Funzionamento reale dei MCI Funzionamento reale
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Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T pc − pcil ρc Ap2 Ap2 = 2c 2 n 2 ∑ β j 2 + (1 + β va ) 2 ∝ c 2 n 2 Aj Ava j Effetto RAM Effetti di risonanza delle onde di pressione nei condotti Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T Nel momento in cui si apre la valvola di scarico viene generata un'onda di compressione che propaga verso l'uscita del condotto di scarico a causa della differenza di pressione tra l'interno del cilindro e il collettore. Quando l’onda raggiunge l'estremità del sistema di scarico essa verrà si riflessa come un'onda di espansione che risale il sistema di scarico sino ad arrivare al cilindro per essere nuovamente riflessa verso l'uscita. Il moto di ciascuna onda è quindi periodico e tende ad attenuarsi per la presenza di effetti dissipativi. 1 Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T t1 / 3 = l kRT + v t2 / 4 = l kRT − v 4 Si hanno le migliori prestazioni quando ∑t i =1 i = 1 2n Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T Altri Fattori che influenzano il valore del coefficiente di riempimento Pressione e temperatura nell'ambiente di aspirazione Sperimentalmente si trova che λv è proporzionale a Ta0.5 ed è indipendentemente dal valore della pressione ambiente. Pressione e temperatura dei gas residui La pressione dei gas residui alla fine della fase di espulsione influenza notevolmente il coefficiente di riempimento. Infatti all'aumentare di tale pressione cresce la massa dei gas residui nel cilindro. Ne deriva una riduzione del volume disponibile per il riempimento del cilindro con la carica fresca. La temperatura non influenza in maniera significativa il coefficiente di riempimento 2 Funzionamento reale dei MCI Influenza delle condizioni ambiente sulle prestazioni 1° approssimazione: rendimento organico costante 2° approssimazione: rendimento organico dipendente dalle condizioni ambiente Funzionamento reale dei MCI Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T 1° Approssimazione 2° Approssimazione 3 La sovralimentazione motori alternativi a combustione interna La sovralimentazione SCOPO: ottenere maggiore potenza a parità di cilindrata LIMITI: detonazione aumento delle sollecitazioni meccaniche sollecitazioni termiche Esempio: Diesel 4T, 6 cilindri Aumentando la pressione di 35%, la PME aumenta del 55% e le sollecitazioni del 20%. 4 Modalità Sovralimentazione di base Pre-alimentazione (lavaggio) Post-alimentazione PREALIMENTAZIONE E POSTALIMENTAZIONE Sovralimentazione di base A turbocompressore a gas di scarico Con compressore a comando meccanico Compressori centrifughi Compressori Root 5 Sovralimentazione di base Compressore a comando meccanico 1) Aumento della pressione nel ciclo 2) Area del ciclo d’aspirazioneespulsione 3) Aumento della cilindrata utile (compressione dei gas residui) Sovralimentazione di base Compressore a comando meccanico λv λv ' 1 λ m 1 Pa ' pmi ' = pmi µ λ =1 + 1− ρ −1 Pc Ps = Pa ' v + Pc − Pa v 6 Sovralimentazione di base Compressore a comando meccanico λv' +c pme ' = pmi ' − a + b µ λv C rappresenta il contributo di lavoro assorbito dal compressore a + bµ η ' o = 1− λ v' +c λv pmi ' Sovralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico Ad impulsi A pressione costante Gas alla pressione di scarico Gas inviati in un collettore Picchi di pressione Pressione costante Ps>Pa Variazione del rapporto u/c1 nella turbina Lavoro disponibile maggiore per il compressore 7 Sovralimentazione di base Ad impulsi Sovralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico a pressione costante La sovrapressione allo scarico riduce il lavoro utile del motore rendendolo disponibile per la compressione dell’aria 8 Sovralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico Pt = Pc k' − 1 k−1 k ' G cp pc k ps η t G ' c p ' TF Ta − 1 −1 = pa ηc p a La relazione tra ps e pc dipende dal rapporto tra le temperature e dai rendimenti del turbocompressore; pc in genere è maggiore di ps Sovralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico k ' −1 k' p Pt = G ' c p ' Ts η t 1 − a ps T p 4 tempi Ts = 4 1 + s (k '−1) k ' p4 nei motori Diesel Ts=120-800 °C 9 Sovralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico 1 λ v' 1 Ps m ' =1 + 1− λv ρ − 1 Pc pmi ' = pmi µ λ λ ' v + Pc − Ps v Ps ≠ Pa Contropressione allo scarico ps>pa Effetto di ricompressione inferiore Effetto minore sul ciclo di pompaggio Assenza del lavoro assorbito dal compressore (c =0 ) Sovralimentazione di base Turbo compressore a gas di scarico λv' pme ' = pmi ' − a + b µ λv a + b µ η ' o =1 − λ v' λv pmi ' 10 Sovralimentazione di base Sovralimentazione di base 11 Sovralimentazione di base Sovralimentazione di base Transitori: - turbolag per l’accelerazione del turbogruppo; - problemi di cattiva