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Dipartimento di Energetica “S.Stecco”

UNIVERSITA’ DI FIRENZE Facoltà di Ingegneria

Motori a Combustione Interna Motori e Macchine Volumetriche

Ingegneria Meccanica Ing. Giovanni Ferrara [email protected] Last update: 19/09/2012

Corso di Motori a Combustione Interna – Ing. G. Ferrara

1.1

Chiarimento su moduli/corsi PRIMA • Motori Alternativi (6 CFU) – Ing. Ferrara

• Complementi di Motori Alternativi (3 CFU) – Ing. Ferrara

• Macchine Volumetriche (3CFU) – Ing. Pacciani

• Motori a Combustione Interna – Motori Alternativi + Complementi di Motori Alternativi

• Motori e Macchine Volumetriche – Motori Alternativi + Macchine VOlumetriche Corso di Motori a Combustione Interna – Ing. G. Ferrara

1.2

Chiarimento su moduli/corsi ORA • Motori e Macchine Volumetriche (6 CFU) – Ing. Ferrara

• Laboratorio di Motori a Combustione Interna (3 CFU) – Ing. Ferrara

• Laboratorio di Macchine Operative (3CFU) – Ing. Pacciani

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1.3

Orario

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1.4

Bibliografia • Testi sfruttati durante il corso – G.Ferrari, Motori a Combustione Interna, il Capitello editore – J. B. Heywood, Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill International Editions. – G. A. Pignone, U. R. Vercelli, Motori ad alta potenza specifica, Giorgio NADA editore

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1.5

Bibliografia • Ulteriori riferimenti bibliografici – O. Acton, C. Caputo, Introduzione allo studio delle macchine, Edizioni UTET – A. Beccari, C. Caputo, Motori termici volumetrici, Edizioni UTET – G. Bidini, S. Stecco, Motori a combustione interna, Pitagora Editrice Bologna – D.Giacosa, Motori endotermici, Hoepli Milano – C.F. Taylor, The internal commbustion engine in theory and practice; MIT press – C. Bossaglia, Il motore 2 tempi di alte prestazioni Editrice dell’Automobile Milano – R.Benson, Internal combustion engines Pergamont press Oxford

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1.6

Programma •

Classificazione dei MCI - Il funzionamento dei motori 2T e 4T - Cenni ai cicli termodinamici di riferimento Parametri geometrici e cinematici caratteristici. Lavoro, potenza e rendimento

•

Coppia – PMI – PME – PMA – Potenza specifica e specifica areale

•

Considerazioni sulla potenza: dipendenza da Cilindrata, numero cilindri, rapporto corsa alesaggio

•

Leggi di similitudine - Curve caratteristiche - Accoppiamento motore-utilizzatore

•

Esame su un elevato campione di veicoli benzina e Diesel dei parametri introdotti

•

Regolazione dei motori Otto e Diesel

•

Alimentazione aria nel motore a quattro tempi: determinazione del coefficiente di riempimento - effetti quasi stazionari

•

Condizione di flusso attraverso le valvole, il coefficiente di efflusso: espressione analitica e valutazione sperimentale - banco di flussaggio

•

Sistemi di aspirazione e scarico: condizioni di moto del fluido, fenomenologia degli effetti dinamici

•

Effetti dinamici in un motore a quattro tempi - Diagramma di distribuzione - Anticipi apertura e posticipi chiusura valvole - Sistemi di fasatura variabile delle valvole – geometria variabile dei condotti.

•

Alimentazione aria nel motore a due tempi: il processo di lavaggio e disposizione delle luci, coefficiente di efflusso, analisi sperimentale del processo di lavaggio, progetto dei gruppi di lavaggio e scarico, il carter pompa. Effetti dinamici in un due tempi veloce.

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1.7

Programma

•

Sovralimentazione. Elementi base – sovralimentazione a pressione costante – sovralimentazione a impulsi. Accoppiamento motore-sovralimentatore

•

Cenni alle caratteristiche dei combustibili per motori: combustibili attualmente utilizzati e loro caratteristiche (potere calorifico, resistenza alla detonazione, accendibilità, volatilità, ecc.)

•

Alimentazione combustibile nel motore Otto: carburatore elementare e dispositivi supplementari, sistemi di iniezione indiretta e diretta per motori Otto"

•

Iniezione di combustibile nel motore Diesel: principali sistemi di iniezione e soluzioni costruttive Common Rail - caratteristiche dello spray di combustibile.

