APPUNTI del CORSO di MACCHINE I

APPUNI del CORSO di MACCHINE I Motori a combustione interna A cura del dott. ing. Daniele Scatolini dalle lezioni del rof. Cinzio Arrighetti

Introduzione Il motore a combustione interna (m.c.i.) ha origine intorno al 850 con il rototio di Barsanti e Matteucci, ede la definizione del ciclo Beau de Rochas nel 867 e del ciclo Diesel nel 893. Il m.c.i. è una macchina olumetrica alternatia, cioè una macchina che durante il suo funzionamento ciclico elabora una determinata quantità di olume di fluido che è successiamente esulso nell ambiente e rimiazzato con una nuoa carica. Il fluido di laoro si esande e si comrime, e subisce una combustione al suo interno: questo costituisce un rimo antaggio del m.c.i. risetto ad altri sistemi di roduzione di energia, nei quali sono resenti due sorgenti termiche esterne che scambiano calore con il fluido; nel m.c.i. l energia necessaria er la roduzione di laoro si silua all interno del fluido tramite la combustione; il calore Q restituito all ambiente iene scaricato nell ambiente. Il antaggio iù eidente risetto, ad esemio, ad una macchina a aore è quindi l eliminazione della caldaia, oero la comattezza. Uno santaggio risulta inece nel fatto che, rorio erché la combustione risulta interna al cilindro, il combustibile imiegato dee essere regiato onde eitare il eloce deterioramento delle arti meccaniche. Le otenze sono al di sotto dei 50 MW, sotto il MW er alicazioni dedicate alla trazione. Classificazioni Esistono diersi criteri di classificazione dei m.c.i. Una rima classificazione riguarda il tio d accensione: Motori ad accensione comandata (a.c., motori olg. a scoio, a benzina, con le candele) Motori ad accensione sontanea (a.s., motori Diesel, a gasolio, senza candele ) Nei motori ad accensione comandata è introdotta una miscela già dosata d aria e combustibile (benzina, gl, metano, alcool, in futuro idrogeno, ecc); un sistema d accensione (con una o iù candele) innesca la combustione, la quale si roaga con un fronte di fiamma a elocità nell ordine dei 5 m/s. Per una buon efficienza del motore è oortuno che aria e benzina siano miscelate in raorto stechiometrico. Nei motori ad accensione sontanea s immette il combustibile (gasolio) attraerso un iniettore (o iù) nella camera di combustione, contenente aria ura a determinate condizioni di ressione e temeratura, tali da innescare sontaneamente la combustione. Esistono anche motori ibridi che ossono funzionare sia a benzina sia a gasolio (ad es. er imieghi militari). Nei motori ad a.c. le candele roducono una scintilla tra due elettrodi che dà il ia al rocesso di combustione; in taluni motori Diesel (sorattutto di ecchia generazione od oeranti in condizioni ambientali rigide) sono resenti le cosiddette candelette, in sostanza delle resistenze elettriche che hanno lo scoo di riscaldare a motore freddo- la camera di combustione al rimo aiamento. Si ensi che nello storico diesel a testa calda si disonea un fuoco di legna sotto la testata all aiamento! Aunti di Macchine I - M.C.I.

Una diersa classificazione riguarda il eriodo del ciclo: Motori a quattro temi (4) Motori a due temi () Nei motori 4 il ciclo di funzionamento (notoriamente: asirazione, comressione, combustioneesansione, scarico) aiene ogni due giri di manoella: in un quarto del ciclo (fase d esansione) si ha roduzione di laoro, mentre er tre quarti del ciclo il motore funziona da oma assorbendo laoro assio. Nei motori il ciclo di funzionamento aiene in un solo giro di manoella, consentendo in sede limite la roduzione di una otenza doia risetto ad un analogo motore 4 di ari cilindrata e liello tecnologico. In sede reale le eculiarità costruttie del limitano erò amiamente questo antaggio sul 4, come edremo successiamente nello studio del motore a due temi. Un ulteriore classificazione riguarda l alimentazione: Motori asirati Motori soralimentati Nei motori asirati l aria è releata dall ambiente a ressione atmosferica, erciò in sede limite la massa d aria asirata nel cilindro sarà quella cometente al olume del cilindro a atm: m a ρ 0 V, ρ 0 densità dell aria a ressione atmosferica In sede reale, a causa delle erdite fluidodinamiche nei condotti, la massa d aria effettiamente asirata sarà una frazione di quella limite (edi sora), ed in articolare m a 0 λ ρ V, λ coefficiente di riemimento (a.c. as.: alore ari a 0.9 in condizioni di otenza max) Nei motori soralimentati l alimentazione aiene ad una ressione k atm (ti. k.8), l aria è asirata e cioè comressa in modo da aumentare il coefficiente di riemimento a alori sueriori all unità. Ciò comorta benefici sia a liello di otenza secifica che in termini di rendimento termodinamico. Il tiico motore er alicazioni motociclistiche e di iccola otenza, ha il roblema del laaggio imerfetto, che, di fatto, riduce l effettia quota di miscela disonibile er la combustione risetto a quella idealmente ari alla cilindrata. Una soluzione industrializzata di recente utilizza l iniezione diretta nel er motocicli. Ben dierso è inece l utilizzo del diesel, utilizzato nei grandi motori lenti naali con eleato rendimento. Ciò è ero in articolare nei diesel, ma nei motori a benzina, er eitare la detonazione, si è costretti ad abbassare il raorto di comressione. A fronte di una maggiore otenza secifica si ha in genere un rendimento inferiore risetto al motore asirato di ari otenza e quindi un consumo secifico iù eleato. Recentemente questo difetto è stato corretto attraerso l adozione dell iniezione diretta di benzina. Aunti di Macchine I - M.C.I. 3

Cami d alicazione e eculiarità I m.c.i. hanno un astissimo camo d alicazione in irtù dell estrema modularità dell architettura costruttia: ossibilità di moltilicare la otenza aumentando il numero di cilindri, adattabilità ai incoli geometrici esterni, basso raorto eso/otenza, etc. Gli imieghi tiici sono dunque la trazione stradale leggera (auto-motoeicoli), trazione ferroiaria, trazione stradale esante (trasorto merci su gomma), roduzione stazionaria di otenza (ad es. grui elettrogeni da KW a 0 MW), roulsione naale, roulsione aeronautica. Le caratteristiche che ne determinano il grande successo sono in generale: Comattezza. Il motore contiene al suo interno tutti gli organi necessari er il suo funzionamento, inoltre non ha bisogno della caldaia o del generatore di aore. Semlicità nella regolazione. Infatti in un m.c.i. si uò agire sia sulla coia motrice (momento motore M m ) che sul numero di giri. Ad esemio nella figura a lato le due cure di coia motrice di un auto M m e M m sono relatie a due dierse osizioni dell acceleratore; immaginando di mantenere il raorto di trasmissione costante (ad es. iaggiando in quinta marcia) si uò ariare la elocità dell auto troando due distinte osizioni d equilibrio sulla cura del momento resistente (che uò essere quello tiico della resistenza aerodinamica), n e n, semlicemente igiando sull acceleratore. Adattabilità alle arie alicazioni. Il m.c.i. si resta ad aere le architetture iù arie, con le disosizioni dei cilindri a V, in linea, a stella. Riortando il confronto all albero motore la resistenza aerodinamica -forza che si oone al moto del eicolo- uò essere ridotta ad un momento resistente agente sull albero, noto il raorto di trasmissione albero/ruote (edi [6], ag. 67). Aunti di Macchine I - M.C.I. 4

Organi fondamentali dei m.c.i. Il motore a combustione interna si comone di un cilindro all interno del quale scorre un istone in moto alterno. Il moimento alternatio del istone fa ariare oortunamente il olume della camera di combustione. ramite un giunto (sinotto) il istone è collegato al comlesso biella-manoella-albero, il noto manoellismo ordinario centrato. Il roblema rinciale di questo cinematismo è dato dalla resenza di forze d inerzia doute al moto alterno dello stantuffo, del moto rotante della manoella e del moto misto della biella, che rendono il sistema non equilibrato. Il sistema di distribuzione ermette nei motori 4 la regolazione delle fasi di laoro attraerso delle alole, la cui aertura e chiusura è regolata da camme con leggi ben recise; nel motore la distribuzione aiene generalmente senza la necessità d aarati di distribuzione mobili. Gli schemi riortati a lato mettono a confronto il sistema ad aste e bilancieri risetto al sistema ad albero in testa : l asta risulta lunga almeno quanto la canna dei cilindri, dato che l albero a camme si troa in rossimità dell albero motore, e le alole sora la testata. ale configurazione non è adatta er alti regimi di rotazione. Per contro un albero in testa richiede un rimando cinematico, in genere a cinghia o catena, dal iano dell albero motore a quello della testata. La rottura di questi flessibili rooca la rottura di istoni e alole. Aunti di Macchine I - M.C.I. 5

Sistema d alimentazione del combustibile. Nei motori ad accensione comandata il combustibile uò essere iniettato: A monte della camera di combustione. Carburatore: la miscela aria-benzina si forma nel carburatore doe una strozzatura, in corrisondenza della quale si determina un oortuna deressione, determina l iniezione del carburante da un aosito foro calibrato nella ena fluida dell aria. Le fasi d iniezione diendono esclusiamente dalla ciclica deressione generata dall aertura delle alole d asirazione. La strozzatura introduce una erdita di carico nel condotto d asirazione. La taratura del carburatore è fissa (la ortata del carburante è dosata da getti calibrati), ciò determina condizioni di funzionamento ottimali solo er determinati carichi, regimi, temerature e quote altimetriche d utilizzo, al di fuori delle quali il rendimento diminuisce e le emissioni inquinanti aumentano. Sezione di carburatore Iniezione indiretta: il carburante s inietta ad istanti definiti da una centralina elettronica (o da un sistema meccanico) nella ena d aria a monte della camera di combustione. In questo modo la sezione utile del condotto d asirazione non iene ridotta, è ossibile ariare continuamente il raorto stechiometrico aria/carburante ed è ossibile ottenere una migliore olerizzazione del getto di carburante risetto ad un carburatore. Analogamente al carburatore, la corretta turbolenza della miscela nella camera di combustione diende esclusiamente dal disegno del condotto, delle alole, della testa e dello stantuffo. Nella camera di combustione. Iniezione diretta: in questo caso il carburante è direttamente iniettato nella camera di combustione all istante restabilito, in maniera totalmente sincolata dall ammissione dell aria. In questo modo, oltre ai antaggi dell iniezione indiretta, è ossibile anche determinare condizioni di turbolenza nella camera di combustione articolarmente faoreoli, con conseguenti benefici in termini di rendimento termodinamico e riduzione delle emissioni inquinanti. Questa rerogatia è indisensabile quando sia necessario un conertitore catalitico allo scarico, che oera in modo efficiente solo er miscele stechiometriche. Già er rientrare nei limiti EURO il catalizzatore è in ratica necessario su tutti i eicoli in roduzione. L iniezione elettronica ha introdotto erò un fattore d inaffidabilità nel comlesso del eicolo, in articolare douto alla comleta diendenza dall alimentazione elettrica. E imossibile aiare, anche a sinta, un eicolo ad i.e. con la batteria scarica; è ossibile che lo stesso eicolo ada in anne, nonostante già aiato, se si fonde il fusibile dell alternatore, er rogressia scarica della batteria. Aunti di Macchine I - M.C.I. 6

I motori ad accensione sontanea sono semre ad iniezione, che uò essere indiretta (a recamera) o diretta. L iniezione indiretta, che fino agli anni 90 era dominante nella trazione leggera (automobili), resenta una maggiore regolarità di funzionamento e otenza secifica risetto a quella diretta, ma er contro ha un minor rendimento. Per questo l iniezione diretta è rimasta a lungo rerogatia esclusia della trazione esante. Circuito di refrigerazione Il rendimento globale er un m.c.i. aria tra 0.5 e 0.45, risettiamente er un motore a benzina tradizionale ed un grande motore diesel. Questo significa che la grossa quota arte dell energia termica del combustibile, mediamente il 70%, iene diserso nell ambiente er ie dierse, com è illustrato nello schema seguente: Il raffreddamento uò essere a liquido, circolante in canaletti ricaati nelle areti di cilindro e testata e raffreddato in uno scambiatore di calore (il ben noto radiatore), oure ad aria, che lambisce un alettatura oortunamente dimensionata all esterno del motore. Aunti di Macchine I - M.C.I. 7

