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L’Unità didattica in breve
D1
Principi di funzionamento dei motori endotermici
Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 3 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A.
Nei motori endotermici l’energia chimica posseduta dal combustibile
viene trasformata dapprima in energia termica mediante la combustione, poi in energia meccanica.
La combustione tra combustibile e comburente (carica dei gas freschi) avviene all’interno del motore e il fluido che esegue la combustione
è il medesimo che aziona l’organo mobile del motore, che può essere rotante (turbina) o alternativo (motore a pistoni).
Si definisce carica dei gas freschi la miscela aria-combustibile introdotta all’interno del motore per eseguire un ciclo completo.
Si definisce fluido operativo l’insieme dei prodotti della combustione; essi costituiscono un fluido ad alta pressione e ad alta temperatura,
cioè a elevata entalpia; questo fluido agisce sull’organo meccanico mobile interno al motore.
Nel caso del motore alternativo l’organo mobile è il pistone, nel caso
del motore rotante a turbina è la paletta.
Una variante del motore alternativo con biella e manovella è il motore Wankel, il cui pistone ruota eccentrico intorno all’albero motore. I
motori a getto o endoreattori generano la spinta in seguito all’espansione dei gas combusti nell’ugello di scarico.
Architettura del motore endotermico alternativo
Per trasformare il moto da alternativo in rotante, si impiega il sistema biella-manovella. L’albero motore presenta una serie di manovelle
orientate fra loro. Su ogni perno di manovella è montata la biella, a sua
volta imperniata con il pistone su cui agisce la pressione dei gas. L’imbiellaggio è ospitato in un basamento, su cui è montata la testata con il
castello valvole.
Le valvole di aspirazione e scarico, comandate da assi a camme, mettono in contatto la camera di combustione con i collettori di aspirazione
e di scarico.
Le grandezze caratteristiche sono:
— alesaggio;
— corsa;
— cilindrata unitaria e totale;
— volume della camera di scoppio;
— rapporto di compressione.
Classificazioni dei motori endotermici alternativi
L’enorme varietà di realizzazioni dei motori endotermici comporta l’esigenza di stabilire categorie di classificazione, basate su diversi criteri
di confronto ed elencate di seguito.
In base al tipo di accensione del combustibile, si distingue fra
motori a scintilla o per compressione.
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MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TEORICI
D1
Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 3 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A.
In base al ciclo operativo si distingue fra motori a due o a quattro
tempi.
In base allo svolgimento della combustione si hanno motori in
cui la combustione avviene a volume costante (ciclo Otto), a pressione
costante (ciclo Diesel), mista a volume e a pressione costante (ciclo Sabathè).
In base al sistema di alimentazione del combustibile si distingue fra motori AS (per carburazione) e motori AC (per iniezione).
In base al sistema di alimentazione dell’aria comburente il motore può essere aspirato o sovralimentato.
In base al combustibile si distingue fra motori alimentati a benzina o a gasolio.
In base al tipo di raffreddamento che può essere a liquido o ad aria.
In base al sistema elettrico di accensione nei motori AS, ovvero
a batteria e spinterogeno oppure di tipo elettronico statico.
In base al sistema di iniezione nei motori AC, che può essere a
iniezione diretta o indiretta.
In base al tipo di impiego, ovvero per impianti fissi, autotrazione,
propulsione navale o per aeromobili.
In base alla disposizione dei cilindri si distingue fra motori mono
o pluricilindrici, in linea o a V.
In base al regime di funzionamento si hanno motori lenti, medi
o veloci.
Cicli teorici dei motori endotermici
I cicli ideali godono di diverse proprietà, le più importanti delle quali
sono indicate di seguito:
— sono cicli chiusi, ideali, percorsi da 1 kg d’aria che si comporta da gas
ideale;
— gli scambi di calore con il termostato superiore e con il termostato
inferiore avvengono senza trasporto di materia;
— lo studio dei cicli ideali prescinde dalle dimensioni del motore che lo
esegue, dal parametro tempo e dai moti degli organi interni.
Ciclo ideale Otto - Beau de Rochas
Il ciclo Otto è formato da una compressione adiabatica, un’introduzione di calore isovolumico, un’espansione adiabatica e uno scarico di
calore isovolumico. Il rendimento è funzione non lineare del rapporto
volumetrico di compressione.
Ciclo ideale Diesel
Il ciclo Diesel è formato da una compressione adiabatica, un’introduzione di calore isobarico, un’espansione adiabatica e uno scarico di calore
isovolumico. Il rendimento è funzione non lineare del rapporto volumetrico di compressione e del rapporto di combustione a pressione costante τ '.