•

Moti della carica nel cilindro: Medie di insieme, fluttuazioni, intensità di turbolenza, moti organizzati della carica: Swirl-Tumble-Squish

•

Combustione. Fasi della combustione nei motori ad accensione comandata. Propagazione del fronte di fiamma. Dispersione ciclica. Legge di rilascio del calore. Combustioni anomale: accensione a superficie, detonazione. Combustione Diesel: ritardo di accensione, motori ad iniezione diretta e a precamera. Legge di rilascio del calore

•

Emissioni inquinanti nei MCI

•

Scambio termico nei componenti di MCI

•

La simulazione numerica nei MCI - esempi applicativi

•

Uso efficiente dei MCI - Trazione ibrida

•

Analisi sperimentale delle prestazioni di un MCI: esercitazione al banco prova

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1.8

Concetti e argomenti considerati “noti” • Cicli termodinamici (verranno accennati) – Cicli ideali di Beau de Rochas, primo e secondo ciclo Diesel e ciclo di Sabathé – Ciclo limite – Ciclo reale (indicato)

• Meccanica e cinematica del manovellismo • Accoppiamento camma punteria • Equilibratura del motore

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1.9

Classificazione • Classificazione secondo diverse modalità; le principali sono: – Modalità di accensione della carica all'interno della camera di combustione: • Motori ad accensione comandata (MAC) • Motori ad accensione spontanea (MAS)

– In base al ciclo di lavoro: • Motori a quattro tempi • Motori a due tempi

– In base al tipo di combustibile: • • • • •

benzina gasolio metano GPL alcool (metilico, etilico)

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1.10

Considerazioni generali • I MCI sono macchine endotermiche volumetriche funzionanti a circuito aperto nelle quali le varie trasformazioni termodinamiche dei cicli di riferimento avvengono in successione temporale nel medesimo luogo. – Questa rappresenta la differenza fondamentale tra MCI e turbine a gas: queste infatti, seppur caratterizzate da un ciclo termodinamico simile, eseguono le trasformazioni termodinamiche che avvengono in parallelo temporale in parti diverse della macchina. – La potenza dipende dalla frequenza di ripetizione del ciclo termodinamico

• Attenuazione delle problematiche legate alla massima temperatura del ciclo (principale vincolo delle TG) – Possibilità di funzionare con miscele stechiometriche.

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1.11

Un breve cenno al funzionamento del 4T …

Aspirazione

Compressione – Combustione

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Espansione

Scarico 1.12

… animato …

2n n fc = = T 2

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1.13

… e il 2T •

Il lavaggio, ovvero il ricambio della carica, avviene con il pistone in prossimità del PMI (ampi angoli di manovella ma ridotti movimenti assiali del pistone). Quando il pistone apre la luce di lavaggio (successivamente all’apertura della luce di scarico), il ricambio della carica avviene per merito della pressione generata dalla pompa di lavaggio (eventuale carter pompa).

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1.14

2T

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1.15

Animato!

fc =

2n =n T

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1.16

Ancora animato

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1.17

MCI Rotativi: il Wankel

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1.18

… le sue fasi … • Motore a quattro tempi – Il ciclo di funzionamento si compone delle seguenti fasi. Ciascuna occupa mezzo giro (180°) della rotazione della manovella. – Aspirazione. Inizia al PMS; il moto discendente del pistone richiama miscela (o semplicemente aria) attraverso la valvola di aspirazione. Il cilindro è leggermente in depressione rispetto all'atmosfera. – Compressione e Combustione. Durante la sua successiva corsa dal PMI al PMS il pistone comprime la miscela all'interno del cilindro. Entrambe le valvole sono chiuse. La combustione ha luogo nell'intorno del PMS. – Espansione. I gas combusti ad alta temperatura ed alta pressione si espandono spingendo il pistone verso il PMI. Poco prima del PMI la valvola di scarico si apre e parte dei gas combusti presenti nel cilindro a pressione superiore all'atmosferica fluiscono naturalmente attraverso la valvola di scarico (scarico spontaneo). – Scarico (forzato). Nella successiva corsa ascendente il pistone spinge il gas rimanente fuori dal cilindro, che si trova in leggera sovrapressione rispetto all'atmosfera.

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1.19

Cicli termodinamici di riferimento (rapido richiamo)

• Ciclo ideale di Beau de Rochas. La fase di combustione è schematizzata con uno scambio termico lungo una trasformazione isocora (combustione istantanea).