combustione legati alla riduzione di α 12 Sovralimentazione di base Se il turbogruppo è scelto per dare alta coppia a basse velocità, alle alte velocità la pressione fornita dal compressore diventa troppo alta. Per evitare ciò si utilizza una valvola di by-pass che limita la pressione scaricando una parte dei gas residui. Sovralimentazione di base KOMPRESSOR 13 Sovralimentazione 2 TEMPI TURBOCOMPRESSORE PROBLEMA DEL LAVAGGIO (strozzatura della luce di scarico che si può sfruttare con una turbina che alimenta il compressore) 4 tempi Ts ( 2T ) Ts = = Ts T4 ps 1 + (k '−1) k ' p4 ( 4T ) ( − ( 1 − η lv ) Ts ( 4T ) − Tc ) Sovralimentazione 2 TEMPI COMANDO MECCANICO Quando il pistone scende i gas residui vanno nel collettore chiuso Si apre lo scarico La pressione si abbassa e inizia il lavaggio grazie all’apertura della valvola automatica Quando il pistone risale e chiude lo scarico si apre la valvola comandata di sovralimentazione 14 Osservazioni L’efficienza delle macchine dinamiche aumenta con la dimensioni perché le perdite per fuga intorno alle palette diventano meno significative. Ciò è maggiormente vero per le macchine assiali Nelle applicazioni motoristiche si utilizzano macchine radiali anche se queste hanno rendimenti peggiori rispetto a quelle assiali per grandi portate. La scelta del compressore è critica a causa dei fenomeni di instabilità (pompaggio e stallo). I compressori centrifughi risentono meno della variazione di condizione del flusso e possono raggiungere più alti rapporti di compressione con un solo stadio (4-5) Osservazioni Nelle applicazioni marine si usano compressori centrifughi e turbine assiali che hanno una migliore efficienza. Nelle applicazioni automobilistiche si usano compressori centrifughi e turbine centripete. Nel caso di sovralimentazione ad impulsi, il rendimento della turbina è molto variabile. Per alti rapporti di espansione è necessario adottare turbine multistadio e quindi conviene usare sistemi a pressione costante. COMPRESSORE CENTRIFUGO ηϑ = 65 ÷ 75% TURBINA CENTRIPETA ηϑ = 70 ÷ 85% 15 Osservazioni L’accoppiamento di un motore alternativo con una turbomacchina non è di per sé vantaggioso per le differenti velocità di rotazioni con cui lavorano le due macchine. Inoltre, il motore alternativo funziona a n variabile mentre le turbomacchine sono ottimizzate per un solo punto di funzionamento (legato alla geometria della palettatura) Il primo passo per effettuare l’accoppiamento è il calcolo della portata, avendo fissato Pc in base alle prestazioni volute: Ga = λv ρC V n Osservazioni Nota la portata determino la dimensione di massima del turbogruppo. Il compressore sarà scelto in relazione alla velocità e al range di carico del motore. Sovrappongo le curve caratteristiche del compressore con quelle del motore e verifico la presenza di un margine sufficiente rispetto al pompaggio. Una volta scelto il compressore individuo la turbina. La turbina viene regolata variando la geometria del distributore. La potenza della turbina è controllata dall’area effettiva di passaggio. 16 Osservazioni Curve caratteristiche del motore: n costante: aumentando il carico, la portata aumenta proporzionalmente all’aumento di densità ovvero di Pc. carico costante: aumentando n, cresce la portata in turbina e quindi al pressione di alimentazione Osservazioni Curve caratteristiche per una turbina radiale 17 Osservazioni Nell’accoppiamento devo garantire un margine sufficiente tra il pompaggio e il punto di funzionamento più vicino del motore: • natura pulsante del flusso; • le condizioni di funzionamento del motore possono discostarsi da quelle di progetto (intasamento del filtro dell’aria, altitudine variata) La turbina è meno sensibile al variare delle condizioni del fluido e quindi il suo comportamento è meno critico per l’accoppiamento. Osservazioni La sovralimentazione a turbogruppo è molto popolare per applicazioni automobilistiche perché consente di usare, a parità di potenza, unità più piccole, leggere e compatte. Ciò è essenziale se si vogliono avvicinare le prestazioni dei motori diesel a quelle dei motori ad accensione comandata. Nei mezzi pesanti, l’alleggerimento del motore consente di aumentare il carico pagante; quando il veicolo è scarico il peso è ridotto e ciò migliora i consumi di combustibile. 18 Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto La sovralimentazione di un motore ad accensione comandata è più difficile: ¤ ¤ ¤ maggiore variabilità della portata aspirata ¤ il consumo specifico non è necessariamente migliore nel caso di sovralimentazione ¤ è necessario ridurre il rapporto di compressione riducendo il rendimento del ciclo risposta rapida nei transitori accurato controllo per evitare pre-accensione e detonazione Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto Nel caso di motori a carburatore: ¤ se il carburatore è a valle del compressore, la pressione in ingresso carburatore è variabile e il funzionamento non è ottimale; ¤ se il carburatore è a monte del compressore si deve comprimere la miscela aria-combustibile; si ottiene una miscela più omogenea. ¤ la compressione è refrigerata dal processo di evaporazione ma non si può refrigerare la carica a valle del compressore se si vogliono evitare depositi di carburante, pericolo di stallo. 