Circuito di lubrificazione. ale sistema garantisce il buon funzionamento delle arti, sorattutto dello sinotto (giunto istonebiella) che raggiunge temerature eleate, troandosi in rossimità della camera di combustione, ed è sottoosto ciclicamente all inersione del moto, ciò che tende ad eliminare il elo di lubrificante ; esiste un aosito condotto er la lubrificazione dello sinotto, ricaato nella biella, che ricee olio da un analogo condotto che iaggia nel ieno dell albero a gomiti. Sistema d aiamento. Oltre agli storici metodi d aiamento a manoella (automobili inizio noecento) ed inerziale (nel motore a testa calda si facea rimbalzare il olano in un senso e nell altro finché si riuscia a incere la comressione), l aiamento è generalmente attuato da un motore elettrico che di solito ingrana su una corona ricaata sul olano. In alcuni grandi motori naali si utilizza aria comressa immessa nei cilindri da oortune alole. Volano. I motori a combustione interna alternatii sono caratterizzati da una fortissima irregolarità eriodica a causa dell andamento della ressione nel cilindro, che nei 4 cambia di segno due olte er ciclo. Il olano è dunque necessario er ridurre l irregolarità eriodica. Il giunto sinotto-istone è una coia rotoidale lubrificata; come noto lo sessore minimo del meato è roorzionale alla elocità relatia dei membri (edi [6], ca. V). Ad ogni giro dell albero esistono due istanti in cui tale elocità si annulla (quando il c.i.r. della biella a all infinito), urtroo in corrisondenza di fasi ancora attie dell esansione e della comressione. E tuttora diffuso l aiamento a strao in attrezzi da giardinaggio, agricoli e iccoli grui elettrogeni. In ia d estinzione il kick-starter nelle moto, eccetto quelle da cross due temi. Aunti di Macchine I - M.C.I. 8

Funzionamento del motore 4 Caratteri geometrici Quando il istone si troa al.m.s. si determina il olume V che non è interessato dalla sua corsa: V, olume della camera di comressione Quando il istone si troa al.m.i. il olume indiiduato sarà: V V + V c, olume totale V c è la cilindrata ed è il olume sazzato dal istone nella sua corsa dal.m.i. al.m.s. : V c V V π D 4 C, cilindrata con C : corsa dello stantuffo (distanza tra.m.s. e.m.i., ari al diametro di manoella) D : alesaggio (diametro del cilindro) Si definisce il raorto olumetrico di comressione: V V r con alori tiici 7 nei motori ad accensione comandata 3 nei motori ad accensione sontanea All aumentare del raorto olumetrico di comressione aumenta la ressione di fine fase comressione, e quindi anche la temeratura della carica di gas all istante della scintilla (motori a.c.) o dell iniezione (motori a.s.). Il arametro r è determinante ai fini del rendimento termodinamico, sia nei motori a.c. sia negli a.s. In articolare nei motori a.c. non uò raggiungere alori troo eleati erché insorge il fenomeno della detonazione, mentre nei motori a.s. iene sinto fino a alori comatibili con la resistenza strutturale dei comonenti (in articolare testata, biella e istone). Caratteri cinematici e dinamici u m C n/60, elocità media dello stantuffo, con alori comresi tra 5 m/s e 0 m/s secondo la destinazione d uso del motore. me, ressione media effettia, è la ressione media in un ciclo equialente agente sullo stantuffo, tenendo conto delle erdite meccaniche nella catena cinematica, considerata ositia se roduce laoro utile. Al ariare di questi due arametri si ossono ottenere motori d eguale otenza secifica ma di diersa destinazione d uso. P s, otenza secifica, è la otenza siluata dal motore er unità di cilindrata Aunti di Macchine I - M.C.I. 9

-Motori con eleate elocità medie dello stantuffo, o motori eloci, sono in grado di fornire eleate otenze secifiche ma laorando a regimi di rotazione eleati non sono adatti a serizio continuatio ed affidabile. Sono dunque i motori adatti alla trazione automobilistica leggera. -Motori con eleate ressioni medie effettie, in genere due temi diesel soralimentati, forniscono eleatissime otenze, ma er le tiiche caratteristiche costruttie sono eccessiamente esanti ed ingombranti er esigenze di iccola utenza, nonché laorano a bassissimi regimi di rotazione raticamente costanti. Sono dunque i motori ideali er la trazione naale, ferroiaria e er la roduzione d energia. ra queste due categorie estreme esiste un asto anorama di motori dalle caratteristiche intermedie, la cui configurazione corrisonde all ottimo richiesto dalla loro articolare destinazione d uso. Per toccare con mano il significato fisico dei due arametri elocità media e ressione media effettia, si uò osserare come siano due fattori a rodotto in un esressione semlificata della otenza di un m.c.i.: ( S ) ( u ) u S P F, m m me m me m con F m forza media in un ciclo e m elocità media in un ciclo, S suerficie dello stantuffo. Si caisce dunque che er aumentare la otenza di un motore si ossono scegliere due dierse strade: l incremento della ressione media effettia o della elocità media dello stantuffo. Si ricordano infine altri due arametri, i fattori di forma k e k, definiti come C k ζ, allungamento, identifica le roorzioni della camera di combustione D S k, è un arametro che mette in relazione la suerficie di scambio termico delle areti della 3 V camera di combustione ed il olume della miscela che raccoglie o cede tale calore; gli esonenti sono calcolati con le regole dall analisi dimensionale. Questi fattori di forma sono utilizzati in sede di rogetto er identificare motori simili. Aunti di Macchine I - M.C.I. 0

Fasi del motore 4 In figura sono indicate le ben note fasi di un motore quattro temi ad accensione comandata. Fase (a) asirazione: la alola d asirazione è aerta, quella di scarico chiusa; il istone scende creando una deressione che asira la carica. L albero ha comiuto mezzo giro. Fase (b) comressione: lo stantuffo risale dal.m.i. al.m.s.; le alole sono entrambe chiuse, quindi la miscela d aria e combustibile è comressa in V. L albero ha comiuto un giro. Fase (c) combustione, esansione: le due alole restano chiuse; la miscela comressa s infiamma er effetto della scintilla che scocca con un certo anticio, rima che il istone raggiunga il.m.s. ale combustione rooca un reentino e noteole aumento di ressione, che reme il istone erso il.m.i. comiendo laoro utile a sese del otere calorifico del combustibile. L albero ha comiuto un giro e mezzo. Fase (d) scarico: oco rima che lo stantuffo abbia raggiunto il.m.i. si are la alola di scarico. I gas che nel cilindro si troano a ressione maggiore di quell esterna (P atm ) si scaricano raidamente (scarico sontaneo), lasciando tuttaia gas residui a P P atm. Aunti di Macchine I - M.C.I.

Nella corsa del istone dal.m.i. al.m.s. i fumi engono esulsi dal cilindro (scarico forzato) e ci si ritroa dunque nelle condizioni di incamerare nuoa carica. L albero a questo unto ha comiuto due giri comleti. Nel motore 4 il ciclo di funzionamento corrisonde ad una rotazione dell albero ari a 70. L andamento della forza agente sullo stantuffo (o ressione, a meno di un fattore di scala ) è mostrato in figura: asirazione comressione esansione scarico Nel iano P-V (olume in [m 3 ], non è il olume secifico!) l andamento della ressione, nell iotesi limite d aertura/chiusura istantanea delle alole ed assenza di erdite di carico nei condotti, è riortato in figura: Le fasi d asirazione e scarico forzato sono rettilinee oiché si suone che aertura e chiusura delle alole siano istantanee. E dunque assente la laminazione della ena fluida. 0- asirazione; - comressione; nel unto scocca la scintilla che accende la miscela, oi il fronte di fiamma si roaga alla elocità di 0 0 m/s: giacché la combustione non è istantanea, in arte ha luogo anche quando il istone sta scendendo erso il.m.i. Questo ritardo della combustione rooca lo sostamento del unto 3 dalla erticale er. Nel caso di motore diesel l asirazione e la comressione riguardano solo aria; rima di raggiungere il unto inizia l iniezione del gasolio che, troando l aria fortemente riscaldata dalla comressione, si accende e brucia man mano che iene iniettato. E cioè la suerficie della sezione del cilindro normale al rorio asse: F P S Aunti di Macchine I - M.C.I.

Funzionamento del motore (a.c.) Il ciclo di funzionamento del motore aiene in un solo ciclo di laoro, cioè a arità d altre condizioni la otenza teorica è doia, così come doia è dunque la otenza secifica teorica. Un altro antaggio risetto al 4 è la mancanza di alole e di tutti i cinematismi atti a comandarle: le alole sono sostituite da semlici feritoie (luci di scarico e di laaggio). Queste caratteristiche rendono il motore semlice dal unto di ista costruttio. Fasi del motore Nella fase (a) iene comressa una miscela comosta in arte da gas combusti e non comletamente eacuati ed in arte da carica fresca. Nella fase (c) scocca la scintilla della candela; contemoraneamente si riemie il carter-oma di carica fresca. Si noti come nella fase (e) la carica fresca che s immette nel cilindro contribuisca ad esellere i gas combusti (laaggio) ; in realtà aiene sia una miscelazione tra queste due comonenti, sia un assaggio diretto (short circuit) della miscela fresca nello scarico. Si distinguono le tre luci: di scarico (in alto a sx), d asirazione (in basso a sx) e d ammissione (a dx). Una rerogatia interessante del è la ossibilità di sfruttare le onde di deressione e controressione allo scarico, conformando la geometria della marmitta affinché sia sincronizzata la deressione allo scarico con la fase iniziale di laaggio (allo scoo di risucchiare i gas combusti nello scarico), e la controressione con la fase terminale di laaggio (er inibire la fuoriuscita di gas freschi nello scarico). Si tratta della cosiddetta marmitta ad esansione, resente su tutti i ciclomotori e motocicli due temi e sulle moto da gran remio delle classi 5 e 50. Aunti di Macchine I - M.C.I. 3

Il frazionamento dei m.c.i. I motori monocilindrici sono utilizzati solo in casi articolari, oero: Quando la cilindrata è modesta. Ad esemio in moto e scooter, mezzi agricoli e da giardinaggio, ome irrigue ecc. Quali motori normalizzati di roa, ad esemio il CFR con il quale si certifica il liello qualitatio dei combustibili, o er il test dei lubrificanti. Quali rototii dei grandi motori naali diesel, realizzati con un unico cilindro er ragioni d economia serimentale. La rassi comunque è quella di realizzare motori luricilindrici, oerando dunque il frazionamento della cilindrata. Questo erché, a arità di cilindrata totale risetto ad un monocilindrico, il luricilindrico uò laorare a regime di rotazione iù alto, quindi uò erogare maggiore otenza. Vediamo erché: P C ω [w] otenza, con C [N m] coia, [rad/s] elocità angolare Od anche π n P C, n [s - ] giri/min (edi nota a ag. 4). 60 Il olume del singolo cilindro ale V c π D 4 C, D alesaggio, C corsa Il olume di un motore con z cilindri ale V t z V c π D z 4 C C Introducendo il arametro ζ allungamento, ed effettuando il confronto tra un D monocilindrico ed un luricilindrico a arità di cilindrata e d allungamento si ha: V t 3 π D π C 4 V 4 ζ 3 t ζ V ; 3 t z C z Cz z C 4 4 ζ π z π C corsa del motore monocilindrico di cilindrata V t, in generale C C z corsa del luricilindrico di ari cilindrata V t. 3 z Si caisce dunque che a arità di cilindrata e di raorto C/D il motore luricilindrico resenta un corsa ridotta risetto al monocilindrico tanto iù quanto aumenta il numero di cilindri. Le forze d inerzia (rotanti ed alterne) si ossono scriere qualitatiamente: In generale i singoli cilindri dei motori resentano alori di non troo dissimili tra loro. ale arametro infatti identifica il raorto tra corsa e alesaggio, ossia le roorzioni geometriche della camera di combustione, che er ragioni fluidodinamiche e di combustione troano la misura ottimale er un range ristretto dei alori di. Ad esemio in cilindri troo allungati sarebbe difficile l eolersi della combustione nella fase di esansione, in cilindri troo larghi e corti l innesco della combustione dalla candela non raggiungerebbe facilmente la eriferia del cilindro e sarebbe anche ridotta la turbolenza della carica fresca nella camera di comressione. Aunti di Macchine I - M.C.I. 4

Fin m a, con m massa dello stantuffo, che si uò ritenere roorzionale alla cilindrata unitaria, m k Vu e a k ' ω r k ' ω C k n C e quindi in definitia Fin k Vu n C. Confrontando il monocilindrico di cilindrata unitaria VuVt e corsa C con il luricilindrico di C cilindrata unitaria VuZ Vt/z e corsa C z 3 si ha: z Fin k Vt k 3 C n n quindi Z n e FinZ k Vt k 3 C n Z z3 z z z 3 cioè, in definitia, 3 n Z n z. Ciò dimostra che, a arità di cilindrata, di roorzioni C/D e sollecitazioni meccaniche (Fin), il motore luricilindrico uò raggiungere regimi di rotazione iù eleati dell equialente monocilindrico, e ciò, come edremo andando ad esrimere la otenza dei m.c.i., comorta un roorzionale aumento di otenza. Altri antaggi del frazionamento L aumento del numero di cilindri ha come rimo beneficio la riduzione dell irregolarità eriodica, in quanto la coia motrice ha un andamento iù regolare, come mostrato confrontando un monocilindro con motori a 4, 6 ed 8 cilindri. Esressioni della otenza nei m.c.i. Vedi [6] ag. 3, f. (VI.9). Aunti di Macchine I - M.C.I. 5

