MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI

MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TERORICI
1) In che modo può essere espresso il rendimento di un motore endotermico a
prescindere dal ciclo operativo (Otto, Diesel o Sabathè)?
Q0
L Q1 − Q0
η =
=
= 1−
Q
Q1
Q1
Il rendimento di un ciclo è espresso come il rapporto fra il lavoro L sviluppato
in un ciclo completo e il calore fornito Q1. Il lavoro, in base al primo principio
della Termodinamica (Q=L), può essere espresso come la differenza fra i
valori assoluti dei calori entranti e uscenti (Q1 –Q0). Ne consegue che il
rendimento è pari ad 1 meno il rapporto tra Q0 e Q1 quindi per tendere al
rendimento unitario dovremmo avere un calore disperso infinitamente piccolo
rispetto al calore entrante. (Q0<<Q1)
2) Riassumi brevemente il funzionamento di un motore endotermico.
Nei motori endotermici, in seguito alla combustione di combustibile e
comburente(aria), l’energia chimica del combustibile si trasforma in energia
di pressione e temperatura del fluido. Una parte di tale energia viene
trasferita all’organo mobile (ad esempio il pistone) trasformandosi da energia
di pressione e temperatura in energia meccanica mentre la restante parte
viene dispersa nell’ambiente e non può essere impiegata per produrre lavoro.
L’energia meccanica raccolta dai vari organi mobili converge su un unico
albero motore che eroga all’esterno la potenza meccanica in termini di coppia
e velocità angolare
P[W]=M[N*m]ω[rad/s]
3) Descrivi con uno schema a blocchi il principio di funzionamento dei motori
endotermici.
Vedi fig. 17.2 Pag. 6 Meccanica Fluidi 3
4) Riassumi brevemente le grandezze geometriche caratteristiche del motore
alternativo
L’Alesaggio è……La Corsa è……La Cilindrata unitaria è…La Cilindrata
del motore…Il Volume della camera di combustione è… La Cilindrata totale
è…La cilindrata totale del motore è…… Il Rapporto volumetrico di
compressione è…(“mi raccomando l’ ultimo!!!”)
5) Spiega la differenza tra un motore quattro tempi ed uno a due tempi
Nel motore a 4 tempi, il ciclo è realizzato mediante la successione di
quattro operazioni (i tempi appunto). Tali operazioni sono, in ordine:
aspirazione, compressione, combustione-espansione, scarico; ognuno di
questi tempi ha la durata completa di una corsa, per cui in un motore
monocilindrico 4 tempi il ciclo completo impiega due giri di albero motore
(4 tempi  4 corse  2 giri).
Nel motore a 2 tempi, il ciclo è realizzato mediante la successione delle
stesse quattro operazioni ma eseguite due per volte in contemporanea.
Si distinguono pertanto: un primo tempo durante il quale avvengono
contemporaneamente combustione-espansione e scarico ed un secondo
tempo durante il quale avvengono contemporaneamente aspirazione e
compressione; per un motore monocilindrico 2 tempi il ciclo completo
richiede un solo giro di albero motore.
6) Descrivi brevemente le fasi di un motore a quattro tempi, a ciclo Otto.
Il primo tempo, o fase di aspirazione, consiste nell’introdurre la miscela di
gas freschi all’interno del cilindro, richiamata dalla corsa di discesa del
pistone, mentre la valvola di aspirazione è aperta (il pistone discende a
causa dell’inerzia posseduta dal ciclo precedente o in fase di avviamento
perché trascinato dal motorino di avviamento).
Il secondo tempo, o fase di compressione, avviene in seguito alla corsa di
risalita del pistone, che comprime la miscela contenuta all’interno del
cilindro; la compressione è di tipo adiabatico.
Il terzo tempo, o fase di scoppio-espansione, avviene con il pistone al PMS
e con lo scoccare della scintilla alla candela; segue la corsa di discesa del
pistone, sotto la spinta dell’espansione adiabatica dei gas in combustione.
Le valvole di aspirazione e scarico sono chiuse.
Il quarto tempo, o fase di scarico, è realizzata dal pistone che, dopo aver
raggiunto il PMI, esegue la corsa di salita, durante la quale spinge i gas
combusti nel collettore di scarico attraverso la valvola di scarico aperta.
N.B.: In realtà ne la fase di compressione ne quella di espansione sono perfettamente
adiabatiche (cioè senza scambio di calore) poiché attraverso le pareti del cilindro durante
quelle fasi si disperde un po’ di calore. La ragione per cui si ritengono adiabatiche è che
la loro durata è brevissima (centesimi di secondo) e pertanto il calore disperso in quel
tempo è una piccolissima parte di quello introdotto in un ciclo.