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1.20

Cicli termodinamici di riferimento (rapido richiamo) •

Primo ciclo Diesel. Lo scambio termico a temperatura superiore avviene con una trasformazione isoterma.

•

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Secondo ciclo Diesel. Lo scambio termico avviene a pressione costante, in modo che che la cessione di calore compensi l'aumento di volume dovuto al moto discendente del pistone.

1.21

Cicli termodinamici di riferimento (rapido richiamo) • Ciclo di Sabathé. La cessione di calore avviene in questo caso in parte a volume costante ed in parte a pressione costante. E' un ciclo molto vicino a quelli reali, e può considerarsi una generalizzazione dei precedenti.

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1.22

Cicli termodinamici di riferimento (rapido richiamo)

E' fissata la pressione massima del ciclo p3 e sono definiti i parametri: τ=

p3 p2

b=

V1 V2

V3 V3 '

ρ=

• dove il punto 3' è al PMS e rappresenta la fine del tratto di combustione isocora, mentre il punto 3 è la conclusione del tratto di combustione isobara. Con queste assunzioni il rendimento del ciclo di Sabathé risulta: η id = 1 −

⎤ c v (T4 − T1 ) 1 ⎡ Q2 τ ⋅ bk − 1 =1− = 1 − k −1 ⋅ ⎢ ⎥ ρ Q1 cv (T31 − T 2 )+ cv (T3 − T3 1 ) ⎣ k ⋅ τ ⋅ (b − 1) + τ − 1 ⎦

• Da questa espressione è immediato ricavare i rendimenti dei cicli ideali di Beau de Rochas (b=1) e 2° ciclo Diesel (t=1)

η BdR = 1 −

1

ρ k −1

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ηD = 1−

⎡ bk − 1 ⎤ ⋅ ⎢ ⎥ ρ k −1 ⎣ k ⋅ (b − 1)⎦ 1

1.23

Il ciclo limite (rapido richiamo)

•

Ciclo limite significa esame di un fluido reale in una macchina perfetta; nel caso presente dei MCI, il ciclo limite tiene conto dei seguenti effetti: 1. la variabilità dei calori specifici con la temperatura e con la composizione locale. Ö si utilizzano le formule di Langen per i calori specifici e si determina la T di fine compressione iterativamente considerando la trasformazione isentropica

T2 k =ρ T1

−1

2. gli effetti legati alla dissociazione, ovvero alla combustione incompleta. Ö All’aumentare di T, gli equilibri chimici si modificano e portano alla formazione di composti intermedi (CO, OH-, O=, H+, NO,…) che occultano parte del calore potenzialmente disponibile. Ö Conseguente notevole abbassamento della temperatura massima del ciclo, e peggioramento del rendimento. Ö Per il calcolo della dissociazione si fa comunque riferimento a stati di equilibrio chimico (tempo infinito) dipendenti quindi dal solo livello di temperatura. Ö Quando la T si abbassa si ipotizza la riassociazione delle specie dissociate e la conseguente “restituzione” del calore occultato.

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1.24

Il ciclo limite (rapido richiamo)

Ö Termodinamicamente una porzione di scambio termico isocoro ad alta temperatura viene sostituita con una cessione di calore a temperatura più bassa (effetto negativo sul rendimento); Ö poiché tale cessione avviene nel corso dell’espansione, questa non risulta più adiabatica (m = k = 1.4), ma deve essere trattata come una sequenza di politropiche, con esponente compreso tra m = 1 (isoterma) e m = k = 1.4 (adiabatica). Ö Convenzionalmente si assume che tutte le specie siano riassociate al di sotto dei 2000 K, il che vuol dire che al di sotto di questa temperatura la trasformazione può essere di nuovo trattata come un’adiabatica (come la compressione). Ö Nella realtà i tempi a disposizione per le trasformazioni nei MCI sono ridottissimi, e ciò causa un effetto di “congelamento” delle reazioni di riassociazione: in sostanza, le concentrazioni che si rilevano nei gas di scarico non corrispondono a quelle di equilibrio, ma sono anzi prossime a quelle relative a temperature più alte, essendo il raffreddamento dei gas nel corso dell’espansione molto rapido. Ö Questo risulta il motivo principale per cui nei MCI si rilevano concentrazioni consistenti di CO allo scarico, che qualificano questa tipologia di motori come quelli maggiormente responsabili di questo tipo di inquinamento ambientale.

