a c.i si succedono, sempre nello stesso ordine, le seguenti quattro fasi di funzionamento: Fase di introduzione: nel cilindro viene introdotta, per sola depressione provocata dal moto del pistone o utilizzando anche un compressore, una miscela di aria e di combustibile oppure una certa quantità d aria, alla quale si aggiunge successivamente il combustibile; Fase di compressione: la miscela o l aria introdotta viene compressa fino ad un valore della pressione funzione di quello iniziale e del rapporto volumetrico di compressione ρ ; Fase di combustione e di espansione: combustione più o meno rapida della miscela o del combustibile iniettato e quindi successiva espansione dei gas combusti; Fase di scarico: i gas combusti vengono espulsi all esterno in modo da consentire l ingresso nel cilindro di una carica fresca; Tra questi fasi solo quella di combustione-espansione è utile, in quanto permette di ottenere lavoro del fluido mentre le altre, specialmente quella di compressione, sono passive. Quando il riempimento del cilindro viene effettuato per la depressione creata dal pistone nel movimento dal PMS al PMI si parla di motore aspirato; quando invece il fluido motore viene prima compresso e poi introdotto nel cilindro si parla di motore sovralimentato. 4
Fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione comandata 4T Nella seguente figura sono riportate le quattro fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione comandata a quattro tempi: Fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione comandata 4T: a) Aspirazione; b) Compressione; c) Combustione ed espansione; d) Scarico; Nei motori ad accensione comandata, durante la fase di aspirazione (a), grazie alla depressione creata nel cilindro per effetto del movimento del pistone dal PMS al PMI, una miscela di aria e vapori di benzina, formatasi esternamente al cilindro, fluisce in quest ultimo attraverso la valvola di aspirazione, regolata dall asse a camme. Nella successiva fase di compressione (b), effettuata a valvole chiuse, la miscela di aria e vapori di benzina viene compressa per effetto del movimento del pistone e, un poco prima che questo abbia raggiunto il PMS, scocca una scintilla elettrica tra gli elettrodi di una candela, alloggiata sulla testata, che determina localmente un rapido incremento della temperatura, sufficiente a far bruciare la miscela presente nelle zone circostanti. Nasce così un fronte di fiamma che si propaga poi a tutta la massa fluida con una velocità che va dai 30 m/s ai 50 m/s, in relazione alla turbolenza acquisita dal fluido stesso. La combustione dunque, pur rapidissima, procede con una certa gradualità a causa della velocità finita del fronte di fiamma e pertanto altrettanto graduale sarà l incremento di pressione che, per effetto della combustione, si registrerà nella massa fluida. La fase di combustione (c), iniziata prima che il pistone abbia raggiunto il PMS, termina quando il pistone ha già iniziato la successiva corsa di espansione verso il PMI, anch essa a valvole chiuse, impiegando un numero di gradi di manovella variabile tra 35 e 50, per cui si è soliti dire che la combustione (fase di adduzione di calore) si svolge a cavallo del PMS. Quando il pistone giunge al PMI, termina la fase di espansione cui segue quella di scarico (d) durante la quale il pistone, con il suo movimento dal PMI al PMS espelle all esterno i gas combusti attraverso la valvola di scarico, ora aperta, in modo da svuotare il cilindro affinché una nuova carica fresca di aria e vapori di benzina possa esservi immessa nella successiva fase di aspirazione. 5
Fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione per compressione 4T Nella seguente figura sono riportate le quattro fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione comandata a quattro tempi: Fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione per compressione 4T: a) Aspirazione; b) Compressione; c) Iniezione, combustione ed espansione; d) Scarico; Nei motori ad accensione per compressione, contrariamente a quanto si verifica per un motore ad accensione comandata, durante la fase di aspirazione (a), non si introduce nel cilindro una miscela di aria e combustibile, ma soltanto di aria. Il combustibile, ovviamente indispensabile, viene introdotto, finemente polverizzato, verso la fine della fase di compressione (b), nella camera di combustione, nella quale l aria è stata compressa dal movimento del pistone verso il PMS, in modo da portarla ad una temperatura superiore a quella di autoaccensione del combustibile (ricordiamo che in questo tipo di motori vi sono rapporto di compressione ρ più elevati rispetto al caso precedente che permettono il raggiungimento di 60 70 bar a fine compressione). Il combustibile, una volta vaporizzato e mescolatosi con l aria, si accende spontaneamente e più o meno contemporaneamente in tutte le zone della camera di combustione raggiunte dalle particelle del combustibile iniettato. Anche in questo caso una buona turbolenza migliora, entro certi limiti, l andamento della combustione, provocando un più rapido ed uniforme mescolamento del combustibile in seno all aria comburente. Non nasce, in questo caso, un fronte di fiamma ed è intuitivo che la combustione, avendo luogo più o meno contemporaneamente in tutta la camera, si svilupperà in maniera molto più rapida e violenta rispetto a quella che ha luogo in un motore ad accensione comandata. Le fasi di espansione e di scarico non differiscono sostanzialmente dalle corrispondenti fasi che si hanno in un motore ad accensione comandata. In un motore diesel, inoltre, lo spazio rimanente a fine compressione tra la testa del pistone e la testa del cilindro è estremamente ridotto e, dunque, richiede una progettazione attenta e precisa: bisogna chiaramente evitare l urto tra le parti, tenendo conto delle dilatazioni termiche e a cui sono soggetti i materiali e delle inerzie in gioco. Per questo motivo, spesso la testa di pistone di un motore diesel è incavata, al fine di evitare l urto con la valvola di aspirazione e di scarico. 6
Fasi del ciclo di un motore aspirato ad accensione comandata 2T Le quattro fasi descritte (aspirazione, compressione, combustione-espansione, scarico), sempre presenti in un motore a c.i, possono essere realizzato anche con un solo giro dell albero motore, ovvero con solo due corse del pistone. Si parlerà, in tal caso, di motori a due tempi che possono essere ovviamente sia ad accensione comandata che ad accensione per compressione. A tal proposito si riporta la vista in sezione di un motore a due tempi ad accensione comandata con compressione nel carter, frequentemente utilizzato nel campo delle piccole potenze. Tale motore è sprovvisto di valvole di aspirazione e di scarico ma l immissione della carica fresca nel cilindro e l espulsione dei gas combusti fallo stesso vengono realizzate attraverso luci praticate nelle pareti del cilindro che vengono scoperte ed occluse dal pistone stesso. Fasi del ciclo di un motore ad accensione 2T: a) Aspirazione nel carter e compressione nel cilindro; b) Combustione ed espansione; c) Scarico e riempimento cilindro (Lavaggio). Luce di scarico; 2. Luce di aspirazione; 3. Luce di lavaggio Durante la fase di compressione (a) il pistone, con il suo movimento verso il PMS, crea una depressione nel carter sottostante al pistone stesso per cui, attraverso la luce 2 viene aspirata nel carter una miscela di aria e combustibile. A cavallo del PMS ha luogo la combustione e con il movimento del pistone dal PMS al PMI (b) ha luogo l espansione dei gas combusti nel cilindro e la compressione della miscela fresca nel carter. Durante la fase di espansione, prima che il pistone raggiunga il PMI, viene scoperta, dal pistone stesso, la luce di scarico (c) che consente ai gas combusti, a causa della loro sovrappressione rispetto all esterno, di poter abbandonare il cilindro. Successivamente, sempre nella fase di discesa, il pistone scopre la luce di lavaggio 3, attraverso la quale si immette nel cilindro la carica fresca, pronta ad essere compressa nella successiva corsa del pistone verso il PMS. Tale immissione contribuisce, in parte, alla fuoriuscita dei gas combusti dal cilindro, a causa delle diverse densità dei due fluidi (carica fresca e gas combusti). 3 Il ciclo si è concluso dunque in un solo giro dell albero motore, ovvero in due sole corse del pistone. 7