7) Descrivi brevemente le fasi di un motore a due tempi, a ciclo Otto.
Il primo tempo, corrispondente con la corsa di discesa del pistone, consiste
nella combustione-espansione e nel travaso e scarico.
Mentre il pistone discende dal PMS al PMI, spinto dai gas in combustione
presenti nella parte superiore, comprime la carica fresca presente nella
parte inferiore. Verso la parte finale della fase di discesa un condotto
laterale mette in comunicazione le due camere consentendo che la carica
fresca appena compressa entri nella camera di combustione “lavando via”
i gas appena combusti.
Il secondo tempo corrispondente alla corsa di salita del pistone, consiste
nella compressione e aspirazione.
Mentre il pistone va dal PMI al PMS comprime la carica fresca appena
immessa in camera di combustione e nel frattempo nella parte inferiore
aspira nel carter la carica fresca per il prossimo ciclo.
8) In cosa consiste la sovralimentazione? Quale è il suo scopo?
L’alimentazione si dice di tipo naturale se il motore non dispone di mezzi
per forzare l’introduzione dell’aria in camera di combustione: è il solo
pistone che con il suo moto discendente crea una depressione nel cilindro e
nel collettore che richiama la carica dei gas freschi.
Il motore è invece sovralimentato (con sovralimentazione) se l’aria
aspirata è pompata nel cilindro mediante un dispositivo, avente funzione di
compressore, azionato dai gas di scarico (turbo-compressore) oppure
mosso direttamente dal motore (compressore).
Lo scopo è quello di ottenere maggiore potenza a parità di cilindrata
poiché comprimendo l’aria ne introduco di + a pari cilindrata, e quindi
introdurrò maggiore quantità di combustibile e quindi maggiore energia
nello stesso tempo e quindi maggiore potenza.
9) Ciclo Ideale Otto-Beau De Rochas
-Tracciare il diagramma nel piano p-v indicando le unità di misura
dell’asse X (volume massico m3/Kg) e dell’asse Y (pressione bar oppure
MPa).
Commentare le quattro fasi(introduzione di calore ed espansione
avvengono in una sola fase):
O-1 ASPIRAZIONE
1-2 COMPRESSIONE ADIABATICA (pvk=cost, lavoro entrante negativo
L1,2, adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.)
2-3 COMBUSTIONE: nel ciclo ideale si considera come una introduzione
di calore a volume costante poiché nei motori che hanno come ciclo di
riferimento questo (quelli a benzina) la combustione è così rapida da non
dare il tempo al pistone di muoversi sensibilmente variando il volume. (V2=
V3, Q1=cv(T3-T2), calore entrante positivo, ecc. ecc.)
3-4 ESPANSIONE ADIABATICA (pvk=cost, lavoro uscente positivo L3,4
adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.)
4-1 SCARICO: nel ciclo ideale si considera come una espulsione di calore
a volume costante (V4= V1, Q0=cv(T4-T1), calore uscente negativo, ecc. ecc.)
10) Parla estesamente del rendimento termico teorico del Ciclo Ideale Otto-Beau De
Rochas e del rapporto di compressione
Il rendimento può espresso in questa forma:
η TT = 1 −
1
ρ
k− 1
v
1
dove ρ = v è il rapporto volumetrico di compressione cioè il rapporto fra
2
il volume massico di inizio compressione e quello di fine compressione; in
altre parole ci dice quante volte riduciamo il volume del gas durante la
fase di compressione.
k è l’esponente dell’adiabatica e nel caso dell’aria vale 1,4
Si deduce quindi che, al crescere del rapporto di compressione, si ottiene
un aumento del rendimento del ciclo Otto ideale; infatti al crescere del
rapporto di compressione si riduce il valore del termine dopo il segno
meno e quindi il rendimento si avvicina all’unità. (ρ non può superare certi
valori…vedi domanda 14).
11) Ciclo Ideale Diesel
-Tracciare il diagramma nel piano p-v indicando le unità di misura
dell’asse X (volume massico m3/Kg) e dell’asse Y (pressione bar oppure
MPa).
Commentare le quattro fasi(introduzione di calore ed espansione
avvengono in una sola fase):
O-1 ASPIRAZIONE
1-2 COMPRESSIONE ADIABATICA (pvk=cost, lavoro entrante negativo
L1,2, adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.)
