MOTORE
Prof. Paolo Biondi Dip. GEMINI
I LEGGE DELLA
TERMODINAMICA
•L’energia dell’universo
è costante
•L’energia non si crea e
non si distrugge
II legge della termodinamica
o di degradazione dell’energia
• L’entropia di un sistema isolato (per
es. l’universo) tende ad un max
• Per l’ingegnere: L≡Q QL
L≡Q tutto il lavoro meccanico è
convertibile in calore
QL il calore non è totalmente
convertibile in lavoro meccanico
Ciclo di Carnot
Rendimento del ciclo:
=L/Q1=
=(Q1-Q2)/Q1=
=(T1-T2)/T1
Q1=Qc Q2=Qf
T1=Tc T2=Tf
T temperatura
assoluta
Motori
• Motori a combustione
interna (CI) volumetrici
alternativi:
ad accensione comandata
(a benzina)
ad accensione spontanea
(diesel)
Motori diesel
Non
esiste
un
impianto
di
accensione in quanto alla fine della
fase di compressione la temperatura
dell’aria è superiore alla temperatura
di ignizione del gasolio.
In una compressione adiabatica l’aria
si riscalda, ad esempio: pompa di
bicicletta e i grandi compressori sono
raffreddati.
Rendimenti nei motori a CI
= L/Q ≈ 1/3 → solo il 33% circa
dell’energia termica del combustibile
trasformata in lavoro utile all’albero
motore.
Circa 1/3 dell’energia termica del
combustibile persa come calore
all’impianto di raffreddamento.
Un altro 1/3 persa allo scarico.
Rendimento teorico
per motori a CI
Se si considera di utilizzare un ciclo di
Carnot con temperatura della sorgente
calda pari alla massima temperatura di
combustione del gasolio 2.200 °C (2.473
K) e quella della sorgente fredda pari alla
temperatura ambiente 15 °C (288 K),
il rendimento teorico ideale è pari a:
= (2.473-288)/2.473 = 0,88 → 88%
Potere calorifico
• Potere calorifico inferiore (Pci):
• la quantità di calore rilasciata dall’unità
di massa del combustibile in un processo
di combustione completa e con i fumi
raffreddati fino a 100 °C.
• Potere calorifico superiore (Pcs):
• analogo al precedente ma con fumi di
combustione
raffreddati
fino
a
temperatura ambiente (recupero del
calore di condensazione del vapore H2O
eventualmente presente)
Caldaie a condensazione
• Rendimenti > 1 (?!)
Non fisicamente possibili.
Il calcolo viene fatto rispetto al Pci quando si
recupera il calore di condensazione del
vapore: più correttamente i calcoli
dovrebbero essere riferiti al Pcs.
Alcune caratteristiche
dei combustibili
Combustibile
Calore di
evaporazione
(kJ/kg)
Benzina
314
43,54
32,03
15,5
3,726
0,724
Etanolo 100%
963
27,42
21,77
9
3,847
0,795
Metanolo
100%
1.164
18,84
15,07
6,5
3,902
0,795
Gasolio
———
42,70
35,59
14
3,890
0,833
Potere calorifico
inferiore
(MJ/kg) (MJ/l)
Aria teorica
combustione
(kg-aria/kg)
Tonalità
termica
(kJ/l)
Massa
volumica
(kg/l)
Grandezze caratteristiche
R = V1 / V2 rapporto di compressione
ALBERO A GOMITI - PISTONE
Basamento o blocco motore
Ciclo Diesel
Intake
Pressure
Ciclo Diesel
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Compression
Pressure
Ciclo Diesel
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Power
(Injection)
Pressure
Ciclo Diesel
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Power
Pressure
Ciclo Diesel
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Exhaust
Pressure
Ciclo Diesel
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Ciclo Otto
Intake
Pressure
Ciclo Otto
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Compression
Pressure
Ciclo Otto
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Compression
Pressure
Ciclo Otto
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Power
Pressure
Ciclo Otto
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Exhaust
Pressure
Ciclo Otto
Click mouse for next stroke.
Press Escape to end.
Volume
Ciclo termodinamico
Rendimento termodinamico
Ciclo OTTO:
1
1
R
k 1
te=Lte/Q i=Li/Lte m=Leff/Li
T=Leff/Q=teim=1/(CsPci)
te 1
1
R k 1
Ciclo Diesel:
k 1
te 1 k 1
kR ( 1)
=T5/T4=V5/V4
k=Cp/Cv=1,4
Consumo specifico
Nella tecnica per definire le prestazioni termiche
di un motore si fa spesso riferimento al consumo
specifico:
Cs in g-gasolio per unità di lavoro
prodotta all’albero motore.
Da Cs è facilmente calcolabile il rendimento T.
Ad esempio: Cs=250 g/kWh.