Si noti che la coia assume anche alori negatii nel monocilindrico, assa er lo zero nel quadricilindrico e er z>4 assume semre alori ositii. Un altro antaggio del frazionamento è la facilità d equilibratura delle masse alterne e rotanti. Lo santaggio del motore luricilindrico risiede, oiamente, nel costo maggiore. Disosizione dei cilindri La disosizione dei cilindri, lo sfasamento tra le manoelle e l ordine d accensione sono tra loro diendenti, e ortano in genere a definire configurazioni ottimali risetto ad altre. Regolarità della coia motrice. Se un motore con z cilindri aesse le manoelle calettate tutte in fase, e l ordine d accensione fosse uguale er tutti i cilindri, la cura di coia sarebbe identica a quella di un monocilindrico, cioè si annullerebbe il antaggio tiico del frazionamento. ale configurazione è eraltro incomatibile con gli altri due incoli. La regola generale che si segue er definire l angolo di calettamento è: ε α 360, con er motori e er i 4, z Ad es. er un bicilindrico 4 risulta α 360. In questo modo si ottiene uno scoio ogni giro d albero, se iene sfalsato anche l ordine d accensione. In fig. (a). Nel caso (b) di figura, α 80, er ognuno dei due ordini d accensione ossibili si arebbero comunque due scoi in un solo giro, ed un giro assio. Per un quadricilindrico 4 risulta α 80 e er un 6 cilindri 4 α 0. Già er il quadricilindrico sono ossibili due sequenze d accensione ottimali, ma ulteriori condizioni (edi [],. 6) determinano la migliore. Equilibratura di masse alterne e rotanti Nella rima figura relatia al caso di due cilindri è chiaro come er la configurazione (a) i siano da equilibrare le forze d inerzia alternate degli stantuffi; nella configurazione (b) le forze alterne si annullano a icenda, ma nasce un momento di forze d inerzia. Più comlesso è il discorso relatio alle bielle (. [],. 4). Aunti di Macchine I - M.C.I. 6

Architettura dei cilindri Come già detto i motori a combustione interna resentano la rerogatia di essere rogettati secondo numerose architetture. Per ognuna di esse, la cui scelta in artenza uò diendere ad esemio dagli ingombri limite er la sagoma esterna del motore, si determinano una serie di condizioni er risettare i unti recedenti. In figura iene mostrata un interessante anoramica d architetture usate attualmente ed in assato. Da Motori Endotermici, Dante Giacosa, ed. Hoeli. Lo studente otrà senz altro riconoscere le configurazioni iù note: boxer, wankel, in linea, a V, stellare, ecc. Aunti di Macchine I - M.C.I. 7

I cicli termodinamici Ricordiamo: -sede ideale: macchina erfetta, fluido ideale o erfetto -sede limite: macchina erfetta, fluido reale (a meno della iscosità) -sede reale: macchina reale, fluido reale -gas erfetto: energia ed entalia diendono solo dalla temeratura, non dalla ressione: u f ( ) h f ( ) -gas ideale: la diendenza di u e h da è lineare (c e c costanti): u c h c Ciclo ideale di Beau de Rochas (cessione di calore a olume costante) E il ciclo di riferimento dei motori ad accensione comandata. 0- : asirazione - : comressione adiabatica -3 : combustione isocora ( 3 500 K) 3-4 : esansione adiabatica 4- : scarico sontaneo -0 : scarico forzato a ressione costante La combustione si suone isocora er le iotesi di macchina erfetta: un numero infinito di unti di innesco della combustione, er cui non si ha che fare con la roagazione del fronte di fiamma. La miscela brucia istantaneamente eleando ressione e temeratura in corrisondenza del.m.s. La Lo scarico forzato si considera a ressione costante erché nella macchina erfetta l aertura e la chiusura delle alole sono istantanee, è quindi assente la laminazione della ena fluida (erdite di carico nulle). Da notare che nei motori ad a.c. l iniezione della miscela aria+combustibile aiene al unto 0, quindi la comressione interessa anche il combustibile. Aunti di Macchine I - M.C.I. 8

Ciclo ideale di Sabathè (cessione di calore a olume/ressione costante) E il ciclo di riferimento dei motori ad accensione sontanea. Si nota innanzitutto l effetto di un raorto di comressione ben maggiore risetto al ciclo B. d. R. : la ressione di fine comressione è a alori conenientemente alti (unto ) er innescare la combustione. In questo caso la comressione riguarda esclusiamente aria ura. La combustione si solge ora in due fasi, una rima a olume costante (-3 ) ed una seconda isobara (3-3). L iotesi di combustione istantanea infatti non è accettabile neanche in sede limite, a causa della resenza del fluido reale: il combustibile iene introdotto nel cilindro doe esistono alori di P e sufficienti a roocare l autoaccensione, ma tra l istante relatio all iniezione e quello di accensione esiste un certo ritardo ( 3 4 ms, ritardo all accensione). Precisamente, al unto l iniettore inizia ad introdurre il combustibile (no anticio: sede ideale), ma è solo doo il temo che le rime articelle iniziano a bruciare, innalzando P e. A causa di quest incremento di temeratura le successie articelle di combustibile bruciano rima di aer comletato il loro eriodo di incubazione e si accendono tutte insieme, er cui si ha la fase isocora -3 ; nel frattemo l iniettore continua ad iniare combustibile che brucia istantaneamente, mentre il istone inizia la sua fase di esansione. Si ha dunque un equilibrio tra l aumento di ressione e l esansione, il che uò essere raresentato con una fase aunto isobara. Una conseguenza del fatto che l esansione abbia luogo mentre la combustione è in corso consiste nella riduzione del laoro utile. Aunti di Macchine I - M.C.I. 9

Eccesso d aria Nei motori ad accensione comandata la combustione aiene in seguito alla roagazione del fronte di fiamma; non è ossibile dunque realizzare un eccesso d aria nel raorto aria/combustibile, oiché le gocce di combustibile si troerebbero troo distanziate, non garantendo la regolare roagazione del fronte di fiamma. Il raorto aria/combustibile nei motori a.c. si mantiene dunque ari a quello stechiometrico st, er cui la quantità di calore er unità di massa ceduta alla miscela in un ciclo termodinamico sarà H i Q ; eraltro è necessario adottare con recisione un raorto stechiometrico er eitare + α emissioni inquinanti. st Il arametro eccesso d aria, definito come e α α st in un motore a.c. è dunque nullo; er α st queste ragioni, la temeratura 3 raggiunta nel ciclo B.d.R. è relatiamente alta (500 K). Nei motori ad accensione sontanea non è necessario garantire la roagazione del fronte di fiamma, l eccesso d aria uò raggiungere anche alori del 00% ( e ) nei motori naali o del 30% ( e 0.3 ) nei motori stradali. In questo caso alti eccessi d aria fanno aumentare il rendimento di combustione dato che ermettono la comleta accensione di tutto il combustibile iniettato, ed eitano forti sollecitazioni che limiterebbero la ita del motore. Nel caso dei motori a.s. dunque risulta: H i Q ', con α α st, quindi la temeratura massima raggiunta nel motore diesel è minore + α della max di un corrisondente motore ad a.c., ed in genere è dell ordine di 000 K. Questo arametro determina la maggiore affidabilità di un motore diesel risetto ad uno a benzina. Si noti che er un kg di carburante, sono semre resenti kg di aria; la massima quantità di calore cedibile all unità di massa della miscela è rorio ari al alore aena scritto. Infatti er < st il combustibile non brucerebbe comletamente, e errebbe liberata una quantità di calore inferiore ad H i ; er > st il calore H i liberato andrebbe raortato ad una massa (di miscela) ari a (+ ) kg. Aunti di Macchine I - M.C.I. 0

Primo ciclo Diesel (cessione di calore a temeratura costante) Questo ciclo è quello che si refiggea di ottenere Rudolh Diesel, nell intento di aicinarsi il iù ossibile ad un ciclo di Carnot. Infatti, essendo le fasi di comressione ed esansione arossimatiamente adiabatiche, egli credea di realizzare una combustione isoterma dosando l iniezione in modo da eguagliare il calore rodotto con il laoro ceduto durante l esansione. Ciò in realtà non è ottenibile (edi [], ag. 83), ed il modello che R. Diesel adottò è il successio, denominato secondo ciclo diesel o iù semlicemente ciclo diesel. Secondo ciclo Diesel (cessione di calore a ressione costante) In questo caso si suone che la combustione aenga totalmente a ressione costante. Anche questa è una forzatura che non è in grado di raresentare comiutamente ciò che aiene nel motore diesel. Si uò dire che il ciclo di Sabathè sia una combinazione del ciclo B.d.R. e del ciclo Diesel ( ). Aunti di Macchine I - M.C.I.

Confronto tra i cicli ideali B.d.R. e Diesel ( ) Si uò confrontare il rendimento ideale dei due cicli, che differiscono er la cessione di calore a olume costante(b.d.r.) risetto alla cessione di calore a ressione costante (D. ). Il confronto si uò effettuare sotto due dierse iotesi: a arità di raorto olumetrico di comressione e di calore Q a arità di ressione massima raggiunta e di calore Q Per effettuare un confronto di tio energetico si disegnano i cicli nel iano -S. Confronto. a arità di raorto di comressione e Q Nel iano -S i cicli 4 temi sono raresentati eidentemente come in figura. In articolare il ciclo B.d.R. è indiiduato dal rettangolo mistilineo con il riscaldamento isocoro, il ciclo Diesel da quello con il tratto isobaro. Confrontare a arità di raorto olumetrico di comressione significa in ratica che er i due cicli il unto e di fine comressione engono a coincidere. I cicli si distinguono oi er il fatto di seguire cure a endenza diersa (ricordiamo che c > c ) ma con il incolo di determinare con i rettangoli mistilinei la stessa area sottesa (dalla cura -3, ciclo B.d.R. e dalla -3, ciclo D., risetto all asse delle ascisse), er l iotesi di uguale calore Q ; quindi deono essere uguali le aree mistilinee tratteggiate in figura Allora il unto 3 di fine combustione del diesel errà a troarsi iù a destra del unto 3, erciò il calore ceduto Q B.d.R. (area sottesa dalla cura 4-) sarà minore del calore ceduto Q D (area sottesa dalla cura 4 -). In definitia, dalla semlice esressione del rendimento ideale id Q Q η risulta chiaramente sueriore il rendimento del ciclo di Beau de Rochas, nelle iotesi fatte. Si noti che l isobara -4-4 è relatia alla ressione atmosferica. La giustificazione termodinamica di questo risultato si troa nel dierso tio di trasformazione che segue il gas nel suo riscaldamento: la quantità di calore che il gas ricee nei due cicli ale Q c Q c ' ( B. d. R.) ( Diesel), essendo c > c. Dunque, a arità di calore riceuto, il gas nella trasformazione isocora dee raggiungere una temeratura finale 3 iù alta risetto a quello della trasformazione isobara. Il ciclo B.d.R. è dunque aantaggiato risetto a quello Diesel er quanto riguarda l effetto Carnot, laorando con una temeratura massima maggiore, nonostante le sorgenti sueriori si distribuiscano su un range iù amio (santaggio risetto all effetto della moltelicità delle sorgenti er il ciclo B.d.R.). In questo caso il antaggio Carnot reale sullo santaggio m.s. Questo tio di confronto è irrealistico oiché nei motori ad a.c. non si ossono raggiungere gli alti raorti di comressione tiici dei diesel, mentre ciò che mette effettiamente a confronto i due tii di motore è la ressione massima raggiunta nel ciclo. Infatti è questo arametro che a arità di I tratti 0- e -0 isti nei diagrammi recedenti non sono qui raresentati, oiché in tali fasi, in sede ideale, non ariando né il olume secifico, né la temeratura, non si hanno trasformazioni termodinamiche, erciò i unti e 0 qui coincidono. Aunti di Macchine I - M.C.I.