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1.25

Il ciclo limite (rapido richiamo)

3. gli effetti legati alla permanenza nello spazio morto di una massa di fluido residua dal ciclo precedente Ö il fluido che non viene scaricato (trasformazione 4-1 e 1-0) ma resta nello spazio morto continua la sua espansione adiabatica fino alla pressione atmosferica, arrivando ad un volume specifico v5 e ad una temperatura T5; Ö fisicamente esso occupa un volume V2 (spazio morto), cosicché la sua massa risulta mf = V2/v5. Ö Miscelandosi con la carica fresca a temperatura ambiente T1, l’effetto negativo - é di far partire il nuovo ciclo da un livello medio di temperatura più elevato, essendo certamente T5 > T1.

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1.26

Il ciclo reale

(rapido richiamo) •

Macchina e fluido non ideali: – presenza di irreversibilità per attrito (accoppiamenti meccanici), – trasformazioni di compressione ed espansione non adiabatiche. • Con riferimento alla compressione, in un primo tratto le pareti sono più calde del fluido, e cedono calore a questo (conseguente incremento di entropia); • in un secondo tratto è il fluido ad essere a temperatura maggiore e cede quindi calore alle pareti (con conseguente possibile decremento di S nonostante le irreversibilità). • L’effetto complessivo é di terminare ad entropia inferiore a parità di volume V2 finale (le pareti dei motori, come noto, sono raffreddate). Effetti simili si rilevano nell’espansione.

•

Dal ciclo reale al ciclo indicato – Invece di studiare tutti i parametri termofluidodinamici del ciclo che il fluido compie dal suo ingresso nel motore alla sua uscita (compreso quindi il passaggio dai condotti di aspirazione e scarico), si analizza semplicemente l’andamento della pressione all’interno del cilindro

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1.27

Il ciclo indicato • La strumentazione necessaria per la rilevazione é costituita da un trasduttore di pressione dinamico adatto ad alte pressioni e temperature e da un misuratore dell’angolo di manovella (encoder ottico digitale).

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1.28

Il ciclo indicato

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1.29

Ciclo indicato • Confronto 4T – 2T

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1.30

Cicli indicati … reali! •

Motore 4T motociclistico (dati simulati) – – –

•

Cilindrata unitaria 500 r = 9,4:1 pme = 12,5 bar

Attenzione alle vere proporzioni tra ciclo caldo e freddo!

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1.31

… anzi realissimi! 50 p

45 50 45 40

40 35 30

35 30

25 20

25 20 15

15 10

10 5 0 -80

5 0 0

50

100

150

200

250

300

•

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120

320

520

720

Dati misurati

1.32

Un po’ di “numerelli” • Qualche ordine di grandezza – Motore benzina aspirato • Pressione massima combustione ~ 15 bar • Picco di Pressione combustione ~ 50-60 bar

senza con

• Pressione nel cilindro all’apertura della valvola di scarico ~ 5 bar • Lavoro indicato negativo 2-6 % del lavoro indicato positivo (a pieno carico e a coppia massima!)

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1.33

Un po’ di numerelli • Qualche ordine di grandezza – Motore Turbo-Diesel • Pressione massima combustione ~ 30 bar • Picco di Pressione combustione ~ 150 bar • Pressione nel all’apertura della scarico ~ 5 bar

senza con

cilindro valvola di

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1.34

Alcuni parametri geometrici e cinematici caratteristici – – – – – – – – – – – –

Raggio di manovella Rm Lunghezza di biella l Corsa del pistone C = 2 Rm Diametro del cilindro (Alesaggio) D Cilindrata unitaria Vu = π D2 C / 4 Volume della camera di combustione Vc Rapporto di compressione geometrico r = (Vu + Vc) / Vc ns velocità di rotazione [giri/sec] Velocità media del pistone up = 2 C ns Angolo di manovella θ Numero cilindri del motore Z Numero tempi del motore T

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1.35

Bilancio energetico considerazioni generali

• • •

Qt:calore totale fornito per ciclo relativo a tutta la massa di combustibile immessa Lu: lavoro utile fornito ad ogni ciclo Ed: energia dissipata – Calore perduto a causa di una non perfetta combustione. – Calore “occultato” da eventuali perdite di combustibili non bruciato all’aspirazione e/o allo scarico. – Riscaldamento dell’aria e del combustibile dalle condizioni iniziali a temperatura ambiente, a quelle ...