MOTORE Prof. Paolo Biondi Dip. GEMINI
I LEGGE DELLA TERMODINAMICA L energia dell universo è costante L energia non si crea e non si distrugge
II legge della termodinamica o di degradazione dell energia L entropia di un sistema isolato (per es. l universo) tende ad un max Per l ingegnere: L Q Q L L Q tutto il lavoro meccanico è convertibile in calore Q L il calore non è totalmente convertibile in lavoro meccanico
Ciclo di Carnot Rendimento del ciclo: =L/Q 1 = =(Q 1 -Q 2 )/Q 1 = =(T 1 -T 2 )/T 1 Q 1 =Q c Q 2 =Q f T 1 =T c T 2 =T f T temperatura assoluta
Motori Motori a combustione interna (CI) volumetrici alternativi: ad accensione comandata (a benzina) ad accensione spontanea (diesel)
Motori diesel Non esiste un impianto di accensione in quanto alla fine della fase di compressione la temperatura dell aria è superiore alla temperatura di ignizione del gasolio. In una compressione adiabatica l aria si riscalda, ad esempio: pompa di bicicletta e i grandi compressori sono raffreddati.
Rendimenti nei motori a CI = L/Q 1/3 solo il 33% circa dell energia termica del combustibile trasformata in lavoro utile all albero motore. Circa 1/3 dell energia termica del combustibile persa come calore all impianto di raffreddamento. Un altro 1/3 persa allo scarico.
Rendimento teorico per motori a CI Se si considera di utilizzare un ciclo di Carnot con temperatura della sorgente calda pari alla massima temperatura di combustione del gasolio 2.200 C (2.473 K) e quella della sorgente fredda pari alla temperatura ambiente 15 C (288 K), il rendimento teorico ideale è pari a: = (2.473-288)/2.473 = 0,88 88%
Potere calorifico Potere calorifico inferiore (P ci ): la quantità di calore rilasciata dall unità di massa del combustibile in un processo di combustione completa e con i fumi raffreddati fino a 100 C. Potere calorifico superiore (P cs ): analogo al precedente ma con fumi di combustione raffreddati fino a temperatura ambiente (recupero del calore di condensazione del vapore H 2 O eventualmente presente)
Caldaie a condensazione Rendimenti > 1 (?!) Non fisicamente possibili. Il calcolo viene fatto rispetto al P ci quando si recupera il calore di condensazione del vapore: più correttamente i calcoli dovrebbero essere riferiti al P cs.
Alcune caratteristiche dei combustibili Combustibile Calore di evaporazione (kj/kg) Potere calorifico inferiore (MJ/kg) (MJ/l) Aria teorica combustione (kg-aria/kg) Tonalità termica (kj/l) Massa volumica (kg/l) Benzina 314 43,54 32,03 15,5 3,726 0,724 Etanolo 100% 963 27,42 21,77 9 3,847 0,795 Metanolo 100% 1.164 18,84 15,07 6,5 3,902 0,795 Gasolio 42,70 35,59 14 3,890 0,833
Grandezze caratteristiche R = V 1 / V 2 rapporto di compressione
ALBERO A GOMITI - PISTONE
Basamento o blocco motore
Ciclo Diesel
Pressure Intake Ciclo Diesel Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Compression Ciclo Diesel Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Power (Injection) Ciclo Diesel Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Power Ciclo Diesel Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Exhaust Ciclo Diesel Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Ciclo Otto
Pressure Intake Ciclo Otto Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Compression Ciclo Otto Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Compression Ciclo Otto Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Power Ciclo Otto Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Pressure Exhaust Ciclo Otto Click mouse for next stroke. Press Escape to end. Volume
Ciclo termodinamico 1 1 k R 1 Rendimento termodinamico Ciclo OTTO: te 1 R 1 k 1 Ciclo Diesel: te 1 kr k k 1 1 ( 1) =T 5 /T 4 =V 5 /V 4 k=c p /C v =1,4 te =L te /Q i =L i /L te m =L eff /L i T =L eff /Q= te i m =1/(C s P ci )
Consumo specifico Nella tecnica per definire le prestazioni termiche di un motore si fa spesso riferimento al consumo specifico: C s in g-gasolio per unità di lavoro prodotta all albero motore. Da C s è facilmente calcolabile il rendimento T. Ad esempio: C s =250 g/kwh. Da 250 g-gasolio si ottiene una quantità di calore: 0,25 kgx10.000 kcal/kgx4187 J/kcal= 10,47 MJ C s xp ci =10,47 MJ / 3,6 MJ=2,91 T =1/(C s P ci )=1/(2,91)=0,344 34,4%
Norme di prova dei motori più diffuse in campo internazionale Norme di prova Ventilatore e radiatore Filtro aria Scarico Temperatura ( C) Pressione = Altitudine (mmhg) (m slm) DIN 70020 si si si 20 760 = 0 DIN 6270 si no no 20 736 = 150 British standard no si si 29,4 736 = 150 SAE: gross no a rich. no 29,4 736 = 150 SAE: net si si si 29,4 736 = 150 IGM/CUNA si si si 15 760 = 0 Formule di correzione della potenza misurata in base alla temperatura e pressione atmosferica dell'ambiente di prova: a) DIN 70020 P cor =P os (760/p)[(273+t)/293]0,5 con p in mmhg e t in gradi C; b) SAE J816a P cor =P os (29,0/p)[(460+t)/(460+85)] con p in pollici e t in gradi Fahrenheit ( F); c) IGM (Ispettorato Generale Motorizzazione) P cor =P os (760/p)[(529+t)/544] con p in mmhg e t in gradi ( C).