tecnologia uò essere simile nei due tii di motori, in quanto direttamente correlato alla resistenza meccanica dei comonenti del motore. Confronto a arità di ressione massima e Q In questo caso, che risecchia maggiormente la realtà, si ha che le ressioni (e quindi le temerature) di fine fase comressione sono dierse, ed in articolare maggiori nel ciclo Diesel (oerante con ra. di comress. nell ordine di 0, er il ciclo B.d.R. attorno a 8). Imonendo una ressione massima coincidente in entrambi i casi, si ha la situazione mostrata in figura, che è la simmetrica risetto al caso isto oc anzi. Ora si ha che Q D < Q B.d.R. e quindi dalla id Q Q risulta maggiore il rendimento del ciclo Diesel. L effetto negatio di moltelicità delle sorgenti in questo caso reale su quello ositio Carnot, er il ciclo B.d.R. In effetti è rorio questa la situazione che si erifica nella ratica; è noto infatti che i motori diesel consumano meno di quelli a benzina, a arità di restazioni. η Aunti di Macchine I - M.C.I. 3

Rendimento ideale del ciclo di Sabathè Se con un aosito indicatore meccanico alicato ad un motore realmente funzionante si registrasse il diagramma delle ressioni in funzione del olume, si edrebbe che la combustione uò essere suddiisa secondo una successione di olitroiche con esonente semre ariabile,in articolare una rima fase isocora, una seconda isobara e la terza isoterma, che sesso è talmente limitata che uò essere trascurata. Il ciclo Sabathè si resenta molto icino al diagramma reale; inoltre, essendo una combinazione degli altri due cicli, comrende come casi articolari entrambi. Si ricaa dunque l esressione del rendimento ideale del ciclo Sabathè S, dal quale sarà ossibile calcolare anche i rendimenti D e B.d.R. - : comressione adiabatica isoentroica -3 : combustione isocora 3-3 : combustione isobara 3-4 : esansione adiabatica isoentroica 4- : scarico sontaneo isocoro Aunti di Macchine I - M.C.I. 4

Aunti di Macchine I - M.C.I. 5 Andando a solgere i calcoli: ( ) ( ) ( ) 3' 3 3' 4 c c c Q Q ids + η. Si uole eslicitare questa esressione in funzione di: 3' 4 V V V V r 3' 3 τ ' 3 3 V V b k r trasformazione - adiabatica isoentroica, er cui ale t V k cos τ τ 3' k r trasformazione -3 isocora, er cui ale t P cos b r b k τ 3' 3 trasformazione 3-3 isobara, er cui ale t V cos k k k k k k b r b b r r b V V V V V V τ τ 3 4 3' 3' 3 3 4 3 3 4 trasformazione 3-4 adiabatica isoentroica, er cui ale t V k cos. Sostituendo nell esressione del rendimento, semlificando e diidendo er c si ottiene: ( ) ( ) [ ] τ τ τ τ η + b k r b k k S rendimento ideale del ciclo di Sabathè Il ciclo di Sabathè ha come casi articolari il ciclo Beau de Rochas e il ciclo Diesel: -er il ciclo B.d.R. si ha 3 3 3' 3 b V V quindi:... k R d B r η rendimento ideale del ciclo di Beau de Rochas -er il ciclo Diesel ( ) si ha 3 3' τ quindi: ( ) b k r b k k D η rendimento ideale del ciclo Diesel

Calcolo del ciclo limite di Beau de Rochas Si considera un fluido reale che eole entro una macchina erfetta. Ci sono due roblemi: ) dato che i salti di temeratura in gioco sono rileanti, bisogna considerare una ariabilità dei calori secifici c e c con la temeratura. In articolare si suone che i calori secifici arino con legge lineare: c c a + b a' + b formule di Langen, in genere diendono anche dalla ressione, ma nel camo dei motori tale diendenza è trascurabile in rima arossimazione. ) oiché il fluido è reale bisogna studiare attentamente il fenomeno della combustione e in articolare quei fenomeni di dissociazione chimica che nascono er temerature maggiori di 000 K (temeratura di soglia; nei m.c.i. si raggiungono anche i 500 K). I rodotti della combustione (rincialmente l anidride carbonica CO ) sono in equilibrio chimico con gli incombusti (ossido di carbonio CO e ossigeno O ): CO + O CO (e similmente er l acqua H O H O + ). -Quando si suerano i 000 K l anidride carbonica si dissocia e la reazione assorbe calore; in questo caso il calore siluato in combustione è minore di quello ideale erché una sua arte è utilizzata nella reazione di dissociazione. Quindi la combustione non è comleta e ci sarà una quota di calore Q che non si è siluato. -Inece, quando la temeratura è al di sotto dei 000 K la reazione si sosta erso destra e si libera una certa quantità di calore, cioè in fase di esansione si ha uno siluo interno di calore, quindi l esansione anche se adiabatica non è isoentroica. -Inoltre se aria la comosizione della miscela ariano anche i calori secifici: er calcolare in ogni istante c e c bisognerebbe conoscere ad ogni la comosizione della miscela, e ciò è raticamente imossibile; comunque non si commette un forte errore ercentuale se si trascura la ariazione dei calori secifici con la ariazione della comosizione della miscela. Per il calcolo del Q si dee scegliere il combustibile; quello che arossima meglio la benzina è l ottene (C 8 H 6 ), er il quale è ossibile calcolare α st e quindi il relatio Q. Aunti di Macchine I - M.C.I. 6

Calcolo del ciclo limite E necessario calcolare er ogni unto del ciclo ressione, temeratura e olume secifico. Punto Nella fase di asirazione 0- l aria è asirata senza erdite di carico, oiché la macchina iotizzata è erfetta. Allora sarà atm ; la inece non sarà la temeratura ambiente oiché nel cilindro l aria fresca incontrerà dei fumi residui, quindi > amb ; er eserienza di arla di 30 40 gradi in iù risetto alla amb er cui sarà 330 K. L iotesi iniziale comorta un calcolo del ciclo limite iteratio, er cui alla fine dorà essere erificata. Note e si uò ricaare il olume secifico dall equazione dei gas erfetti: R, tenendo resente il fatto che siamo in resenza di una miscela, quindi: α R + aria R le R combustibi, con α + α m m aria combustibile L equazione dei gas erfetti è ritenuta comunque alida anche se il fluido è reale, oiché ciò comorta solo un errore del %. Punto E il unto di fine comressione adiabatica; conoscendo a riori il raorto di comressione V r V () da cui si uò ricaare subito r. Ora bisogna calcolare e considerando che c e c sono funzioni della temeratura; iotizzate nulle le irreersibilità nella comressione (che sarà quindi anche isoentroica) si uò scriere: ds du dl re V L uguaglianza è alida erché nella fase di comressione la massa non cambia, erciò m/ ρ ρ V m/ ρ ρ Aunti di Macchine I - M.C.I. 7

Aunti di Macchine I - M.C.I. 8 dv d c ds + 0 + dv d c ds, dato che la trasformazione è isoentroica. Essendo: b a c + ' R t R ( ) 0 ' + + d R d b a 0 ' ' + + d a R d a b d essendo + + b a b a c c k a a c c R ' ' ' ' ' ' 0 k a a a a a a R, doe ' 0 a a k ( ) d a b d k d + ' 0, integrando la quale si ottiene: ( ) ( ) 0 ' ln ln a b k + ( ) 0 ' a b k e Siluando in serie il membro limitatamente al rimo ordine (oiché b/a << ) si ha: ( ) ' 0 a b k, con r noto, k 0 ricaabile da tabelle e iotizzato a 330 K. Si ricaa 600 K. Analogamente er la ressione si uò ricaare : ( ) ' 0 a b k Infatti dalla R si ricaa: R R cioè dalla quale si ritroa l esressione scritta.

da cui 0 bar. Punto 3 Lungo la trasformazione -3 il fluido subisce un forte innalzamento di temeratura (da circa 600 K a circa 500 K ); in questo interallo si resentano quindi reazioni chimiche di dissociazione, er cui la combustione non sarà comleta ma ci sarà un Q non siluato. Si assimila la miscela all ottene (C 8 H 6 ); si calcola ora il relatio raorto stechiometrico α st che, ricordiamo, indica quanti kg di aria sono necessari er bruciare un kg di ottene: C 8 H 6 8 + 6 (eso molecolare dell ottene) 8 C 86% (ercentuale in eso del carbonio nella molecola dell ottene) 6 H 4% (ercentuale in eso dell idrogeno nella molecola dell ottene) Calcolo dei kg di O necessari a bruciare kg di C e kg di H : C + O CO H + O H O ; il.m. del carbonio è, il.m. dell ossigeno biatomico è 3; dalla rima reazione d equilibrio si ede che sono in raorto molare :, quindi risulta che er kg di carbonio sono necessari 3/.67 kg di O ; il.m. dell idrogeno biatomico è, quello dell ossigeno biatomico è semre 3, ma nel secondo equilibrio sono in raorto molare :/, quindi er kg di idrogeno sono necessari 6/8 kg di O. Allora er bruciare kg di C 8 H 6 saranno necessarii 0.86 (kg C)*.67 + 0.4 (kg H )*8 3.4 kg di O Dato che kg di aria contiene 0.3 kg di ossigeno, er aere 3.4 kg di O sono necessarii 3.4/0.34.8 kg d aria. Ecco donde romana il famigerato alore st 4.8 er i motori a benzina. Se la fase di combustione si realizzasse comletamente il calore siluato dall unità di massa della miscela sarebbe: H i Q, e tale calore sarebbe coincidente con il calore scambiato lungo la trasformazione + α st isocora -3, ari a c d Q 3. Ma dato che er > 000K si instaura il fenomeno della dissociazione, ci sarà un certo silua nella fase di combustione e l equilibrio termico sarà: Q che non si Vedi [6], ag. 04, rigo 4. Aunti di Macchine I - M.C.I. 9

3 c d Q Q ; in genere Q 0 0% di H i + α st Calcolo Q Per calcolare il calore non siluato si dee conoscere la quantità degli incombusti che si aranno al unto 3. Assimilando la miscela ad un idrocarburo uro del tio C n H m l equazione della combustione comleta (teorica) si scrie: m 79 m m 79 m C n H m + n + O + n + N n CO + H O + n + N + cal 4 4 4 nella quale si iotizza l azoto inerte, dunque non arteciante alla combustione. Nella realtà, a man mano che rocede la combustione, si dissociano alcune sostanze; tra i fenomeni di dissociazione che aengono in una combustione incomleta consideriamo quelli relatii all anidride carbonica e all acqua (in fase aore): CO CO + O H O H + O Allora la reazione di combustione reale sarà: C n H m m 79 m + n + O + n + N X CO CO + X CO CO + X H H O O 4 4 +...... + X H H + X O O + X N N + cal con X i coefficienti stechiometrici da determinare. Per determinare i 6 coefficienti incogniti si scriono le 4 equazioni di bilancio chimico ed altre equazioni relatie alle concentrazioni e ressioni arziali dei gas. In articolare si deono ricaare X e X, con i quali sarà ossibile calcolare il Q con la CO H Q mco H ico + mh H ih, cioè come somma dei contributi termici delle combustioni di CO e H. n X CO + X ) Carbonio C : CO ) Ossigeno O : m n + X CO + X CO + X H O + X 4 O 3) Idrogeno H : m X H O + X H Aunti di Macchine I - M.C.I. 30

4) Azoto N : 79 m n + 4 X N Per scriere le due rimanenti equazioni ci si riferisce alla legge di Guldberg-Waage: le ressioni arziali dei reagenti e dei rodotti sono regolate da una costante che diende dalla temeratura; gli equilibri chimici che si considerano sono: CO O X CO O (' CO X O ) k k (' ) CO X CO 5) CO + il assaggio dall esressione in funzione delle ressioni arziali a quella in funzione dei coefficienti stechiometrici si ha in irtù della legge di Dal ton: 6) i tot X i X ; analogamente: CO H O X CO X H O CO + H O CO + H k"( ) k"( ) X X CO H CO H Le costanti k e k sono tabellate er ogni reazione, ed hanno esressioni del tio B log 0 k A +. In definitia si ha un sistema di 6 equazioni in 6 incognite. Per risolere il sistema si dee erò iotizzare un alore di 3 (ad es. 600 K) oiché gli esonenti della (5) non sono tutti uguali, quindi dalla legge di Dalton e oi con la legge di stato si nota una diendenza del k () dalla 3 che è incognita. Fissato un certo alore er la 3 arossimazione si troa: X CO 0.474 X 0.085 H si calcolano le costanti k e k ; risolendo il sistema in rima Se la combustione fosse comleta questi due comosti non sarebbero resenti; er il fenomeno della dissociazione rimangono come incombusti al unto 3. Conoscendo i esi molecolari si calcolano i esi: m 0.0075 kg CO m 0.000 kg H quindi saendo la quantità di incombusti al unto 3 si uò ricaare il Q: Q m H + m H CO ico H ih In questo modo si uò risolere l equazione di equilibrio termico della trasformazione -3: 3 H + α i ( a' + b ) d Q b a' + 3 H i + α st st Q, integrando la quale: Aunti di Macchine I - M.C.I. 3

