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Principi di base per lo studio dei motori alternativi a combustione interna P. De Palma, M. Napolitano, G. Pascazio 8 gennaio 2013

Indice 1 Generalit` a 1.1 Classif icazioni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Ciclo di funzionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Costituzione della macchina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4 6

2 Parametri fondamentali di funzionamento 2.1 Parametri geometrici . . . . . . . . . . . . 2.2 Lavoro, potenza e pressione media . . . . . 2.3 Cicli e rendimenti . . . . . . . . . . . . . . 2.4 Il rendimento organico . . . . . . . . . . .

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3 Il ciclo ideale 3.1 Fase di fornitura di calore . . . . 3.2 Fase di cessione di calore . . . . . 3.3 Cicli tipici . . . . . . . . . . . . . 3.4 Calcolo del ciclo ideale . . . . . . 3.4.1 Fase di compressione . . . 3.4.2 Fase di fornitura di calore 3.4.3 Fase di espansione . . . . 3.4.4 Fase di cessione di calore .

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31 31 32 33 36 37 37 39

4 Il ciclo limite 4.1 Fase di aspirazione . 4.2 Fase di compressione 4.3 Fase di combustione 4.4 Fase di espansione . 4.5 Fase di scarico . . . . 4.6 Temperatura di inizio 4.7 Esempio di calcolo .

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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . compressione . . . . . . . .

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INDICE 4.8 4.9

Confronto tra ciclo ideale e ciclo limite Otto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Confronto tra ciclo ideale e ciclo limite Sabath`e . . . . . . . . . . . . . . . . .

5 Funzionamento reale del motore 5.1 Il rendimento indicato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Aspirazione, espulsione e scarico nei motori 4T . . . . . . . . . . . . 5.2.1 Pressione all’interno del cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Temperatura di fine aspirazione . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Coefficiente di riempimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.1 Velocit` a di rotazione del motore e fenomeni ad essa connessi 5.3.2 Pressione e temperatura nell’ambiente di aspirazione . . . . 5.3.3 Pressione e temperatura dei gas residui . . . . . . . . . . . . 5.4 Espressione della pme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 Variazione delle prestazioni al variare delle condizioni ambiente . . . 5.6 Regolazione del motore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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41 41 44 44 49 52 53 54 54 59 59 59 59 60

6 Curve caratteristiche

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7 Esercizi

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La presente raccolta di appunti, per il corso di Sistemi Energetici I + Macchine a Fluido I della Laurea in Ingegneria Meccanica, costituisce una breve sintesi dei principi di base per lo studio dei motori alternativi a combustione interna. Nella sua forma attuale essa non pu` o essere considerata completa. I testi di riferimento per uno studio pi` u completo e approfondito sono elencati in bibliografia. Da alcuni di essi `e stata tratta la maggior parte delle figure che compaiono nella presente raccolta.

` 1 GENERALIT A

1 1.1

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Generalit` a Classificazioni

I motori alternativi a combustione interna sono macchine che hanno lo scopo di trasformare in energia meccanica la maggior parte del calore derivante dalla combustione di sostanze combustibili all’interno della macchina. Il fluido attivo `e costituito dai prodotti della combustione che imprimono il movimento ad un pistone collegato mediante un manovellismo all’albero motore. Le caratteristiche generali di queste macchine (consumi, leggerezza, rumorosit` a, costi) fanno s`ı che attualmente esse costituiscano il tipo di propulsore largamente pi` u utilizzato per l’autotrazione. La macchina pu`o essere costituita da uno o pi` u cilindri a tenuta all’interno dei quali scorrono i pistoni. Il funzionamento `e ciclico: ciascun ciclo inizia con l’introduzione del fluido fresco (carica) all’interno del cilindro e termina con espulsione dei gas combusti. La sostituzione della carica avviene mediante un sistema di distribuzione basato su valvole comandate o luci (di aspirazione e di scarico). Il fluido immesso nel cilindro pu`o essere costituito da una miscela di aria e combustibile oppure da aria e combustibile forniti separatamente. L’energia sprigionata dalla reazione di combustione causa un innalzamento della pressione e della temperatura dei gas combusti che espandendosi spingono il pistone fornendogli lavoro. Le caratteristiche dei motori e le loro prestazioni sono fortemente collegate al tipo di combustibile utilizzato, che usualmente, pu` o essere liquido (benzina, gasolio, nafte, alcooli, ecc.) o gassoso (metano, GPL, idrogeno, ecc.). Nel caso in cui il combustibile ha un elevato grado di volatilit` a, `e possibile formare una miscela con il comburente la cui combustione pu` o essere innescata da una o pi` u scintille. Invece, se il combustibile e` poco volatile, esso deve essere iniettato nella massa del comburente, al momento opportuno, finemente polverizzato in modo da facilitare l’innesco della combustione. Questa `e provocata dalla elevata temperatura raggiunta dall’aria in seguito alla forte compressione subita ad opera del pistone. In base a queste modalit`a di funzionamento, tali macchine vengono, rispettivamente, classificate come motori a combustione interna ad accensione comandata (AC) o ad accensione spontanea (AS) (anche ad accensione per compressione). La distinzione tra i due tipi di macchine non si limita, per`o, alla modalit`a di accensione, bens`ı interessa tutta la fase di combustione. Infatti, nei motori AC, l’accensione innescata in una o pi` u punti della miscela per mezzo di scintille, si propaga a tutta la massa con una progressione che dipende dalle leggi di propagazione del calore, delle onde di compressione e della velocit` a della reazione chimica. Invece, nei motori AS, se la durata della combustione delle goccioline `e breve rispetto alla durata dell’iniezione, allora il procedere della fase di combustione pu`o essere controllato dal ritmo dell’iniezione, attraverso opportuni meccanismi. Un ciclo completo di lavoro del motore si effettua solitamente in uno o due giri dell’albero (rispettivamente due o quattro corse del pistone) per cui si ha una ulteriore distinzione in motori a due tempi (2T) o a quattro tempi (4T).