Formule per la potenza del motore a 4 tempi P = M = M2 n 60 P = p evn 120 L m Q P = m Qn 120 P = m v s o VP ci n 1201 a M, in Nm; V (cilindrata), in L; n, in giri/min; p e (pressione efficace), in Pa; Q (calore consumato), in J; P ci, in J/kg; o, in kg/l; H o (tonalità termica della miscela), in J/L; s (sovralimentazione in massa), n.p.; a (aria teorica di combustione), in kg a /kg C ; m v svh o n 120
Funzionamento motore a 4 tempi
Motore a 4 tempi Motore a 2 tempi
Riserva di coppia (C max -C Pmax )/C Pmax > 20% Indice di elasticità (C max /C Pmax )x(n Pmax /n Cmax ) 1,5
Riserva di coppia
cilindro basamento testata camera di combustione valvole albero a gomiti (o motore) albero della distribuzione
Caratteristiche motori trattrici Numero cilindri: da 3 a 6 in linea in funzione della potenza Rapporto corsa/diametro: 0,95-1,20 Cilindrata unitaria: 517-1.350 cm 3 Rapporto di compressione: 14-18 Potenza specifica: aspirati 10-20 kw/l; sovralimentati 15-25 kw/l Consumo specifico gasolio: aspirati 210-260 g/kwh; sovralimentati 195-230 g/kwh Consumo specifico lubrificante: < 1g/kWh
Motori Formula 1 Nel 1950 potenze specifiche di 75 kw/l. Nell età del turbo con motori da 1,5 L di cilindrata (contro i 3,0 L dei motori normalmente aspirati) potenza specifica di circa 560 kw/l. Dal 1989 solo normalmente aspirati: nel 2005 con motori 3,0 L V10 potenze specifiche di 224 kw/l. Dal 2006 2,4 L V8 circa il 20% in meno. Regime max 19.000 giri/min. Consumi di circa 75 L/100 km.
Innovazioni nei motori Elettronica centralina di gestione (motore, emissioni ) sensori Common Rail con elettroiniettori piezoiniettori Turbocompressore Marmitta catalitica
Pompa di iniezione in linea a stantuffi rotanti (Bosch) -singola iniezione: 40-60 mm 3 -una goccia di pioggia: 30 mm 3-200-400 bar
Pompa d'iniezione rotativa a distributore (Bosch)
COMMON RAIL 800-1.300 bar
Effetto piezoelettrico Singola Iniezione con Iniettore Piezoelettrico (PCR) fino a circa 1 mm 3 ed è possibile frazionare l iniezione in modo più spinto rispetto agli elettroiniettori.
Turbocompressore
Turbocompressore con intercooler
Turbocompressore
TC a geometria variabile
Energia recuperata dal turbocompressore
MARMITTA CATALITICA Sonda l
Motori diesel
Motori diesel Purtroppo le emissioni del motore diesel presentano una composizione differente rispetto a quelli a benzina, infatti oltre a NOx, CO e HC abbiamo anche la presenza di particolato e di un elevata quantità di O2. Questo ossigeno impedisce al sistema TWC di poter ridurre gli NOx (mentre le reazioni di ossidazione di CO e HC sono favorite). Per questa ragione sono stati proposti alcuni sistemi catalitici che potessero ridurre gli NOx in condizioni ossidanti (Lean DeNOx). Le tecnologie più studiate per l abbattimento degli NOx in presenza di ossigeno sono sostanzialmente tre: 1) Riduzione Catalitica Selettiva degli NOx (SCR) 2) Storage Reduction di NOx (NSR) 3) Storage Reduction di NOx e abbattimento del Particolato (DPNR).
European emission standards for passenger cars (Category M*), g/km Tier Date CO THC NMHC NO x HC+NO x PM P*** Diesel Euro 1 July 1992 2.72 (3.16) - - - 0.97 (1.13) 0.14 (0.18) - Euro 2 Euro 3 Euro 4 Euro 5 Euro 6 (future) January 1996 January 2000 January 2005 September 2009 September 2014 1.0 - - - 0.7 0.08-0.64 - - 0.50 0.56 0.05-0.50 - - 0.25 0.30 0.025-0.500 - - 0.180 0.230 0.005-0.500 - - 0.080 0.170 0.005 -