Da questa è ossibile ricaare il alore di 3 di rima arossimazione, da confrontarsi con il alore iotizzato inizialmente; se ci fosse troa discordanza occorrerebbe scegliere un altro alore e rietere tutto il calcolo, comunque il rocedimento è elocemente conergente. In questo modo si è risolta la fase di combustione er il ciclo limite di un motore ad accensione comandata. Esansione 3-4: La fase di esansione si dee diiderla in due arti oiché, scendendo la temeratura fino alla soglia dei 000 K, iene rilasciato il Q che non era stato rodotto nella combustione. Ci sarà una rima fase che si uò trattare come una olitroica fino a circa 000 K (3-4 ) e una seconda fase che ossiamo trattare come un adiabatica isoentroica sotto i 000 K (4-4). Esansione ad alta (3-4 ): a 000 K si ha il fenomeno della riassociazione, cioè nel momento in cui si arria al unto 4 la combustione si comleta con la cessione del Q ; er questo motio il tratto 3-4 non sarà adiabatico-isoentroico, ma si uò considerare come una olitroica. Per calcolare questa rima fase bisogna calcolare l esonente m della olitroica: m cost. Si introduce un calore secifico che non è né a né a costante: Q 4' 3 Q 0 000 500 c ; il fatto che sia negatio corrisonde alla situazione er cui a fronte di una cessione di calore al fluido, questo diminuisce di temeratura (er effetto dell esansione). Si uò quindi calcolare m come m c c c, con c c c a + b a' + b, tabellati in base alla comosizione chimica. Al unto 3 questa si conosce erché è già stata calcolata; al unto 4 si uò ricaare oiché in questo unto la combustione si comleta, otendosi dunque usare l equazione normale della combustione comleta: Aunti di Macchine I - M.C.I. 3

6 79 6 6 79 6 C8H6 + 8 + O + 8 + N 8 CO + H O + 8 + N 4 4 4 senza la resenza di CO, CO, H, H O, O, N erché si sono riassociati. Ora con l equazione m cost si uò calcolare il unto 4. Esansione a bassa (4-4): dal unto 4 al unto 4 non si ha iù siluo di calore interno, er cui la coda finale dell esansione è erfettamente adiabatica, ed in sede limite anche isoentroica; la comosizione chimica al unto 4 sarà quindi identica a quella nel unto 4. Al unto 4, er un motore ad accensione comandata con r 9 si ottiene: 4 4 5 bar 4 500 K (in sede limite) Scarico sontaneo (4-) e forzato (-0): Quando lo stantuffo è arriato al.m.i. si are la alola di scarico mentre è ancora 4 > atm ; il fluido si riersa all esterno roseguendo la fase di esansione adiabatica. Essendo l ambiente esterno molto grande risetto al cilindro, allora la ressione che si instaura nel cilindro sarà la ressione atmosferica: si uò dunque ensare di rolungare adiabaticamente l esansione fino alla ressione atmosferica (unto 5). Con riferimento al istone fermo al.m.i., una olta realizzato l equilibrio tra la ressione nel cilindro e quella esterna, si ossera nel cilindro una determinata quantità di fumi residui con olume secifico 5 ; un istante doo il istone inizia la sua corsa erso il.m.s. (a alola di scarico aerta), realizzando così lo scarico forzato. Arriati al.m.s. la camera di comressione (di olume V ) rimane occuata da una certa massa di fumi ad alta temeratura, che si mescolerà oi con l aria fresca del ciclo successio, innalzando così la ad un alore sueriore a quello ambiente, come già detto. Allo scoo di conoscere il risultato del mescolamento tra fumi e carica fresca occorre considerare il olume secifico dell aria e dei fumi residui al.m.s.: V, con M massa totale di fluido a fine comressione M V, 5 con m f massa dei fumi residui m f 5 m f M f frazione dei fumi residui risetto all aria fresca Generalmente è f 0.03 (3%) ; tale quantità si troa erò a circa 500 K, er cui il suo effetto riscaldante sulla carica fresca (a circa 300 K) è tutt altro che trascurabile. Per determinare la è necessario fare un bilancio energetico tra il calore assorbito dall aria fredda e il calore ceduto dai fumi; in ratica, i fumi da 5 raffreddano fino alla, l aria fresca da amb si riscalda fino a : fumi residui 5 (raffreddamento) aria fresca amb (riscaldamento) Ciò aiene a elocità suersonica, oiché il raorto 4 / atm è suerione al raorto critico. Aunti di Macchine I - M.C.I. 33

Il bilancio sarà: f c fumi ( 5 ) ( f ) c ( amb ) aria A questo unto bisogna confrontare la ottenuta con quella iotizzata sin dal calcolo del unto ; nel caso ci fosse uno scostamento eccessio occorrerebbe reiterare l intero calcolo, ma anche in questo caso il rocedimento è elocemente conergente. Aunti di Macchine I - M.C.I. 34

Calcolo del ciclo limite Diesel Per i motori diesel le comlicazioni sono noteolmente minori dato che non si raggiungono mai le temerature della soglia di dissociazione (000 K). Il ciclo di riferimento è il ciclo di Sabathè: Il calcolo dei unti e è come er il ciclo B.d.R. Da notare erò che in questo caso le fasi di asirazione e di comressione riguardano solo aria ura, infatti il combustibile è iniettato solo al unto. La combustione è in arte isocora e in arte isobara erché in sede limite il fluido è reale, er cui si dee tenere conto del temo di ritardo con cui il combustibile brucia doo essere stato iniettato: doo questo il combustibile che continua ad essere iniettato brucia istantaneamente (fase isocora), ma il istone inizia la discesa er cui si ha la fase isobara. Per indiiduare i unti 3 e 3 si dee conoscere come il calore questi tratti. Allora si iotizza una legge q(t) di iniezione del combustibile: Q H + α i q H i si riartisce in Aunti di Macchine I - M.C.I. 35

La quantità di combustibile iniettata tra e 3 sarà: dq t q τ ( ) dt 0 dt, doe l argomento dell integrale è eidentemente la ortata in massa di nafta. Nel tratto -3 si brucia la quantità di combustibile corrisondente all interallo 0- ; il temo di ritardo è funzione di e : τ (dogma) A e m B er cui, noto, si uò calcolare la quantità di combustibile q ; il restante gasolio da da 3 a 3 sarà q q - q. introdurre Il ciclo è quindi a massa ariabile: -da a eole kg d aria -da a 3 eole kg d aria + q di combustibile -da 3 a 3 eole kg d aria + (q + q ) di combustibile La quantità di calore rodotto durante la fase isocora si uò scriere: Q ( + q ) c ( 3' ) 3' Q (Dato che il diesel laora con forti eccessi d aria, 3' Analogamente, er la fase isobara: non si raggiungono i 000 K, er cui la combustione uò considerarsi comleta). Q Q ( + q + q ) c ( 3 3' ) 3 3 3' Dal unto 3 in oi il discorso è analogo ai motori ad accensione comandata, escludendo il fenomeno della riassociazione in esansione. Aunti di Macchine I - M.C.I. 36

Il ciclo reale Passando a considerare il ciclo reale le iotesi che engono a cadere sono quelle relatie alla macchina erfetta, er cui si terrà conto di: -scambi di calore fluido-areti, quindi le comressioni e le esansioni non saranno adiabatiche; -erdite di carico nei condotti di asirazione e scarico (omaggio), che quindi non saranno a ressione costante -unico unto d accensione, e non infinite candele -fasatura reale della distribuzione, con una certa legge di alzata delle alole (aertura non istantanea) Per rileare un ciclo reale si utilizzano metodi serimentali, in articolare gli indicatori, cioè aarecchii in grado di fornire una raresentazione grafica del modo di ariare della ressione nel cilindro in diendenza degli sostamenti dello stantuffo. Un indicatore meccanico consta di un cilindretto che iene osto in comunicazione con l interno del cilindro motore; le ressioni che si siluano in questo ossono così trasmettersi ad uno stantuffino scorreole nel cilindretto, soggetto alla reazione di una molla antagonista. Le deformazioni di questa saranno roorzionali alla ressione nel cilindro motore. Un sistema di lee traduce le escursioni dello stantuffello in quelle di una unta scriente su un foglio, aolto su di un tamburo a cui engono trasmessi i moimenti dello stantuffo motore: dunque gli sostamenti circolari eriferici del tamburo riroducono quelli rettilinei dello stantuffo motore, ed assumono nel diagramma il significato di ascisse, mentre la unta scriitrice segna, in corrisondenza come ordinate, i alori della ressione. Indicatori meccanici di questo tio anno bene er motori lenti (ad es. motori naali); er i motori ad accensione comandata, che sono molto eloci, si ricorre ad indicatori elettronici. Asirazione e scarico All inizio dell asirazione la diminuzione della ressione (risetto a quella centrale, P atm ) è douta alla laminazione del fluido nel condotto d asirazione. Alla fine dell asirazione la ressione sale erché, mentre il istone inizia a rallentare, il fluido con la sua inerzia si insacca determinando una leggera comressione. Durante lo scarico si erificano delle turbolenze che roducono onde di ressione. Per calcolare il laoro erso L (laoro di omaggio) si introduce m, che raresenta la ressione equialente tale che: m V c L con m f (u m ) u m è la elocità media del istone in un giro di manoella, ari a: n u m C / 60 [ m s] V c Aunti di Macchine I - M.C.I. 37

Un esressione emirica er calcolare P m è: m 3 000 m u A atm, con sez. A alola asirazione 0. con alola as. sez. istone 0.35 con alole as. Comressione La fase di comressione reale non è adiabatica né tantomeno isoentroica: il fluido fresco, entrando nel cilindro, troa le areti a circa 600 K; si stabilisce quindi uno scambio termico tra areti e fluido che rende la rima arte della comressione caratterizzata da un aumento di entroia (olitroica -). A mano a mano che la comressione continua il fluido si riscalda fino a che la differenza di temeratura tra fluido e areti si annulla: si arà quindi un tratto isoentroica (-3). Se il raorto di comressione è sinto (ad es. nei motori Diesel) uò succedere che il fluido, riscaldandosi er comressione, sueri la temeratura delle areti, cedendo dunque calore ad esse: si arebbe in tal caso un tratto ad entroia decrescente (olitroica 3-4-5). L esonente m della olitroica è tabellato in funzione del raorto di comressione. Aunti di Macchine I - M.C.I. 38

Combustione: motori ad accensione comandata Nei motori a.c. la combustione iene innescata da uno o iù unti caldi (candela); l innesco aiene mediante una scintilla roocata tra i due elettrodi da una differenza di otenziale di 0000 3000 Volt. Si iene a formare un fronte di fiamma che si roaga a circa 5 m/s : questa elocità è modesta risetto ai temi in gioco nelle arie fasi del ciclo reale, erciò in realtà la combustione non è isocora. Per un motore automobilistico, con n 6000 giri/min e corsa C 00mm si ha u m 0 m/s, elocità media dello stantuffo. Dato che la elocità dello stantuffo è maggiore di quella del fronte di fiamma, è necessario anticiare la scintilla di accensione (unto ), altrimenti la combustione roseguirebbe anche durante l esansione, a detrimento del rendimento. In sostanza l anticio d accensione si attua er due motii: er dar modo al fronte di fiamma di interessare tutta la miscela senza rotrarsi oltremodo nella fase d esansione, e er tenere conto che la reazione di combustione ha bisogno di un certo eriodo di incubazione (circa ms). La combustione comunque non è isocora ed ha luogo mentre il istone si muoe, il che comorta un laoro erso L : Q 3' H i + α st Q L Q comb doe Q è il calore non siluato er la dissociazione, L è il laoro erso, Q comb è il calore ceduto alle areti del cilindro (e non trasformato in laoro). Una stima quantitatia di quanto già isto qualitatiamente arlando del sistema di refrigerazione, si uò fare alutando come si distribuisce l energia fornita da kg di miscela: + H i α st si diide in tre arti uguali: Aunti di Macchine I - M.C.I. 39