19 Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto I turbogruppi soffrono del cosiddetto “turbo-lag”; Quando il carico del motore o la velocità aumentano, solo una parte dell’energia disponibile dalla turbina è utilizzabile come lavoro di compressione; il resto serve per accelerare il turbogruppo. La presenza di volumi non trascurabili in aspirazione e scarico producono ritardi addizionali che peggiorano la resistenza al transitorio. Il turbolag è più critico per questi motori a causa della prontezza di risposta richiesta. Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto INTERCOOLER L’interrefrigerazione consente di aumentare le prestazioni di un motore sovralimentato riducendo la temperatura di ammissione dell’aria nel motore La portata di aria immessa aumenta essendo aumentata la densità corretta. La minore temperatura in ingresso riduce i livelli di temperatura in tutto il ciclo aumentando il ritardo di accensione e riducendo il carico termico sul motore. 20 Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto INTERCOOLER Nonostante tali vantaggi, l’intercooler non è sempre usato in quanto il suo costo e la sua complessità non sono giustificati per motori di medie prestazioni, infatti i bassi rapporti di sovralimentazione possono determinare problemi di dimensioni eccessive a bordo vettura. Efficienza dell’intercooler ε= T −T calore trasferito = c calore massimo trasferibile Tc − Ta Sovralimentazione dei motori a ciclo Otto … INTERCOOLER Inoltre, il volume aggiuntivo dell’intercooler potrebbe influenzare le prestazioni del motore durante il transitorio. 1° caso: uguale portata di carburante l’intercooler aumenta la portata di aria aumentando il rapporto aria/combustibile; le temperature nel ciclo e la temperatura di scarico si riducono. La potenza specifica in turbina si riduce mentre il rapporto di compressione del compressore non cambia. Gli scambi termici si riducono migliorando le prestazioni e riducendo i consumi. 2° caso: uguale carico termico mantenendo costante il rapporto aria/combustibile le prestazioni aumentano notevolmente e il consumo specifico migliora perché le perdite meccaniche aumentano meno rispetto alle prestazioni. 21 Conclusioni La sovralimentazione consente di migliorare le prestazioni del motore con piccoli aumenti del volume e del peso del motore Il consumo di combustibile nei motori Diesel è migliorato dalla sovralimentazione perché l’aumento delle perdite meccaniche è piccolo rispetto all’incremento di prestazioni Nei motori a benzina la sovralimentazione richiede la riduzione del rapporto di compressione per evitare la detonazione. Le portate relativamente basse portano all’uso di turbine e compressori radiali Motore WANKEL 22 Motore WANKEL Motore WANKEL 23 Motore WANKEL Pregi: Leggero e compatto. Trasmissione di potenza meno ruvida. Miglior sfruttamento della combustione: durante l'espansione l'albero ruota di 270° anziché 180°; questo comporta una maggior potenza di un motore tradizionale a parità di cilindrata. Minor componenti in movimento: non è necessario l'uso di valvole e di conseguenza del sistema di distribuzione. Aspirazione ed espulsione sono determinati direttamente dalla geometria del motore; in questo modo si possono raggiungere elevati regimi di rotazione. Motore WANKEL …Continua Assenza o riduzione delle forze non bilanciate, in quanto non essendo presenti parti dotate di moto alternativo, è realizzabile un naturale o facile equilibratura. Poiché la camera di aspirazione è separata da quella di combustione, è possibile alimentare il motore ad idrogeno senza il rischio di ritorni di fiamma e di autoaccensioni. 24 Motore WANKEL Difetti: Il rendimento del motore Wankel e inferiore a quello dei moderni motori alternativi perché temperatura e pressione massime sono inferiori per i rapporti di compressione necessariamente bassi (non oltre 7,5:1) e quindi i consumi sono più elevati. La superficie dello statore, esposta da un lato al calore della combustione e dall'altro al fluido refrigerante, è ben superiore a quella del motore alternativo e ciò ha effetti negativi sul rendimento energetico (maggiore dispersione di calore) e sulla distribuzione delle temperature. Scarsa affidabilità dei segmenti di tenuta che hanno la funzione delle tradizionali fasce elastiche, il consumo d'olio e di conseguenza l'alta emissione di sostanze inquinanti. Costi di produzione. 25