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MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TEORICI
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Ciclo ideale Sabathè
Il ciclo Sabathè è formato da una compressione adiabatica, due introduzioni di calore, una isovolumica e una isobara, un’espansione adiabatica
e uno scarico di calore isovolumico. Il rendimento è funzione non lineare
del rapporto volumetrico di compressione, del rapporto di combustione a
pressione costante τ ' e del rapporto di combustione a volume costante τ.
Meccanica, Macchine ed Energia – articolazione Energia 3 – Giuseppe Anzalone, Paolo Bassignana, Giuseppe Brafa Musicoro • Copyright © Ulrico Hoepli Editore S.p.A.
Cicli ideali a confronto
A pari rapporto di compressione e a pari calore introdotto, il ciclo Otto
ha il rendimento ideale maggiore rispetto a quello del ciclo Diesel. In
pratica, mentre nei cicli Otto di solito non si supera il valore ρ = 10, nei
cicli Diesel e Sabathè esso si situa fra 15 e 23, pertanto i motori a ciclo
Sabathè raggiungono i rendimenti maggiori. Fra tutti i cicli operanti
fra il medesimo intervallo di temperature, il ciclo di Carnot raggiunge i
rendimenti massimi. Per ottenere i rendimenti più elevati, nei cicli dei
motori endotermici occorre raggiungere i più alti valori di pressione e
temperatura, facendo svolgere ai gas la più ampia espansione possibile,
in modo da riversare nell’ambiente la minore quantità di calore attraverso i fumi di scarico.
Pressione media
La pressione media è definita come rapporto fra il lavoro Ltot, erogato
dalla massa m di gas che esegue il ciclo ideale, e la cilindrata spazzata
dal pistone durante una corsa. Il lavoro Ltot è pari al prodotto del lavoro
unitario L per la massa m della carica dei gas freschi. La pressione media è 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.
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MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TEORICI
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PROBLEMI DI RIEPILOGO
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1.
Il motore automobilistico 940 A2 (Fiat Powertrein Technologies), della
vettura Alfa Romeo modello MiTo, ha quattro cilindri in linea con alesaggio A = 72 mm e corsa C = 84 mm. Il rapporto volumetrico di compressione vale ρ = 9,8. Calcolare la cilindrata totale del motore V e il volume della
camera di scoppio Vcc, espresso in centimetri cubi.
2.
Una massa di 1 kg d’aria esegue un ciclo Otto ideale. Nel punto 1 di
inizio della compressione adiabatica la pressione vale p1 = 0,95 bar,
mentre la temperatura vale t1 = 24 °C; il rapporto volumetrico di compressione è ρ = 8,7; nel corso dell’isovolumica, compresa fra i punti 2 e
3, viene introdotto il calore unitario Q1 = 1780 kJ/kg. Calcolare i valori
di p, v e T per tutti i punti del ciclo.
3.
Nella tabella 1.3 sono riportati alcuni valori di pressione, volume massico e temperatura per 1 kg d’aria che esegue un ciclo Otto ideale 1-23-4-1. Il rapporto volumetrico di compressione è ρ = 9,2. Calcolare i
valori mancanti nella tabella, i calori unitari scambiati e le variazioni
di entropia.
Tabella 1.3Valori di pressione, volume massico
e temperatura per i quattro punti
caratteristici di un ciclo Otto
Punto
p [bar] Grandezza fisica
v [m3/kg]
T [K]
1
0,95
297
2
3
3305,4
4
4.
Una massa di 1 kg d’aria esegue un ciclo Diesel ideale. Nel punto 1 di inizio della compressione adiabatica, la pressione vale p1 = 1,05 bar, mentre
la temperatura vale T1 = 292 K; il rapporto volumetrico di compressione
è ρ = 20,5. Il rapporto di combustione a pressione costante vale τ ' = 2,7.
Calcolare i valori di p, v e T per tutti i punti del ciclo e con essi compilare
una tabella riassuntiva simile alla tabella 1.3.
5.
Utilizzando i valori di p, v e T dell’esercizio precedente, calcolare i valori dei calori scambiati, del lavoro ideale L e del rendimento η.
6.
Calcolare il rendimento di un ciclo Sabathè, noti il rapporto volumetrico
di compressione ρ = 21, il rapporto di combustione a pressione costante
τ ' = 2,7 e il rapporto di combustione a volume costante τ = 3,4.
7.
Durante il funzionamento a carico parziale, il motore per autocarro
Cursor 10 IVECO eroga un lavoro ideale Lid = 824 kJ/kg, con pressione
media pm = 16 bar, secondo un ciclo ideale di tipo Sabathè; la carica dei
gas freschi introdotta a ogni ciclo vale m = 200 g. Calcolare la cilindrata
spazzata, l’alesaggio A e la corsa C, sapendo che il motore è un sei cilindri, con rapporto corsa/alesaggio pari a 1,12.
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MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA: CLASSIFICAZIONE E CICLI TEORICI
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