-laoro utile (/3) -laoro erso nel omaggio (/3) -Q R : calore che il circuito di refrigerazione sottrae al motore (/3) Q R a sua olta si riartisce in: -Q C : calore erso durante la combustione (/6) -Q E : calore erso durante l esansione (/6) -Q D : calore dissiato nei condotti di scarico Quindi risulta Q C H + α i 0.05. st In definitia calcolando c H Q, L e Q C si uò ricaare la 3 dal bilancio termico: i ( 3 ) Q L QC + α st si ricaa 3 00 K (minore della temeratura del caso limite). Combustione: motori ad accensione sontanea Poiché il combustibile ha bisogno del eriodo di incubazione er aiare la combustione, è necessario introdurre l anticio d iniezione. Una olta trascorso il eriodo di incubazione relatio alla rima goccia entrata, questa brucia innalzando la temeratura della camera, annullando il delle altre articelle che bruciano contemoraneamente e con iolenza (fase isocora). C è oi un ultima fase di combustione graduale che segue la legge imosta dall iniettore. Cioè dall ing egnere Esansione Nel rimo tratto di esansione bisogna considerare sia il fenomeno della riassociazione che lo scambio termico tra fluido e areti: c' H Q 0.05 + α 4' 3 st (fase 3-4). Nel secondo tratto d esansione non c è siluo di calore interno, ma ersiste lo scambio termico tra fluido e areti: Aunti di Macchine I - M.C.I. 40

c' H 0.05 + α 4 4' st (fase 4-4) er cui anche quest ultima fase non sarà adiabatica. Infine lo scarico sontaneo, caratterizzato da un anticio di aertura della alola di scarico, sarà sede di una soraressione douta alle erdite di carico nei condotti. Aunti di Macchine I - M.C.I. 4

La fasatura della distribuzione Le fasi del motore 4 iste relatie al ciclo limite ossono essere raresentate in un diagramma olare come quello in figura. Si noti come ciascuna fase abbia inizio esattamente in corrisondenza di uno dei unti morti: ciò in realtà non aiene, er una serie di motii. Diagramma olare della fasatura limite Il ciclo reale differisce da quello limite er le imerfezioni della macchina: Scambi di calore erso l esterno Perdite di carico nei condotti di asirazione e scarico Le alole di asirazione e di scarico non si muoono istantaneamente Non ci sono infinite candele, ma solo un unto di accensione L asetto iù rileante è la resirazione del motore: nel ciclo limite si suongono le aerture delle alole istantanee, mentre nel ciclo reale è necessario ritoccare la fasatura della distribuzione se si ogliono eitare ritardi nelle oerazioni fluidodinamiche. Nelle figure successie sono mostrati dei tiici diagrammi della fasatura reale er motori 4 a.c. e a.s. Aunti di Macchine I - M.C.I. 4

Diagrammi olari della fasatura reale Motore 4 ad accensione comandata Anticio aertura asirazione: Ritardo chiusura asirazione: Anticio accensione: nella situazione reale la alola di asirazione si are con anticio risetto al.m.s. di circa 0 affinché al.m.s. sia comletamente aerta er lasciar assare la massima quantità di fluido ossibile e quindi eitare erdite di carico eccessie doute ad un eentuale laminazione del fluido se la sezione di assaggio non è la massima. la fase di asirazione si conclude circa 40 oltre il.m.i. ; questo ritardo della chiusura comorta antaggi fluidodinamici (minori erdite di carico) e sorattutto consente di sfruttare l inerzia della ena fluida insaccando ulteriore miscela nel cilindro anche mentre lo stantuffo inizia a risalire. In questo modo si elea il coefficiente di riemimento λ il che si traduce in un aumento di laoro e, quindi, di otenza. Lo santaggio è la minore corsa disonibile er la comressione. comincia quindi la fase di comressione, fino all accensione, che è anticiata di circa 5 risetto al.m.s. (dall accensione al.m.s. riesce a bruciare solo /5 del combustibile). L anticio si oera er due ragioni: er dar modo al fronte di fiamma di interessare tutta la miscela senza modificare, con la resenza di ritardi di combustione, la successia fase di esansione; er tener conto del fatto che la reazione di combustione ha bisogno di un certo eriodo di incubazione (qualche millisecondo). L anticio è tale che il icco di ressione massima non si raggiunga né troo rima, né troo doo il.m.s.: se si raggiunge troo rima il istone, nel tratto finale della sua corsa di salita, incontra un aumento di ressione che a ad aumentare il laoro di comressione; se si raggiunge troo doo si sacrifica una arte del laoro di esansione (laoro utile), Aunti di Macchine I - M.C.I. 43

come si è isto andando a studiare i diagrammi dei cicli termodinamici. Più il motore è eloce, maggiore sarà l anticio di accensione. Anticio aertura scarico: Ritardo chiusura scarico: la successia fase di esansione è da terminare in anticio di 50 60, cioè si anticia l aertura della alola di scarico er rendere iù igoroso lo scarico sontaneo, oiché il salto di ressione tra camera di combustione e tubo di scarico sarà maggiore; così facendo si sacrifica una quota del laoro di esansione, ma si guadagna in maggior misura riducendo il laoro di omaggio, erché lo scarico forzato sarà iù contenuto. la alola di scarico iene chiusa circa 0 oltre il.m.s. er sfruttare l inerzia dei fumi che continuano ad uscire anche quando il istone inizia a scendere Si ede che er circa 0 sono aerte contemoraneamente entrambe le alole (fase di incrocio o laaggio); questo fatto è benefico er quanto riguarda il riemimento del cilindro: infatti quando alla fine dello scarico forzato si raggiunge la P atm si ha un effetto di risucchiamento (effetto Atkinson) er cui la ressione scende al di sotto di quella esterna, anche se er un attimo. Allora questo fenomeno è sfruttato er ottenere una forma di laaggio risucchiando miscela fresca dalla alola di asirazione. Per contro, una troo estesa soraosizione dell aertura delle due alole otrebbe dar luogo a scoi nel condotto di asirazione er accensioni remature della miscela, roocate dai gas residui caldissimi. Inoltre si erificherebbe, come nel due temi, un corto-circuito della miscela fresca nello scarico, con conseguente riduzione di laoro utile ed emissione di idrocarburi incombusti (HC). Motore 4 ad accensione sontanea Per il diesel 4 si ossono fare considerazioni analoghe, eccetto: Viene raresentata la durata relatia alla fase di iniezione del combustibile; L anticio d iniezione a adeguato al temo d incubazione del combustibile al fine di aere la rima eslosione in corrisondenza del.m.s. e la rimanente arte della combustione al rimo tratto di esansione; Mancando il ericolo di ritorno di fiamma l anticio aertura asirazione è maggiore risetto a quello del motore a.c. Viceersa sia il ritardo chiusura asirazione sia l anticio aertura scarico sono in genere inferiori, a causa della minore elocità di rotazione che caratterizza questi tii di motori. Aunti di Macchine I - M.C.I. 44

Esressioni della otenza di un m.c.i. a esressione della otenza Aendo a disosizione un diagramma della ressione indicato (ricaato serimentalmente) è ossibile calcolare il laoro rodotto nel ciclo. Il diagramma è caratterizzato da un area ositia ed una negatia: infatti la fase di asirazione si solge a ressione minore di quella atmosferica, e la deressione si accentua al crescere della elocità del istone, mentre durante la fase di scarico si ha una leggera soraressione. In queste due fasi, dette di omaggio, il motore cede un certo laoro al fluido, L (area B); il laoro netto del motore (laoro indicato) sarà: L i L + + L che raresenta l area del ciclo attio meno l area di omaggio. S indica con mi, ressione media indicata, la ressione tale che L V. i mi La otenza indicata Pi sarà allora: Li P τ V n mi V τ 60 ε i mi, essendo: τ : temo necessario er l effettuazione di un ciclo n : n di giri al minuto ε : ale er e ale er 4 La otenza effettia Pe che si raccoglie alla flangia sarà minore di quella indicata a causa delle erdite meccaniche: P e P η i m mi n V η m 60 ε rima esressione della otenza Sesso si considera la ressione media effettia me : er cui l esressione della otenza effettia si uò scriere: n π D Pe me V, con V z C. 60 ε 4 me η m mi Valori tiici er la ressione media effettia sono: P me 0.4 0.7 Ma (), P me 0.7 0.8 Ma (4), P me > Ma ( diesel soralimentati). Aunti di Macchine I - M.C.I. 45

a esressione della otenza La seconda esressione della otenza P e ermette di caire quali sono i arametri sui quali si interiene er regolare il funzionamento di un motore; si ricaa l esressione del rendimento globale: Pe η g, con m m c ortata in massa di combustibile, c H i denominatore comare il calore messo a disosizione ed al numeratore la otenza effettia. P η m H, e g c i m m a α raorto aria/combustibile c H i otere calorifico inferiore; al H i Pe η g m a, α H i doe è la tonalità termica, una caratteristica intrinseca del combustibile. α Introducendo il coefficiente di riemimento, raorto tra la massa d aria realmente introdotta nel cilindro e la massa d aria teoricamente intraolabile in assenza di erdite di carico, ari a ρ 0 V : m a n λ m λ ρ0 V m a a λ ρ0 V V 60 ε con ρ 0 m a : massa d aria realmente intraolata V : cilindrata ρ : densità di riferimento (si uò rendere la densità dell aria in condizioni standard di e, oure si 0 uò rendere la densità dell aria a monte del cilindro nel condotto d asirazione). In genere λ 0. 9 er motori normali (asirati); er motori soralimentati è λ >. In definitia: P e η g λ n H i ρ 0 V seconda esressione della otenza 60 ε α Esaminando questa formula si indiiduano i arametri sui quali si uò interenire er aumentare la otenza di un motore: Si uò aumentare la cilindrata V Si uò aumentare n (ecco dunque il antaggio del frazionamento) Si uò aumentare e quindi assare da un motore 4 ad un motore Si minimizzano le erdite di carico nei condotti d asirazione, facendo in modo che entri iù aria ossibile (aumento di ) Si uò cambiare combustibile in modo che H i sia alto e α basso (alta tonalità termica) Si aumenta artificialmente il coefficiente di riemimento attraerso la soralimentazione. Aunti di Macchine I - M.C.I. 46

La regolazione dei motori a combustione interna Utilizzando la seconda esressione della otenza effettia si esrime la coia motrice di un m.c.i. : π n Pe c ω c 60 λ ρ0 V H i c η g coia motrice n H i P η λ ρ π ε α e g V 0 60 ε α La coia motrice in funzione del n di giri raresenta la cura caratteristica del motore: c c(n) ; nel grafico seguente sono indicati gli andamenti di coia, otenza e consumi secifici al ariare di n er un generico motore a quattro temi. La differenza rinciale tra un benzina ed un diesel sta nel fatto che generalmente, a arità di cilindrata e di liello tecnologico, il motore a benzina raggiunge regimi iù alti con otenze maggiori risetto al diesel, ma la concaità della sua cura di coia è iù accentuata. Nel diesel infatti si ha un andamento della coia iù sianato, il che significa una maggiore disonibilità di coia al ariare del regime, quindi migliori caratteristiche d elasticità e di stabilità d erogazione. Come si ede nel disegno, il minor consumo secifico di carburante si ha in corrisondenza del regime di coia massima. Le ragioni er cui la coia diminuisce sia ai bassi sia agli alti regimi sono arie. Per n eleato la coia tende a diminuire erché aumenta sensibilmente la elocità nel condotto d asirazione, il che rooca erdite di carico e quindi riduzione del ; ciò è alido sia er motori diesel sia er motori a.c. ale andamento è relatio all erogazione del motore a tutto gas, cioè al massimo carico. Aunti di Macchine I - M.C.I. 47

Per n basso la coia diminuisce in genere erché l aria ha iù temo er cedere calore alle camicie dei cilindri, e quindi aumentano le erdite termodinamiche. Inoltre, nel diesel, diminuisce la elocità d iniezione del combustibile, il che comorta un iniezione irregolare con conseguente diminuzione del rendimento termodinamico. Il fattore determinante è dato comunque dalla fasatura della distribuzione, che è settata in sede di rogetto er fornire la migliore resirazione ( ) del motore nella zona centrale d utilizzo del range di regimi utili: sostarsi al di fuori di questo range mette fuori fase tutti gli accorgimenti che si sono isti arlando della fasatura. Nell utilizzo dei m.c.i. la regolazione si attua solo ariando la coia erogata; il numero di giri si assesta automaticamente nella situazione d equilibrio tra coia motrice e resistente. λ ρ0 V H i Dall esressione della coia ista sora, c η g, si indiiduano come unici π ε α arametri modificabili in sede d utilizzo del motore e α. α (raorto Nel motore a benzina non è ossibile agire suα er ariare la coia: er alori α < st stechiometrico), miscela ricca, si ha emissione d idrocarburi incombusti ed ossido di carbonio, il che significa contemoraneamente un incremento di consumi ed emissioni inquinanti; er α < α, miscela magra o eccesso d aria, insorge il fenomeno della detonazione che è assolutamente da eitare, inoltre si uò erificare lo segnimento del fronte di fiamma er l eccessia rarefazione delle molecole di combustibile. Con l utilizzo dei catalizzatori allo scarico nei motori a benzina α dee essere mantenuto rigidamente sul alore stechiometrico. Nel motore diesel non esiste la arzializzazione dell aria in asirazione, che in ogni condizione iene asirata nella stessa quantità (a meno delle erdite). E eidente dunque come er i due tii di motore la scelta del arametro sia obbligata: Motore A.C. : si modula la coia ariando il coefficiente di riemimento arzializzando il condotto d asirazione a alle del carburatore (se il motore è ad iniezione si riduce contemoraneamente l entità di benzina iniettata). Modulazione er quantità. Motore A.S. :si modula la coia ariando il raorto aria/combustibile α attraerso la quantità di gasolio iniettato. Modulazione er qualità. In relazione alle caratteristiche eculiari che distinguono i motori a.c. dai motori a.s. si hanno diersi cami d alicazione. A arità di otenza il motore diesel è iù esante, erché laora con raorti di comressione maggiori e dunque dee essere meccanicamente iù robusto del a.c. Il motore diesel ha un rendimento globale sueriore al motore a benzina, come edremo successiamente, grazie agli eleati raorti di comressione. Il gasolio costa (un o...) meno della benzina. Il motore diesel si regola meglio, e ha un andamento della coia in funzione dei giri abbastanza costante, ciò che lo rende adatto a funzionare efficientemente anche a carichi arziali, come in città. Quindi, generalmente, i motori diesel si usano nella trazione esante (camion, autobus, ecc) ed anche nelle automobili; il motore a benzina è usato quasi esclusiamente er la trazione leggera (auto e moto eicoli). st Aunti di Macchine I - M.C.I. 48

