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
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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
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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.
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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.
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