Da 250 g-gasolio si ottiene una quantità di calore:
0,25 kgx10.000 kcal/kgx4187 J/kcal= 10,47 MJ
CsxPci=10,47 MJ / 3,6 MJ=2,91
T=1/(CsPci)=1/(2,91)=0,344 → 34,4%
Norme di prova dei motori più
diffuse in campo internazionale
Norme di prova
Ventilatore
e radiatore
Filtro
aria
Scarico
Temperatura
(°C)
Pressione =
Altitudine
(mmHg) (m slm)
DIN 70020
si
si
si
20
760 =
DIN 6270
si
no
no
20
736 = 150
British standard
no
si
si
29,4
736 = 150
SAE: gross
no
a rich.
no
29,4
736 = 150
SAE: net
si
si
si
29,4
736 = 150
IGM/CUNA
si
si
si
15
760 =
0
0
Formule di correzione della potenza misurata in base alla temperatura e pressione
atmosferica dell'ambiente di prova:
a) DIN 70020 Pcor=Pos(760/p)[(273+t)/293]0,5 con p in mmHg e t in gradi °C;
b) SAE J816a Pcor=Pos(29,0/p)[(460+t)/(460+85)] con p in pollici e t in gradi Fahrenheit
(°F);
c) IGM (Ispettorato Generale Motorizzazione) Pcor=Pos(760/p)[(529+t)/544] con p in
mmHg e t in gradi (°C).
Formule per la potenza del
motore a 4 tempi
M2n
P = M =
60
pe Vn
P=
120
L mQ
M, in Nm;
V (cilindrata), in L;
n, in giri/min;
pe (pressione efficace), in Pa;
Q (calore consumato), in J;
Pci, in J/kg;
o, in kg/L;
Ho (tonalità termica della
miscela), in J/L;
s (sovralimentazione in
massa), n.p.;
a (aria teorica di
combustione), in kga/kgC;
mQn
P=
120
mv so VPci n mv sVHo n
P=
a
1201
120
Funzionamento motore
a 4 tempi
Motore a
4 tempi
Motore a
2 tempi
Riserva di coppia (Cmax-CPmax)/CPmax > 20%
Indice di elasticità (Cmax/CPmax)x(nPmax/nCmax) ≈ 1,5
Riserva di coppia
cilindro
basamento
testata
camera di combustione
valvole
albero a gomiti (o motore)
albero della distribuzione
Caratteristiche motori trattrici
Numero cilindri: da 3 a 6 in linea in funzione
della potenza
Rapporto corsa/diametro: 0,95-1,20
Cilindrata unitaria: 517-1.350 cm3
Rapporto di compressione: 14-18
Potenza specifica: aspirati 10-20 kW/L;
sovralimentati 15-25 kW/L
Consumo specifico gasolio: aspirati 210-260
g/kWh; sovralimentati 195-230 g/kWh
Consumo specifico lubrificante: < 1g/kWh
Motori Formula 1
Nel 1950 potenze specifiche di 75 kW/L.
Nell’età del turbo con motori da 1,5 L di
cilindrata (contro i 3,0 L dei motori
normalmente aspirati) potenza specifica
di circa 560 kW/L.
Dal 1989 solo normalmente aspirati:
nel 2005 con motori 3,0 L V10 potenze
specifiche di 224 kW/L.
Dal 2006 2,4 L V8 circa il 20% in meno.
Regime max 19.000 giri/min.
Consumi di circa 75 L/100 km.
Innovazioni nei motori
Elettronica
►centralina di gestione (motore,
emissioni…)
►sensori
Common Rail con
►elettroiniettori
►piezoiniettori
Turbocompressore
Marmitta catalitica
Pompa di iniezione in linea
a stantuffi rotanti (Bosch)
-singola iniezione: 40-60 mm3
-una goccia di pioggia: 30 mm3
-200-400 bar
Pompa d'iniezione rotativa
a distributore (Bosch)
COMMON
RAIL
800-1.300 bar
Effetto
piezoelettrico
Singola Iniezione
con Iniettore
Piezoelettrico (PCR)
fino a circa 1 mm3
ed è possibile
frazionare l’iniezione
in modo più spinto
rispetto agli elettroiniettori.
Turbocompressore
Turbocompressore con
intercooler
Turbocompressore
TC a geometria variabile
Energia recuperata
dal turbocompressore
MARMITTA CATALITICA
Sonda l
Motori diesel
Motori diesel
Purtroppo le emissioni del motore diesel presentano una
composizione differente rispetto a quelli a benzina, infatti
oltre a NOx, CO e HC abbiamo anche la presenza di
particolato e di un’elevata quantità di O2. Questo
ossigeno impedisce al sistema TWC di poter ridurre gli
NOx (mentre le reazioni di ossidazione di CO e HC sono
favorite). Per questa ragione sono stati proposti alcuni
sistemi catalitici che potessero ridurre gli NOx in
condizioni ossidanti (Lean DeNOx).
Le tecnologie più studiate per l’abbattimento degli NOx in presenza
di ossigeno sono sostanzialmente tre:
1) Riduzione Catalitica Selettiva degli NOx (SCR)
2) Storage Reduction di NOx (NSR)
3) Storage Reduction di NOx e abbattimento del Particolato
(DPNR).
European emission standards for passenger cars
(Category M*), g/km
Tier
Date
CO
THC
NMHC
NOx
HC+NOx
PM
P***
Diesel
July 1992
2.72
(3.16)
-
-
-
0.97
(1.13)
0.14
(0.18)
-
Euro 2
January
1996
1.0
-
-
-
0.7
0.08
-
Euro 3
January
2000
0.64
-
-
0.50
0.56
0.05
-
Euro 4
January
2005
0.50
-
-
0.25
0.30
0.025
-
Euro 5
September
2009
0.500
-
-
0.180
0.230
0.005
-
Euro 6
(future)
September
2014
0.500
-
-
0.080
0.170
0.005
-
Euro 1†