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Figura 1.1: Fasi del ciclo a quattro tempi.

1.2

Ciclo di funzionamento

In generale una macchina a fluido volumetrica `e caratterizzata dal fatto di avere camere a volume reso periodicamente variabile dallo spostamento relativo di una porzione della sua superficie rispetto alla parte complementare. Nel caso in considerazione, tale camera `e delimitata dalla testa e dalla superficie laterale del cilindro e dal pistone in esso scorrevole con moto alterno. Le posizioni in cui il volume della camera `e massimo o minimo si chiamano punti morti (vedi figura 2.1). In corrispondenza di essi la velocit`a del pistone e la potenza istantanea erogata sono nulle. In particolare, il punto morto corrispondente al volume minimo si chiama punto morto superiore (PMS), mentre quello corrispondente al volume massimo si chiama punto morto inferiore (PMI). La macchina si dice a doppio effetto se il cilindro ha due teste opposte e il pistone divide il volume interno al cilindro in due camere utili al funzionamento del motore. Se il cilindro ha una sola camera utile la macchina si dice a semplice effetto. Nei motori 4T il ciclo pu`o essere suddiviso nelle seguenti fasi (figura 1.1): 1. Fase di aspirazione: il pistone si muove dal PMS verso il PMI aspirando all’interno del cilindro la carica fresca. Per aumentare la massa introdotta la valvola di aspirazione si apre prima dell’inizio di tale fase e si chiude dopo la fine della stessa. 2. Fase di compressione: il pistone si muove dal PMI verso il PMS Avviene con le valvole chiuse e la carica viene compressa sino ad una piccola frazione del suo volume iniziale. Verso la fine di tale fase inizia la combustione per cui si ha un repentino incremento di pressione. 3. Fase di espansione: il pistone si muove dal PMS verso il PMI I gas combusti, ad elevata temperatura e pressione, spingono il pistone fornendogli lavoro. Verso la fine di tale fase, prima del PMI, la valvola di scarico si apre consentendo la rapida fuoriuscita dei gas