Cicli di riferimento dei motori a combustione interna Nei motori a combustione interna è possibile fare riferimento preliminarmente al ciclo ideale, considerando cioè come perfetti sia la macchina che il fluido. Tanto premesso, i motori ad accensione comandata fanno riferimento al ciclo Beau de Rochas, noto anche come Ciclo Otto. Esso è costituito da due trasformazione adiabatiche isoentropiche, compressione -2 ed espansione 3-4, da una adduzione di calore 2-3 e da una sottrazione di calore 4- entrambe a volume costante. I motori ad accensione per compressione fanno invece riferimento nel loro funzionamento ideale al ciclo Diesel, che differisce dal primo per la sola fase di adduzione di calore, che ha luogo a pressione costane anziché a volume costate. In genere è utile fare riferimento al ciclo Sabathè che, a differenza dei primi due cicli ideali che possono essere realizzati (con le dovute approssimazioni), non risulta realizzabile. Esso è un ciclo misto in quanto l adduzione di calore viene effettuata in parte a volume costante e in parte a pressione costate. Le fasi di compressione e di espansione sono ancora adiabatiche reversibili e la sottrazione di calore è a volume costante. Volendo ora procedere al rendimento termodinamico ideale del ciclo Sabathè, attraverso il quale sarà possibile particolarizzare il rendimento del ciclo Otto e del ciclo Diesel, si ha: η NO = L Q 5 = Q 5 Q 6 Q 5 = Q 6 Q 5 La quantità di calore Q 6, sottratta a volume costante, è data da: Q 6 = T c S 5 dt = c S T T T 5 mentre la quantità di calore Q 5 è costituita dalla somma dei due termini corrispondenti alle fasi di adduzione di calore a volume costante ed a pressione costante: 8
Q 5 = W c S 6 dt + W Y c X W dt = c S T W T 6 + c X T W Y T W Ricordando che c X /c S = k, ovvero l esponente dell adiabatica isoentropica, il rendimento risulta: η NO = c S T T T 5 c S T W T 6 + c X T W Y T W = T T T 5 T W T 6 + k T W Y T W Definendo il rapporto di adduzione del calore o di combustione a volume costante: τ = T W T 6 e il rapporto di adduzione del calore o di combustione a pressione costante: e ricordando, infine, il rapporto di compressione: b = T W Y T W ρ = V 5 V 6 è possibile esprimere la () in funzione della sola temperatura T 5. Infatti, utilizzando l equazione dell adiabatica reversibile dei gas che lega le temperature ai volumi lungo le varie trasformazioni che si succedono nel ciclo, è possibile ricavare: Compressione adiabatica reversibile -2: T 6 = T 5 ρ _`5 Adduzione di calore a volume costante 2-3: T W = T 6 τ = T 5 ρ _`5 τ Adduzione di calore a pressione costante 3-3 a : Espansione adiabatica reversibile 3 a -4: T W Y = T W b = T 5 ρ _`5 τ b T T = T W Y V W Y V T _`5 = T W Y = T W Y = T W Y V W Y V 6 V 6 V T ρ _`5 V WY V 6 _`5 V W Y = T W Y V 6 ρ = T W Y _`5 ρ _`5 _`5 T WY p W Y ρ _`5 b_`5 = T 5 ρ _`5 τ b = p W T W _`5 = ρ _`5 b_`5 = T 5 τ b _ 9
Sostituendo nella () le espressione di T 6, T 6, T 6 e T 6 ricavate, si ottiene: η NO = ρ _`5 τb _ τ + τk b Relativamente al ciclo Beau de Rochas, per il quale è b = mancando la fase di adduzione di calore a pressione costante, si ricava: η NO = ρ _`5 Relativamente al ciclo Diesel, per il quale è τ = mancando la fase di adduzione di calore a volume costante, si ricava: η NO = ρ _`5 b _ k b Di seguito sono riportati gli andamenti grafico dei questi rendimenti ideale in funzione di ρ per il ciclo Beau de Rochas e in funzione di b per il ciclo Diesel: si nota che il rendimento cresce al crescere di ρ, mentre decresce con b; inoltre dipende dal particolare fluido evolvente in esame (k). Pressione media del ciclo ideale Beau de Rochas Si definisce pressione media quella pressione che, se agisse costantemente durante la variazione di volume v 5 v 6, pari alla cilindrata, darebbe luogo allo stesso lavoro utile. Analiticamente si ha: L NO p d = v 5 v 6 e ricordando la relazione del rendimento ideale, espresso come rapporto tra lavoro ideale e calore addotto, è possibile scrivere: 0 η NO = L NO Q 5 p d = η NO Q 5 v 5 v 6