Combustioni anormali La combustione normale resenta le seguenti caratteristiche: -ha inizio nel unto e nell istante in cui scocca la scintilla; -si roaga gradualmente da quel unto fino all estremo della camera, senza che si abbiano brusche ariazioni di elocità. Quando qualcuna di queste condizioni non è erificata, si realizza una forma di combustione anomala, che uò arriare a roocare danni ai comonenti meccanici del motore, accrescere la rumorosità, ridurre la otenza o il rendimento globale. Le forme di combustione irregolare sono: ) reaccensione: la miscela iene accesa da un unto caldo della camera di combustione rima dello scoccare della scintilla; ) detonazione: una arte di miscela, rima di essere raggiunta dal fronte di fiamma regolare, iene a troarsi in condizioni tali da autoaccendersi sontaneamente, creando un brusco aumento locale di ressione ed un sistema di ibrazioni che si roagano alla struttura del motore. Preaccensione Le cause rinciali che roocano questo fenomeno sono: soraccarichi, difettosa refrigerazione che lascia unti caldi nella camera di combustione (sigolo alola, elettrodo candela, deosito carboniosi, ecc), difetto di tenuta delle fasce elastiche con conseguenti trafilaggii d olio che, ad alta temeratura, olimerizza formando residui gommosi. Queste zone calde ermangono a temerature sueriori ai 650 700 C cosicché roocano l accensione della miscela rima dell innesco della scintilla. Il fenomeno della reaccensione, erificandosi in iena fase di comressione, riduce la quota di calore che si trasforma in laoro utile, e quindi riduce il rendimento globale; giacché il calore Q non aria, ci sarà un aumento del calore Q, con conseguente aumento della temeratura locale: il fenomeno a dunque autoesaltandosi. Un ulteriore caratteristica erniciosa è data dal fatto la reaccensione si manifesta all esterno solo attraerso un accresciuta ruidezza di funzionamento, difficilmente aertibile. La reaccensione uò essere eitata attraerso un aroriato rogetto dei articolari della camera di combustione ed una scelta oortuna di combustibile e lubrificanti: anno eliminati gli sigoli ii, si dee rogettare attentamente il sistema di raffreddamento della testata. L organo maggiormente resonsabile dell autoaccensione è comunque la candela, infatti essa si rotende nella camera di combustione con elementi eterogenei, il iù ericoloso dei quali è il coro isolante, dato che non ha ossibilità di smaltimento del calore. Il comortamento del combustibile nei confronti della reaccensione riguarda il ritardo dell accensione che misura la raidità con cui rocedono le reazioni chimiche intermedie che ortano all accensione della miscela; il comortamento dei lubrificanti riguarda inece la loro tendenza a formare incrostazioni e deositi, nel momento in cui essi enetrano nella camera di combustione. Detonazione E un fenomeno che si manifesta solo doo l inizio dell accensione normale e riguarda in articolare i motori ad accensione comandata; in regime detonante la maggior arte della miscela brucia regolarmente e solo l ultima arte si accende in modo ressoché eslosio, dando luogo a iolente onde di ressione. La siegazione iù oia è che l accensione di queste ultime arti sia roocata dalla comressione esercitata dalle rime frazioni bruciate; infatti, una olta scoccata la scintilla, il fronte di fiamma, roagandosi, comrime le frazioni di miscela iù lontane e uò caitare che la temeratura salga oltre il limite d accensione sontanea, creando le condizioni d autoaccensione er frazioni di miscela non ancora Aunti di Macchine I - M.C.I. 49

inestite dal fronte di fiamma. L accensione sontanea di queste arti rooca un onda d urto, che si roaga riflettendosi sulle areti della camera di combustione: l andamento della ressione sarà fortemente sussultorio (con frequenze nell ordine dei 5 0 KHz) e ciò comorta ibrazioni meccaniche eleate agli organi circostanti la camera di combustione. Per effetto di queste onde di ressione si erificano: -maggiori sollecitazioni sugli sinotti e sull albero motore; -rottura del film di lubrificante sulle areti del cilindro, con conseguente aumento degli attriti (e quindi usura); -ritardi della combustione, che interesserà maggiormente la fase d esansione, riducendo quindi il rendimento (dato che iene fornito calore a temerature iù basse); -maggiore quantità d incombusti, con minore roduzione di otenza e maggiori emissioni inquinatrici. Fattori che influenzano la detonazione La detonazione è faorita da: -diminuzione del N.O. (numero d ottano) del combustibile, cui corrisonde maggiore reattiità chimica della miscela; -aumento del raorto di comressione, che innalza temeratura e ressione della carica; -introduzione di una massa maggiore di miscela er ogni ciclo (arendo la alola a farfalla del carburatore o aumentando il grado di soralimentazione) oiché si comrime e si riscalda maggiormente la arte finale di carica; -immissione della miscela a temeratura maggiore, che faorisce l aio delle reazioni di reossidazione; -eccessio anticio dell accensione, che fa crescere iù raidamente la ressione in camera di combustione e ne innalza il alore massimo; -cattio raffreddamento della orzione finale della miscela fresca da arte delle areti della camera di combustione. Altri fattori che faoriscono l insorgere della detonazione sono quelli che ritardano la roagazione del fronte di fiamma, ossia: -diminuzione del moto turbolento della carica fresca; -un cilindro troo allungato che aumenta il ercorso del fronte di fiamma er raggiungere i unti iù lontani della camera di combustione; -raorto aria-combustibile tendente al magro (iù aria, meno combustibile risetto allo stechiometrico) che riduce la elocità d aanzamento del fronte di fiamma (er una maggiore rarefazione delle articelle di combustibile). Per eitare il fenomeno della detonazione si ricorre a forme comatte della camera di combustione, si tara il carburatore (o l iniezione) su miscele stechiometriche o leggermente ricche, si realizza all interno della camera di combustione un moto il iù ossibile turbolento, si realizzano scintille d accensione di forte intensità; con questi accorgimenti si ossono realizzare quelle condizioni faoreoli che la detonazione recluderebbe: -aumento del raorto di comressione, con benefici a liello di rendimento e di otenza secifica; -ossibilità di utilizzare combustibili meno regiati (meno costosi) con un N.O. inferiore. Il fenomeno della detonazione è facilmente indiiduabile (tramite sensori di tio acustico od accelerometrico) oiché si manifesta all esterno con l emissione di un caratteristico rumore metallico simile ad un martellamento e con ibrazioni. In articolare con l iniezione elettronica, disonendo di sensori di detonazione, si uò arricchire il raorto aria-combustibile solo negli istanti nei quali si erifica la detonazione. Si ricorda che, in generale, nei motori ad a.c. di nuoa generazione si dee mantenere il iù ossibile il raorto stechiometrico. Qualcuno ricorderà il tiico rumore di battito in testa delle auto a benzina degli anni ottanta, quando acceleraano a ieno carico ed a bassi regimi di rotazione. Aunti di Macchine I - M.C.I. 50

Numero di ottano e numero di cetano Resistenza alla detonazione, numero di ottano La detonazione è una delle forme di combustione anormale che maggiormente riducono le restazioni (otenza e consumi) di un m.c.i. ad accensione comandata. Le benzine sono classificate in base al loro otere antidetonante. La scala che definisce il otere antidetonante si basa su due combustibili di riferimento: -isottano (C 8 H 8 ): la sua struttura molecolare comatta lo rende articolarmente resistente alla detonazione, ertanto il suo alore antidetonante è stato fissato conenzionalmente a 00 (NO 00); -etano normale (n-c 7 H 6 ): è facilmente soggetto a detonazione, er cui il suo alore antidetonante è stato osto ari a 0 (NO 0). La resistenza alla detonazione di un carburante qualsiasi si misura con il suo numero d ottano (NO), definito come la ercentuale (in olume) di isottano contenuta in una miscela di isottano ed etano normale, le cui caratteristiche antidetonanti siano equialenti a quelle del carburante in esame, quando il confronto è eseguito sul motore CFR secondo una metodologia normalizzata. Il motore di roa CFR è un monocilindro il cui raorto di comressione è ariabile (r 4 30) attraerso lo sostamento erticale del cilindro risetto all albero motore, er mezzo di un accoiamento manoellaite senza fine-cremagliera. La elocità di rotazione del motore CFR è stabilizzata trascinando lo stesso con un motore elettrico, collegato alla rete, che funziona da generatore o da motore a seconda delle condizioni di laoro del CFR. Diersi metodi di misura sono stati roosti er eseguire il confronto che conduce alla determinazione del NO di un combustibile; tra di essi, due si sono imosti e sono tuttora amiamente utilizzati: il Metodo Motore e il Metodo Ricerca. Esecuzione delle roe: alimentando il monocilindro CFR con il combustibile in esame, risettando le condizioni di funzionamento corrisondenti al metodo utilizzato, si fa ariare il raorto di comressione fino ad ottenere un intensità di detonazione standard (55); questa è misurata con un gruo elettronico (detonimetro) che utilizza un sensore di ressione di tio magnetico, la cui membrana sensibile è affacciata alla camera di combustione del motore e roduce un segnale che è roorzionale alle onde di ressione che si manifestano durante la detonazione. Da tabelle di riferimento si risale al NO arossimato del carburante in roa, che corrisonde al raorto di comressione raggiunto; si rearano oi due miscele camione (isottano + etano normale) con numero d ottano noto e differente er due unti, uno iù eleato ed uno iù basso di quello desunto dalle tabelle. Si roano sul CFR le due miscele camione con una serie di almeno tre roe er ciascuna miscela, fino a raggiungere la costanza delle letture; si riortano quindi i alori su un grafico e er interolazione lineare si ottiene il NO cercato. Ad esemio, se la mia benzina in esame risulta (dalle tabelle) aere un NO 85, si rearano due miscele camione, una con NO 84, l altra con NO 86; eseguite le roe si troeranno er ciascuna miscela le intensità di detonazione, una sueriore ed una inferiore a 55, ad esemio 60 (er la miscela con NO 84) e 40 (er la miscela con NO 86): riortando su un grafico con ascisse intensità di detonazione ed ordinate numero di ottano, si ha una retta assante er i unti relatii alle due miscele camione; il alore di NO sulla retta corrisondente ad un ascissa di 55 sarà il numero di ottano della benzina in esame. Per aumentare il NO di una benzina i sono due metodi referenziali: )miscelare la benzina con un altra aente un NO iù alto; )usare sostanze antidetonanti come il iombo tetraetile ed il iombo tetrametile; il iombo tetraetile resenta due inconenienti: -è tossico; -rooca la formazione di deositi di Pb metallico nel cilindro, che localizzano forti rocessi corrosii ad alte temerature; -è totalmente incomatibile con i catalizzatori di scarico, er cui è raticamente stato eliminato con l introduzione della cosiddetta benzina erde. Aunti di Macchine I - M.C.I. 5