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Figura 1.2: Fasi del ciclo a due tempi. combusti e l’abbassamento della pressione a valori prossimi alla pressione dell’ambiente di scarico. 4. Fase di espulsione: il pistone si muove dal PMI verso il PMS. I gas combusti fuoriescono dapprima spontaneamente e poi sotto l’azione della spinta del pistone. Prima che il pistone raggiunga il PMS la valvola di aspirazione si apre. Subito dopo il PMS la valvola di scarico si chiude e il ciclo si ripete. I motori 2T sono stati realizzati per ottenere una potenza maggiore a parit` a di volume del motore e un sistema di distribuzione pi` u semplice. Le fasi caratteristiche del funzionamento di tali motori sono (figura 1.2): 1. Fase di compressione: il pistone si muove dal PMI verso il PMS La fase ha inizio quando il pistone (che funziona anche come organo della distribuzione) ha chiuso sia la luce di scarico che quella di immissione. La carica fresca viene compressa. Prima che il pistone raggiunga il PMS la combustione ha inizio. 2. Fase di espansione: il pistone si muove dal PMS verso il PMI. I gas combusti, ad elevata pressione, spingono il pistone fornendogli lavoro. Prima di arrivare al PMI, il pistone scopre la luce di scarico e poi quella di immissione. Gran parte dei gas combusti fuoriescono spontaneamente dal cilindro per l’azione dell’elevata pressione interna. Poi, attraverso la luce di immissione comincia ad entrare la carica fresca precedentemente compressa. La compressione della carica pu` o avvenire ad opera di un apposito organo detto pompa di lavaggio oppure, nei motori leggeri, del pistone stesso che comprime l’aria presente nel carter durante la sua corsa dal PMS verso il PMI (carter-pompa, vedi figura 1.2). La carica fresca, entrando nel cilindro, spazza davanti a s`e i gas combusti residui spingendoli attraverso la luce di scarico. Tale processo `e detto lavaggio. In genere le luci e il pistone hanno una geometria tale da non permettere il diretto fluire della carica fresca dalla

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luce di immissione a quella di scarico, bens`ı, si cerca di imporre alla carica entrante un percorso che ottimizzi il lavaggio del cilindro (vedi figura 1.2), che, ovviamente, non `e mai perfetto. Da un lato il motore 2T comporta una pi` u razionale disposizione costruttiva, ottenuta separando le funzioni di organo motore e pompa, rispetto al motore 4T, in cui le due funzioni sono attribuite al pistone. Dal punto di vista delle dimensioni in rapporto alla potenza sviluppata, il motore 2T `e vantaggioso solo se viene adottata la soluzione con carter-pompa, altrimenti bisogna prevedere anche la presenza della pompa separatamente. Inoltre, lo svantaggio maggiore del motore 2T rispetto a quello 4T `e nel fatto che una parte della carica fresca viene inevitabilmente persa durante la fase di lavaggio. Nei motori AC ci` o pu`o essere tollerato solo per piccole potenze. Questo svantaggio non esiste nei motori ad iniezione diretta.

1.3

Costituzione della macchina

Il moto dello stantuffo ed il lavoro fatto dal gas su di esso vengono trasmessi all’albero attraverso una catena cinematica costituita da spinotto, biella e manovella nei motori leggeri o veloci; nei motori pesanti o lenti tale catena pu`o essere presente anche una testa a croce. Nelle figure 1.3 e 1.4 sono riportate, rispettivamente, le sezioni trasversali di un vecchio motore veloce e di un vecchio motore lento utili didatticamente per evidenziare le parti fondamentali che costituiscono la macchina. I cilindri sono contenuti nel blocco. Tradizionalmente il blocco `e fabbricato in ghisa grigia che garantisce una lunga durata e un costo abbastanza basso. I passaggi per il fluido refrigerante sono ricavati nel blocco al momento della fusione. I grossi motori spesso utilizzano camicie cilindriche che vengono pressate nel blocco e che possono essere sostituite se logore. Queste camicie possono essere a diretto contatto con il fluido refrigerante o a secco. Per ridurre il peso, nel caso di piccoli motori, si possono utilizzare blocchi in alluminio. Canne cilindriche in ferro sono inserite al loro interno. L’involucro esterno (incastellatura) spesso costituisce un pezzo unico con il blocco e ha il compito di collegare i cilindri con il basamento. Su quest’ultimo si scaricano le forze dovute all’azione del fluido motore e le forze di inerzia. L’albero motore tradizionalmente `e fabbricato in acciaio. Per i motori automobilistici viene utilizzata anche ghisa nodulare. Esso `e supportato mediante i supporti di banco (che sono parte del basamento) ed `e costituito dai perni di banco e da parti eccentriche (manovelle) in numero pari al numero dei cilindri. In corrispondenza di ciascuna manovella vi `e un perno sul quale `e collegata la testa della biella. I collegamenti dei perni di banco e dei perni di manovella sono realizzati mediante cuscinetti in bronzo, alluminio o in lega di stagno e piombo. La coppa dell’olio, che chiude inferiormente il carter, `e realizzata in acciaio o alluminio e ha lo scopo di raccogliere l’olio di lubrificazione (ed eventualmente di raffreddarlo). I pistoni sono in alluminio nei motori pi` u piccoli o in ghisa nei motori pi` u grandi e lenti. Il pistone ha il compito di sigillare il cilindro e di trasmettere la forza proveniente dal fluido motore al perno di manovella attraverso la biella. La biella pu` o essere fabbricata in acciaio o, nei motori piccoli, in alluminio. Essa `e collegata, in corrispondenza del piede di biella, al pistone mediante uno spinotto in acciaio, di solito cavo per ridurne il peso. A causa del moto alternativo, la biella