2-3 COMBUSTIONE: nel ciclo ideale si considera come una introduzione
di calore a pressione costante poiché nei motori che hanno come ciclo di
riferimento questo (quelli Diesel) la combustione è abbastanza graduale
da consentire al pistone di muoversi compensando la tendenza ad
incrementare la pressione con aumenti di volumi mantenendo la pressione
circa costante (P2= P3, Q1=cP(T3-T2), calore entrante positivo e lavoro
uscente positivo L2,3 ecc. ecc.)
3-4 ESPANSIONE ADIABATICA (pvk=cost, lavoro uscente positivo L3,4
adiabatica significa..(vedi DOMANDA 6)ecc.ecc.)
4-1 SCARICO: nel ciclo ideale si considera come una espulsione di calore
a volume costante (V4= V1, Q0=cv(T4-T1), calore uscente negativo, ecc. ecc.)
N.B. si potrebbe aggiungere tutto quello che abbiamo detto nella domanda
6 ed inoltre allacciarsi direttamente alla prossima domanda sul rendimento
termico-teorico!
12) Parla estesamente del rendimento termico teorico del Ciclo Ideale Diesel e del
rapporto di compressione
Il rendimento può espresso in questa forma:
1  τ k−1


ρ k − 1  k (τ − 1) 
v1
dove ρ = v è il rapporto volumetrico di compressione cioè il rapporto fra
2
η TT = 1 −
il volume massico di inizio compressione e quello di fine compressione; in
altre parole ci dice quante volte riduciamo il volume del gas durante la
fase di compressione.
τ =
v3
è il rapporto di combustione a pressione costante
v2
k è l’esponente dell’adiabatica e nel caso dell’aria vale 1,4
Si deduce quindi che, al crescere del rapporto di compressione, si ottiene
un aumento del rendimento del ciclo Diesel ideale come avviene anche nel
ciclo Otto ideale; infatti al crescere del rapporto di compressione si riduce
il valore del termine ρ
1
k−1
e quindi il rendimento si avvicina all’unità.
Possiamo però sottolineare che a pari rapporto di compressione, il
rendimento del ciclo Otto ideale risulta superiore a quello del ciclo Diesel
 τ k−1
ideale; infatti il valore di 
 è di norma >1 quindi va ad aumentare il
 k (τ − 1) 
1  τ k−1
valore da sottrarre all’unità k − 1 
.
ρ
 k (τ − 1) 
13) Parla del Ciclo Ideale Sabathè
A differenza del ciclo Otto in cui l’introduzione di calore è isovolumica e
del ciclo Diesel in cui l’introduzione di calore è isobara in questo ciclo la
fase di introduzione di calore è sdoppiata in due fasi consecutive e distinte,
una di tipo isovolumico, l’altra di tipo isobarico.
Tracciare il diagramma nel piano p-v indicando le unità di misura
dell’asse X (volume massico m3/Kg) e dell’asse Y (pressione bar oppure
MPa).
Commentare le varie fasi!
A parità di rapporto di compressione, il rendimento del ciclo Sabathè
Risulta intermedio fra quelli dei cicli Diesel e Otto.
14) Cosa risulta dal confronto dei vari cicli ideali
Se si fissano gli stessi valori per alcune grandezze caratteristiche (rapporto
volumetrico di compressione, temperatura massima raggiunta, calore
unitario introdotto ecc.) si osserva che il rendimento maggiore si ha nel
ciclo Otto e poi a seguire nel Sabathè e nel Diesel.
Tuttavia nella pratica costruttiva, mentre nei cicli Otto il rapporto di
compressione ρ non supera il valore 10, nei cicli Diesel e Sabathè esso
risulta tra 15 e 23. Pertanto questi ultimi, in particolare il cilco Sabathè, a
pari condizioni (fatta eccezione per ρ) raggiungono i rendimenti maggiori.
La ragione per cui nel ciclo Otto non possiamo superare certi valori di
rapporto di compressione è che in fase di compressione viene compressa
una miscela combustibile/comburente che con pressioni elevate andrebbe
incontro ad una auto-detonazione prima dello scoccare della scintilla con
conseguente combustione irregolare. Tale problema evidentemente negli
altri cicli non esiste poiché si comprime solo aria che non si incendierà a
causa dell’innalzamento di temperatura dovuto alla compressione.
15) Cosa è la pressione media di un ciclo?
La pressione media può essere definita come quel valore di pressione
costante che, se esercitata sul pistone durante tutta la corsa di espansione,
produce una quantità di lavoro pari al lavoro rappresentato dall’area
racchiusa dal ciclo.
La pressione media può essere intesa come il valore medio fra tutte le
pressioni agenti sul pistone durante lo svolgimento di un ciclo completo; è
una grandezza che prescinde dalla cilindrata, dalla potenza del motore e
dal tipo di ciclo.