Accendibilità, numero di cetano I gasolii usati nei motori Diesel si classificano in base al numero di cetano (NC), che indica l attitudine del gasolio ad infiammarsi. Ha dunque interesse definire il ritardo all accensione: se ad esemio fosse troo esteso, buona arte del combustibile sarebbe iniettato rima dell accensione, con eccessie elocità di reazione e conseguenti icchi di ressione incontrollati non aena si aia la combustione, data la grande massa di carburante accumulatasi che raggiunge imroisamente le condizioni di accensione sontanea. E stato introdotto il Metodo del Cetano, che utilizza il CFR oortunamente modificato: in articolare, è necessario sostituire il cilindro mobile con un altro fisso dotato di una recamera cilindrica, munita di uno stantuffino a ite, il quale ha il comito di ariare il raorto di comressione (modificando solo il olume della recamera). Nella roa si utilizzano come combustibile camione miscele di cetano (ritardo all accensione nullo: NC 00) e di -metilnaftene (ritardo eleato: NC 0). Si definisce numero di cetano (NC) la ercentuale di cetano che, resente in una miscela di cetano e -metilnaftene, determina er questa un ritardo all accensione ari a quello del combustibile in esame, effettuando il confronto su un motore CFR con le stesse modalità. Il ritardo all accensione si determina con un aosito rileatore osto sullo stilo dell iniettore: recisamente l iniettore è munito di un contatto elettrico che rilea l istante in cui si sollea lo sillo ed inizia l iniezione; un disositio elettrico registra l istante in cui il combustibile si accende: il temo intercorso tra i due eenti misura il ritardo all accensione. Determinazione del NC: Metodo del Cetano. Alimentando il CFR con il combustibile in esame, si aumenta il raorto di comressione fino a ortare l accensione in corrisondenza del.m.s.; si riete la rocedura con due miscele camione, oortunamente roorzionate er aere risettiamente NC maggiore ed inferiore a quello incognito del carburante in esame, riortandone l accensione al.m.s. Si indiiduano così due miscele di riferimento (i cui NC non differiscano er iù di 5 unti) che richiedono raorti di comressione che comrendono quello del combustibile in esame, il cui NC otrà essere ricaato er interolazione in un grafico con ascisse il raorto di comressione ed ordinate il NC. Generalmente si considerano alori ottimi er un gasolio NC 60 80. Bisogna tener conto che non è coneniente un ritardo all accensione troo basso, erché altrimenti le goccioline di gasolio otrebbero aiare la roria combustione rima di aer auto il temo di aorizzare nell aria calda comressa; questo comorta localmente eleate temerature, con rilascio di ossidi di azoto (inquinanti) nonostante la temeratura media nella camera di combustione non sia nominalmente in grado di roocarne la formazione. Si uò notare che le circostanze chimiche che facilitano l accensione sono le stesse che faoriscono la detonazione nel motore a.c., quindi un combustibile ad alto NO arà un basso NC: l eserienza ha ermesso di enunciare la relazione di Walke tra NO e NC NO 0 NC Per i gasolii esistono altri semlici metodi di classificazione come l indice diesel ed il unto di anilina (cioè la iù bassa temeratura, esressa in gradi fahrenheit, alla quale un dato olume di gasolio è comletamente miscibile in un uguale olume di anilina ) Sostanza chimica utilizzata er la roduzione di coloranti e come medicinale antiiretico. Aunti di Macchine I - M.C.I. 5

Potere calorifico inferiore e sueriore Il otere calorifico inferiore H i raresenta la quantità di calore siluata nel corso della combustione (comleta) dall unità di massa di combustibile, quando l acqua resente nei rodotti di combustione (somma di quella eentualmente resente nel combustibile come umidità e di quella rodotta dalle reazioni di ossidazione) si troa allo stato di aore. Il otere calorifico sueriore H s raresenta la quantità di calore siluata nel corso della combustione dall unità di massa di combustibile quando i rodotti della combustione engono raffreddati in modo da condensare i aori d acqua, che restituiscono il loro calore latente di aorizzazione. La differenza tra H i e H s è rorio il calore latente di eaorazione dell acqua. Nei motori a combustione interna i gas combusti sono scaricati ad alta temeratura, con l acqua in stato di aore; er questo motio nei calcoli si dee utilizzare il otere calorifico inferiore. Una olta determinato serimentalmente H s er un determinato combustibile, il alore inferiore H i uò essere calcolato in funzione della frazione in massa di umidità e di idrogeno kg H idrogeno, mediante la relazione kg combustibile kg U acqua kg combustibile MJ H i kg essendo H s MJ kg.5 ( U + 9 H ) MJ -.5 : calore latente di eaorazione dell acqua kg µ H -9 µ O H 8 : raorto tra le masse molecolari di acqua e di idrogeno, ossia tra i kg di acqua rodotti dall ossidazione di kg di idrogeno. Valori numerici, er due combustibili alquanto diffusi: -benzina -gasolio H i 040 [kcal/kg], H s 0 [kcal/kg] H i 0400 [kcal/kg], H s 000 [kcal/kg] Aunti di Macchine I - M.C.I. 53

M.c.i. e inquinamento Introduzione Il crescente tasso d inquinamento atmosferico nei centri abitati, rincialmente douto alle emissioni dei eicoli con motori a combustione interna (m.c.i.), dalla seconda metà del secolo scorso ha ortato all emanazione di normatie olte a limitare l entità di queste emissioni. L eoluzione odierna si ha nelle normatie euroea EURO4 e californiana LEV SULEV. La massima esressione dello stato dell arte alicato ad un eicolo si ritroa oggi nella nuoa BMW 760I, sulla quale un comlesso sistema di iù conertitori catalitici in cascata consente il sueramento delle norme euro 4 e le. Già dai rimi anni 90 i limiti restrittii delle normatie all eoca hanno reso indisensabile l utilizzo dei conertitori catalitici negli autoeicoli, erché i miglioramenti conseguiti a liello di motore non erano iù sufficienti a garantire il risetto dei incoli. Lo studio e lo siluo dei conertitori catalitici (o marmitte catalitiche) è dunque di fondamentale imortanza nel camo della ricerca er l autotrazione. Emissioni dei m.c.i. La combustione che aiene nei comuni m.c.i. sia di tio Otto sia Diesel roduce una serie di sostanze inquinanti; ciò aiene sia erché il combustibile è una miscela di comonenti che non è ossibile far reagire in maniera oortuna contemoraneamente, sia erché il rocesso di combustione non è mai ideale. I rinciali inquinanti sono gli HC (idrocarburi), il CO (ossido di carbonio), gli NOx (ossidi d azoto), gli SOx (ossidi di zolfo) ed il articolato (oleri sottili nei diesel). La riduzione degli SOx si ottiene attraerso l eliminazione dello zolfo nei carburanti, e quella del articolato con l ottimizzazione dell iniezione nonché l utilizzo d aositi filtri anti articolato (f.a..). L abbattimento delle restanti secie chimiche, NOx, CO e HC si ottiene con l utilizzo dei catalizzatori trialenti (nei motori a benzina) oggi obbligatoriamente resenti su tutti i eicoli in roduzione. La formazione dell ossido di carbonio si ha attraerso una successione di ste elementari, riassumibili come idrocarburi radicali erossidi aldeidi chetoni CO. L equazione globale che regola l equilibrio di questa trasformazione è CO + OH CO + H. L equilibrio si ha ad alta temeratura, raggiunta in fase di combustione; al decrescere della la reazione si sosta a dx ma contemoraneamente decresce la elocità di reazione la quale dunque si congela; infine rimarrà una quota di CO. La resenza di CO allo scarico del m.c.i. diende fortemente dal raorto aria-combustibile (a.f.r., air fuel ratio) d alimentazione: la resenza di CO è decrescente allo smagrirsi della carburazione, grazie alla disonibilità di O in grado di ossidare il CO. La resenza di idrocarburi incombusti HC è douta a dierse cause: una combustione incomleta douta nella camera di combustione a locali carenze di ossigeno, oure ad assorbimento e rilascio di carburante incombusto nel film di lubrificante o segnimento della fiamma sulle areti del cilindro. La quantità di HC emessi allo scarico diende dall anticio di accensione erché ritardando questo la combustione uò rocedere anche in fase di scarico ossidando ulteriormente gli Aunti di Macchine I - M.C.I. 54

idrocarburi, ma sorattutto dal raorto a.f.r. : si ha un minimo di HC in corrisondenza di miscele leggermente iù magre della stechiometrica; miscele grasse non garantiscono ossigeno sufficiente alla comleta ossidazione, miscele troo magre comunque ortano a combustione incomleta er segnimento della fiamma. Infine l incrocio delle alole al.m.s. di fine scarico uò ortare della miscela fresca direttamente allo scarico. Gli ossidi d azoto NOx (di cui il 98% è NO) si formano con i seguenti meccanismi elementari: O + N NO + N ; O + N NO + O ; N + OH NO + H. ali reazioni sono all equilibrio a circa 000 K con la massima quantità di NO, ma quando in fase di esansione la e la P descrescono, l equilibrio ur sostandosi a sinistra si congela er la diminuzione della elocità di reazione, lasciando dunque una quantità di NO residua. La diendenza degli NOx dal a.f.r. mostra un massimo er miscele oco iù magre risetto alla stechiometrica; un aumento dell anticio di accensione rooca una maggiore temeratura di combustione e dunque una maggior roduzione di NOx; d altra arte la riduzione dell anticio non è ausicabile termodinamicamente oiché riduce ressione e temeratura massime del ciclo e le sosta nella fase di esansione, con conseguente riduzione di rendimento. Un metodo alternatio ai catalizzatori er ridurre le emissioni di NOx è il ricircolo dei gas di scarico o e.g.r. : releando una quota dei gas combusti fino al 5% e riammettendola all asirazione si determina un abbassamento della max del ciclo e quindi anche dell NOx. ale sistema è antaggioso erò solo ai carichi intermedi. Il catalizzatore trialente ale disositio allo stato dell arte attuale è in grado di abbattere conenientemente le tre secie inquinanti iste sora in regime stazionario, cioè a catalizzatore caldo. Esiste inece una fase iniziale di riscaldamento del catalizzatore, detta start u o light off durante la quale l efficienza dello stesso è bassa o nulla. Poiché nel ciclo standardizzato urbano si è isto che un catalizzatore di ecchia generazione emette il 60% degli HC nei rimi cento secondi, si caisce l imortanza della riduzione di tale interallo. In articolare la diendenza con la temeratura dell efficienza di conersione è crescente, è nulla sotto i 500 K ed ottiene il massimo in corrisondenza di circa 700 K. Il secondo arametro itale er l efficienza di conersione è il raorto a.f.r. : er quanto riguarda la conersione di CO e HC essa è bassissima er miscele grasse, cresce in rossimità della stechiometrica ed è massima er miscele magre; iceersa aiene er gli NO: er miscele magre, a fronte di una minore roduzione al motore di NOx, si ha una ridotta efficienza di conersione del catalizzatore, mentre er miscele grasse si ha un alta efficienza. Dunque è a caallo della comosizione stechiometrica che si riesce ad ottenere contemoraneamente una buona conersione (sueriore all 80%) er tutte e tre le secie. Il controllo della stechiometria dell alimentazione aiene elettronicamente ad anello chiuso attraerso il segnale della sonda lambda osta a monte del catalizzatore ed elaborato dalla centralina di iniezione. Il meccanismo er il quale funziona il conertitore catalitico è la riduzione dell energia di attiazione delle reazioni redox che eliminano le tre secie inquinanti a faore dei normali ed innocui rodotti di combustione CO N e H O : CO + ½ O CO ; C n H m + (n + m/4) O CO + m/ H O ; CO + NO CO + ½ N ali reazioni aengono sulle areti catalitiche del conertitori, doo che i gas hanno diffuso dal canale erso le areti. I rodotti della reazione diffondono di nuoo dalle areti al canale. Gli elementi catalizzatori sono dei metalli nobili, latino Pt e rodio Rh, disersi su un oortuno suorto oroso di allumina detto washcoat in grado di moltilicare la suerficie disonibile agli Aunti di Macchine I - M.C.I. 55

scambi chimici (risetto a quella geometrica) di un fattore 70. Il washcoat è disosto su una struttura a nido d ae con numerosi canali realizzata in materiale ceramico (cordierite, leggera economica ma scarsamente conduttia termicamente, temi di light off lunghi) o metallico (tiicamente acciaio, costoso ma molto conduttio, temi di light off brei). ale struttura, che costituisce il coro del monolite, è realizzata a nido d ae sia er conferirgli la maggiore resistenza meccanica, sia er faorire lo scambio di energia e massa fluido-arete. Aunti di Macchine I - M.C.I. 56

Bibliografia []: Carmelo Cauto, Le macchine olumetriche, ol. III, ed. Masson. []: Carmelo Cauto, Le macchine olumetriche, ol. III, tomo II, ed. Masson. [3]: Giancarlo Ferrari, Motori a combustione interna, ed. Caitello. [4]: John B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, ed. Mc Graw Hill. [5]: Dante Giacosa, Motori endotermici, ed. Hoeli. [6]: Gioanni Scotto Laina, Riassunto delle lezioni di meccanica alicata alle macchine, ed. Siderea Aunti di Macchine I - M.C.I. 57