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Figura 1.3: Sezione trasversale di un motore veloce. 1. Filtro aria. 2. Carburatore. 3. Testata 4. Condotto di scarico. 5. Blocco cilindri (monoblocco). 6. Pistone. 7. Alternatore. 8. Biella. 9. Albero motore. 10. Coppa olio. 11. Pompa olio. 12. Albero a camme. 13. Asta bilancieri. 14. Spinterogeno. 15. Candela. 16. Valvola di scarico. 17. Bilanciere.

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Figura 1.4: Sezione trasversale di un motore lento. 1. Iniettore. 2. Testata. 3. Collettore di lavaggio. 4. Luci di lavaggio. 5. Valvole lamellari di non ritorno. 6. Compressore alternativo aria lavaggio. 7. Basamento. 8. Carter. 9. Albero. 10. Incastallatura. 11. Biella 12. Asta dello stantuffo. 13. Cilindro. 14. Collettore di scarico. 15. Luci di scarico. 16. Stantuffo. 17. Turbocompressore.

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esercita una forza oscillante sulle pareti del cilindro attraverso il mantello del pistone (la parte del pistone al di sotto degli anelli). Il pistone `e dotato di anelli elastici sistemati in apposite scanalature circonferenziali nella parte alta del pistone stesso. Gli elementi superiori sono anelli di tenuta che, premendo contro le pareti del cilindro, isolano l’ambiente ad alta pressione dal carter. Gli anelli inferiori hanno il compito di raschiare l’olio superfluo dalle pareti del cilindro e farlo fluire verso il carter. Comunque, il carter non deve essere a tenuta di aria per evitare che la pressione possa raggiungere valori elevati in seguito ad imperfetta tenuta degli anelli. La testata chiude superiormente i cilindri ed e` fabbricata in ghisa o alluminio. Essa deve essere resistente e rigida in modo da sopportare e distribuire uniformemente sul blocco le forze dovute alla pressione del fluido motore. Sulla testata vengono montate le candele nei motori AC, gli iniettori del carburante e parte degli organi della distribuzione. Normalmente nei motori 4T si usano valvole a fungo fabbricate in lega di acciaio (ferritico o austenitico con eventuali riporti di materiali duri, come la stellite, sui bordi di tenuta). Il raffreddamento della valvola di scarico, che pu` o operare a circa 700◦ C, `e spesso facilitato dall’adozione di steli cavi riempiti di sodio che, attraverso evaporazione e condensazione, trasferisce calore dalla testa calda della valvola allo stelo. I motori moderni in genere hanno le valvole posizionate sulla testa dei cilindri. In questa configurazione si possono ottenere camere di combustione pi` u compatte con minore durata di propagazione del fronte di fiamma, minori perdite per scambio termico e migliore riempimento del cilindro. Sia la guida dello stelo della valvola sia la sede sono ricavate nella testata. La sede `e direttamente tagliata nella testata se questa `e in ghisa, altrimenti `e necessario pressare nella testata un inserto in acciaio ad elevata durezza. Un meccanismo ruota la valvola di pochi gradi ad ogni alzata per mantenare pulita la sede, evitare la formazione di punti caldi e prevenire la formazione di depositi nella guida. Per azionare le valvole si adopera un albero a camme in ghisa o acciaio avente una camma per ciascuna valvola. La superficie delle camme deve essere trattata opportunamente per raggiungere una elevata durezza. L’albero a camme `e mosso dall’albero motore mediante ruote dentate, oppure cinghia, oppure catena. Nei motori 4T esso ruota ad una velocit`a angolare pari alla met` a di quella dell’albero motore. L’albero a camme pu` o azionare anche gli iniettori del combustibile. Sistemi di alzata meccanici o idraulici sono collegati mediante piattelli alle camme. A seconda della posizione relativa della valvole e dell’albero a camme sono necessari diversi sistemi per portare il moto dal piattello allo stelo. Per esempio se le valvole sono sulla testa dei cilindri e l’albero a camme `e affiancato si usano aste e bilanceri. Attualmente la tendendenza `e posizionare l’albero a camme sulla testa in modo che possa direttamente azionare le valvole. Il condotto di aspirazione `e in genere fabbricato in alluminio o ghisa mentre quello di scarico `e in gh...